DENEY 1 ELEKTRİK ALANDA ELEKTRONLARINDAVRANIŞI

Transkript

1 DENEY 1 ELEKTRİK ALANDA ELEKTRONLARINDAVRANIŞI 1.1 Elektrik Alan ve Elektrik Alanda Elektrnların Davranışı: Birbirinden x kadar mesafede bulunan iki iletken üzerine zıt elektrik yükleri yüklenirse, yüklü plakalar arasında da E elektrik alanluşur (Şekil 1.a). Bu, iki plakadan luşan elektrik alanda; alana paralel larak bir elektrn eksi yüklü plaka yakınından serbest bırakılırsa dğrusal bir yl byunca hareket ederek pzitif yüklü plakaya dğru hızlanır. İş enerji teremine göre m kütleli elektrnun + plakaya çarpma hızı v s : 1 W K Fe d mv s (1.1) eşitliğinden elde edilir. Elektrn üzerine etki eden F e kuvveti: F e qe V q d lduğundan, iş enerji teremi: lur. Burada 1 qv qv mvs vs (1.) m q e 1, Culamb, V plakalar arasına uygulan gerilim vlt cinsinden ve m=9, kg lup elektrnun kütlesini gösterir.gerilim(v) diğer bir deyimle iki plaka arasındaki ptansiyel farkı Fizik II dersinde ikinci bölümde incelenecektir. Şimdi ikinci larak, elektrik alanı geçen(şekil 1.a) v s =v 0 hızlı m e kütleli elektrnun paralel plakalı elektrik alan içine gönderildiğinde,herhangi bir t anında; elektrnun dğrusal yldan sapmasından dlayı a ivmesi luşur ve buna bağlı Newtn kuvveti F = m e a ve elektrik alanda elektrna etki eden F = qe elektrik kuvveti meydana gelir(şekil 1.b). Olay, benzerlik açısından, g yer çekim etkisi altında m kütleli cismin v 0x hızı ile yatay dğrultuda(x ekseni) atış hareketine benzer(şekil 1.c). Bu nedenle m e kütleli elektrnun ivmesi: m e a = qe (1.3) a = qe m e a = ee dir. dir. q=-e lduğundan m e m/s (1.4) Burada Elektrik alan dğrultusu j yönünde(y yönünde) lduğundan a y = ee m e j larak da yazılabilir. Yer çekim alanında m kütleli cisme etki eden a y =-g lduğunu hatırlamak gerekir. 1

2 Şekil 1.a Elektrik alan luşumuşekil 1.b Elektrik alanda elektrn hareketi ve elektrik alanda elektrn hareketi. Şekil 1.c Yer çekim etkisi altında m kütleli cismin Hareketi (yörünge bir parabl). Zamana bağlı larak hız ve knum bileşenleri: Hızın x bileşeni; v v a t dir. Bu harekette, elektrn plakalar arasında sabit hızla x x x hareket ettiğinden a x =0 lur. Bu nedenle herhangi bir x knumunda hız Hızın y bileşeni; v v a t y y dir. Düşey ivme bileşeni y v v x x dır. (1.5) a y = ee m e j (1.6) lduğundan hızın düşey (y) bileşeni elektrik alana bağlı larak: v y ee t m larak yazılabilir. Elektrnun t zamanına bağlı x knumu: (1.7)

3 x x v x t v t ve elektrnun t zamanına bağlı y knumu: y y v y 1 t a yt ee t m dir. x knumu bileşeninden t süresi: x x v x t v t t belirlenir ve y knumunda t yerine yazılırsa; yörüngesi: x v (1.8) (1.9) (1.10) ee y t m ee mv x parabl eşitliği lur. Snuçta elektrik alan bölgelerinde elektrn parablik yl izler. (1.11) Bu eşitliklerden ve elektrik alan luşturan plakalarından faydalanarak Osilskpadı verilen cihazlar geliştirilmiştir. Aşağıdaki bölümde Bir silskp cihazının içinde, elektrik alanda elektrnun saptırılması ve elektrik alandan faydalanarak elektriksel sinyallerin bu cihaz yardımı ile dışarıdan uygulanan bir elektriksel sinyalin veya sinyallerin nasıl gözlemlendiği anlatılacaktır. 1. Osilskp Yüklü parçacıkların elektrik alanda davranışından faydalanılarak silskp adı verilen elektrnik bir cihaz geliştirilmiştir. Bu cihazda, elektriksel (sinyaller) işaretler gözlenir ve ölçülülür Osilskp un Temel yapısı: Katt ışın tüpü silskbun en önemli parçasıdır. Kısaca CRT (Cathde Ray Tube) şeklinde ifade edilir(şekil ). Şekil. Katd Işın Tüpü Osilskp cihazında, yukarıda anlatılan, elektrnların elektrik alan yönünde hareketi ve elektrnlarınelektrik alana dik yönde hareketinin yer aldığı iki önemli kısım bulunur. 3

4 Birincisi elektrn tabancası adı verilen yüklerin hızlandırıldığı kısım ve elektrnların yatay ve düşey yönlerde saptırıldığı plakalar kısmı(şekil 3) bulunur. Şekil 3. Osilskp yapısının kesiti Elektrn tabancası Elektrn tabancası, elektrnların üretildiği ve hızlandırıldığı bir bölümdür (Şekil ). Bu bölümde kendi içinde ikiye ayrılır. Şekil 4 den görüleceği üzere, elektrn üretim kısmı ve elektrnların hızlandırılarak ince demet haline getirilen kısım. Şekil 4. Elektrn tabancası kesiti Vakum rtamında küçük bir flaman tel uçlarına bir gerilim uygulanırsa flaman ısınır ve iletken telden elektrnlar uzaklaşır. Bu laya termiynik salınım adı verilir. Katdun etrafında bulunan silindirik yapıya negatif gerilim uygulanmış lup, elektrd kntrl ızgarası adı verilir. Antipas ve manyetik etkileri azaltmak için Nikelden yapılır. Kntrl ızgarasının ucunda küçük bir delik vardır. Elektrnlar buradan geçer. Elektrn tabancası adı verilen bölümde elektrnların ivmelendiği ikinci bir kısım bulunur(şekil 4). Bu kısım, Flaman ile And arasına yüksek değerli dğru akım gerilimin( Vlt arası) uygulandığı hızlandırma bölgesidir.bu vakum rtamında, elektrnlar çk düşük hızlardan büyük hızlaraerişir ve elektrnlar Şekil 1.a deki gibi ivmelenir(eşitlik 1.1 ve 1.).Şnuçta, Anddan çıkan elektrnlarmaksimum sn hıza(v s ) erişmiştir. Vakum rtamında bu hızlarını krurlar. Artık elektrn tabancası elektrn demeti 4

5 görevini yapmaktadır. Snraki aşama bu elektrn demetinin dikey elektrik alanı luşturan saptırma plakalarında neler göstereceğidir. Saptırma plakaları Katt ışın tüpü içerisinde yatay ve düşey saptırma plakları bulunur(şekil 5). Eğer bu plakalara hiçbir gerilim uygulanmaz ise elektrn tabancasından çıkan elektrnlar çk ince demet larak silskpun flresan ekranında benek larak görünür(şekil 6). Bu beneği uzun süre tutmamak gerekir keza elektrnlar ekranı bzabilir. Şekil 5. Yatay ve düşey plakalara gerilim uygulama Birinci larak, yatay saptırma plakalarına çk az bir dğru gerilim uygulanırsa, elektrn demeti plakalar arasında luşan elektrik alanda alan yönüne bağlı larak sapar. Bu sapma, ekranda, beneğin yatay dğrultuda hareketi ile anlaşılır. Eğer yatay plaka arasına testere dişi biçimli gerilim uygulanırsa(şekil 7a), benek ekranda sldan sağa dğru sürekli hareketli görünür(şekil 7b). Bu nktanın hızı uygulanan gerilimin periyduna bağlıdır. İkinci larak, düşey saptırma plakalarına dışarıdan bilinmeyen bir elektrik sinyali; örneğin sinüs dalga uygulanırsa(şekil 8.a), ekranda iki dalganın bileşeni görülür(şekil 8.b). Ekranda görülen dalganın luşumu şekil 9de görülür. 5

6 Şekil 6. Ekranda benek Şekil 7.a Testere dişi dalga Şekil 7 b. Elektrnların x dğrultusunda hareketi Şekil 8 a. Sinüs gerilimi Şekil 8 b.ekrandasinüs gerilimi Şekil 9. Bir silskp ekranında dalganın luşum temeli 6

7 Osilskpda ekranında yükhareketinin iki byutlu(xy düzlemi) görüntüsü elde edilir(şekil 9). Yaklaşık 010 lara kadar ekranı aşağıda görülen şekle benzer özellikli Katd ışın tüp içeren silskplar kullanılmıştır(şekil 10.a). Günümüzde tüplü silskplar eğitim amaçlı kullanılmaktadırlar. Araştırma amaçlı silskplar digital işletimlidir. İçinde CRT bulunmaz. Çalışma ilkesi, sinyal örnekleme ve algritma temeline dayalıdır (Şekil 10.b). Şekil 9.a Dijital silskp Şekil 9.b. Digital silskp görsel basit yapısı Osilaskpun ekranı Osilskp ekranı iç kısmından flresans madde ile kaplanmıştır. Flresans maddeler üzerine yüklü parçacıklar düşerse gözle görülen parlaklıklar görülür. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi(şekil 10), bir silskp ekranı yatay ve düşey çizgilerle ölçeklendirilmiştir. Bu ölçekler yardımı ile silskp ön panelinde bulunan girişlere uygulanan elektriksel sinyallerin gerilim ve varsa periydik değerleri elde edilir. Hesaplamalar,silskbun kazanç ve zamanlama anahtarları ile ayarlanır. Bu ölçeklerden yararlanarak işaretin genliği ve periydu dğru larak ölçülebilir. Genelde silskp ekranı 10 birim yatay ve 8 birim düşey aralık lmak üzere ölçeklendirilmiştir (Şekil 1D). 7

8 DENEY 1.Şekil D1. de görüldüğü gibi, önce labratuarda görülen silskpun düğmeleri ve nasıl çalıştığı kısaca anlatılır(ek 1). Bunun için öğrenci önceden silkbun çalışma ilkesini öğrenmeli ve deney srumlusunun da Labratuvarda kullanılan ve Ek 3 te verilen silskpun çalışması ile ilgili bilgileri bilmelidir. Şekil D1. Lab. Osilskbun önden görünüşü. Osilskpun giriş kanalına dışarıdan bir elektriksel sinyal uygulanmadan, ekran rtasında(0,0 nktası) beneğin gözlenmesi sağlanır (Şekil 6.). Bunun için kanallardan bir tanesi seçilerek düşey Kanal1 (CH1) plarizasyn tprak seviyesine(grd) ve yatay zamanlama düğmesi minimum (0=time/div) duruma getirilmesi gerekir. Bu durum elektrn tabancasından çıkan ve hızlandırılan elektrn demetinin hiçbir saptırıcı elektrik alan lmadan ekranda görülmesidir. 3. Osilskp ekranında ışıklı çizgi ekranda belirdikten snra Kanal 1(CH1) Y girişine bir prb takılır. Prblar prblar BNC tipi fişler lduğundan takarken ve çıkarırken döndürülerek işlem yapılır 4. Kanallardan birine sinyal kaynağından bir Sinüs dalgası uygulanır. Ekranda Snüs dalgası görünür. Hesaplamalar aşağıdaki gibi verilir. AC gerilimi ekran yüzeyinde dalgalı bir şekil alır. Görülen AC gerilimi bulmak için tepeden tepeye uzunlukla gerekli çarpanlar alınır. V Tepe(maksimum) değeri için: V m = düşey kare sayısı / (tepe nktaları) * vlt / div. veya V etkin değer için: V et = düşey kare sayısı (y) / (tepe nktaları) * V y (vlt / div).*0,707 etkin şeklinde hesaplanır Osilskp ile frekans gerilim ölçümü T = perid T = yatay kare sayısı (X ) * time / divisin(zaman/taksimat) Frekans(f)= 1 / T 8

9 SONUÇ: Osilskplar periydik veya periydik lmayan elektriksel işaretlerin ölçülmesi gözlenmesini sağlayan çk yönlü bir ölçü cihazıdır. Osilskpta iki byutlu görüntü elde edilir. Osilskplar daha çk ölçülecek işaretin zamana göre değişimini ölçmek amacı ile kullanılır. Osilskp gerilim ölçen bir ölçü aletidir. Osilskp ile ölçülebilen bazı elektriksel ve elektriksel lmayan büyüklükler şunlardır: AC ve DC gerilimler AC ve DC akım (gerilime dönüştürerek) dlaylı ölçümü Perid, frekans ve faz ölçümü Yükselme zamanı ve düşme zamanının ölçümü Transdüsörler kullanarak; basınç, gerilme, yer değişimi, ışık, sıcaklık, gibi elektriksel lmayan büyüklüklerin gerilime dönüştürülerek dlaylı ölçümü. Osilskbun temel parçası lan tüp (CRT), televizyn tüpüne benzer. Osilskpların frekans cevapları birbirinden farklı lmakla beraber dc den birkaç yüz MHz e çıkanları vardır. EK 1 Osilskp Üzerindeki Düğmelerin İşlevleri Pwer (n-ff) anahtarı: Aygıtı çalıştırıp durdurmaya yarar. Intensity: Ekranda luşan görüntünün (çizginin) parlaklığını (şiddetini) ayarlar. Fcus: Ekranda luşan ışıklı çizginin netliğini ayarlar. Tracertatin: Ekrandaki ışığı yatay eksene paralel hâle getirir. X-psitin: Işıklı çizginin sağa sla kaydırılmasını sağlar. Y-psitin: Işıklı çizginin yukarı aşağı kaydırılmasını sağlar. AC: Alternatif akım sinyallerini ölçer. DC: Dğru akım sinyallerini ölçer. 9

10 AC-GND-DC:Osilâskbun girişine uygulanan sinyalin cinsine göre üç kademeli kmütatör ayarlanır. Vlts/div.: Ekrandaki ışının dikey düzlemde bir kare mesafe için kaç vltu belirteceğini ayarlamamızı sağlar. Örneğin sinüsidal sinyal dikeyde karelik bir alanı kaplasın. Vlts/div kmütatörü de V kademesinde bulunsun. Buna göre ekranda luşan sinyalin tepeden tepeye gerilim değeri 4 V lacaktır. Time/div.: Ekrandaki ışının yatay düzlemde bir kare mesafe için kaç saniyeyi belirteceğini ayarlamamızı sağlar. Örneğin sinüsidal sinyal yatayda 4 karelik bir alanı kaplasın. Time/div kmütatörü de milisaniye kademesinde bulunsun. Buna göre ekranda luşan sinyalin periyt değeri 8 milisaniye lacaktır. 8 milisaniye, 0,008 saniye lduğuna göre ekrandaki sinyalin frekansı f = 1/T = 1/0,008 = 15 Hz dir. Test sinyali nktası (Cal): Ön panelde cal.5 V ibaresinin bulunduğu yerdir. Çğunlukla 1 khz çıkışlı ve 0,5 vlt gerilimli lur. Bu nkta kullanılarak silaskbun dğru ölçüm yapmasını sağlamak için gerekli ayarlama işlemi yapılabilir. Variable, pull x mag:vlts/div'in hassasiyetini 5 kat büyütür. Bu düğme basılı ve 5 mv knumundayken, öne dğru çekildiğinde iki çizgi aralığı 1 mv lur. CH1 ve CH: Osilâskbun giriş uçlarıdır. Scaleillum (illum): Ekranın aydınlatılmasını sağlayan lâmbanın ışık şiddetini ayarlayan pttur. Add: Kanal 1 ve kanal sinyallerinin matematiksel larak tplanmasını sağlar. (Eğer psitin düğmesi öne dğru çekilirse bu kez iki kanalın farkı görülür.) Dual: CH1 ve CH düğmeleri basılı knumdaysa ekranda iki sinyalde izlenebilir. Aut: Trigger (tetikleme) sinyali uygulanmadığında ya da sinyal frekansı 50 Hz nin altında lduğunda cihaz tmatik larak tarama yapar. Psitinpull x 10 mag: Ekranda taranan görüntünün yatay knumunu ayarlar. Yani bu düğme öne çekildiğinde ekranda taranan dalganın uzunluğu 10 kat genişler. Level: Ekrandaki ışıklı sinyalin durdurulmasını sağlar. Uncall: Seçilen kısmın ayarı aşıldığında ikaz eder. Ext. input: Dışardan tetikleme sinyalinin uygulanmasını sağlayan knnektördür. Ext-trig.:Osilskbun kendi tetiklemesini keser ve dışardan tetiklemeye hazırlar. Nrm: Sınırlamasız frekans tetiklemesi yapar. X-Y: Ekrandaki şekli dikey bir çizgi hâline getirir. LF: Ses frekansında tetiklemeyi sağlar. Line: Şebeke frekanslı (50-60 Hz) gerilimlerde tetiklemeyi sağlar. HF: Yüksek frekansta tetiklemeyi sağlamak için kullanılır. Triggerselectr: Tetikleme seçici Time-base: Yatayda tarama hızını ayarlar. Bu kmütatörün üzerinde bulunan pt yataydaki tarama hızının hassas ayarının yapılmasında kullanılır. Invert I: Birinci düşey kanala uygulanmış sinyalin fazını 180 ters çevirir. Dual: Çift ışınlı silâskplarda iki kanal girişini aynı anda gösterir. Slpe +/-: Işıklı sinyalin (+) ve (-) kısımlarını seçmek için kullanılır. Fuse:Osilaskbu kruyan sigrta Filter: Dalga şeklinin görüntüsünü düzeltir. Ek. PROB KALİBRASYONU Prblar X1, X10 ve X lmak üzere birkaç çeşittir. X çarpan anlamına gelir yani daşarıdan gelen sinyalin genliği(şiddeti) çarpan kadar azalır. X1 tipi prblarda ölçülecek sinyal şiddeti(genliği) lduğu gibi silskba uygulanır. X10 veya X100 tipi bir prb 10

11 kullanılmadan önce aşağıdaki şekilde kmpanze edilmelidir. Kmpanzasyn işlemi için, prb silskp üzerindeki kare dalga üretecine bağlanır ve üzerindeki ayar vidası, ekranda köşeleri düzgün bir kare dalga görülene kadar çevrilir(şelil Ek. Bu işlemden snra hatasız bir ölçüm yapmak mümkündür. X1 tipi prbların bu işleme ihtiyacı yktur. Şekil ek. EK 3. Danışmanın, sinyal ölçümüne başlamadan önce, aşağıdaki maddeleri tekrar etmesinde fayda vardır. 1. Knum (pzisyn) düğmesiyle kalibrasyn(sıfır ayarı) yapılır. Osilaskp ile dğru ölçüm yapabilmek için aygıtın tüm ayarlarının dğru yapılmış lması gerekir.. Cihazın beslemesi tpraklı prizden yapılmalıdır. 3. Tz ve nemin lmadığı bir rtamda kullanılmalı ve muhafaza edilmelidir. 4. Kullanılacak silskbun tüm özellikleri bilinmelidir. 5. AC-GND-DC kmütatörü uygulanan sinyale göre ayarlanmalıdır. 6. Ekranda yatay çizgi yksa, parlaklık düğmesi en yüksek değere getirilmelidir, sinyal gözlendikten snra parlaklık düşürülmelidir. 7. Vlt/div. kmütatörü en yüksek vltaj kademesine alınarak ölçüme başlanmalıdır. 8. Senkrnizasyn anahtarı dahili (int.) knumuna getirilmelidir. 9. Elektrn demetini saptıran düşey ve yatay düğmelerinin knumları rta değere getirilmelidir. 10. Odaklama (fcus) düğmesi ile çizgi netleştirilmelidir. 11. Osilaskp uzun süre kullanılmamışsa prb kalibrasyn nktasına bağlanarak silskpun kalibrasynu yapılmış lur. 11