8 Osiloskop Deneyin amacı Osiloskobun ve CRT ekranların çalışma prensibini öğrenmek. Genel bilgiler Osiloskobun çalışma prensibi Eğer q yükü taşıyan bir parçacık E elektrik alanının etkisi altında ise F = q E (8.1) ile verilen bir kuvvete maruz kalır. Yukarıdaki denkleme göre elektriksel kuvvet elektrik alan doğrultusundadır. Eğer q yükü pozitif ise kuvvet alan ile aynı yönde, q yükü negatifse kuvvet alan ile zıt yöndedir. Eğer q yüklü parçacık v hızı ile hareket ediyorsa ve ortamda bir B manyetik alanı varsa parçacık aynı zamanda F = q v B (8.2) ile verilen ve Lorentz kuvveti olarak bilinen bir kuvvetin de etkisi altında olacaktır. Lorentz kuvveti hız ile manyetik alanın vektörel çarpımı olduğu için yönü sağ el kuralı yardımı ile bulunabilir. Bu kurala göre sağ elimizin dört parmağını hız yönünde uzatır ve bunları manyetik alana doğru kıvırırsak başparmağımız v B vektörünün yönünü gösterecektir. Eğer q yükü pozitif ise Lorentz kuvveti baş parmağımızın gösterdiği yöndedir. Öte yandan q yükü negatifse kuvvet başparmağımızın gösterdiği yönün tersi yöndedir. Şekil 8.1: Osiloskopta elektrik alan (yukarıdan görünüş). Osiloskop bir elektron demetinin elektrik ve manyetik alanlarda yukarıda bahsedilen kuvvetlerin etkisi altinda saptırılması prensibine dayanan bir alettir. Osiloskoplar hem çeşitli bilimsel ölçümlerde hem de CRT (catode ray tube) görüntüleme teknolojisinde kullanılırlar. CRT teknolojisini eski bilgisayar ekranlarında ve "tüplü televizyon" diye bilinen eski televizyonlarda görebilirsiniz. 56
Osiloskobun basitleştirilmiş bir modelini (8.1) numaralı şekilde görmekteyiz. Negatif olarak yüklenmiş bir elektron kaynağının ısıtılması ile elde edilen elektronlar tam karşıda bulunan pozitif yüklü levhaya doğru V h potansiyel farkı altında hızlandırılırlar ve levhanın ortasındaki bir delikten diğer tarafa geçerler. Levhanın arkasında elektrik alan sıfır olduğu için bu noktadan sonra saptırıcı levhalara ulaşıncaya kadar hızları sabit kalacaktır. Saptırıcı levhalara ulaştıklarında elektronlar bu defa hızlarına dik yöndeki bir elektrik alanın etkisinde kalarak yollarından sapacaklar ve şekilde görülen ekrana çarpacaklardır. Bu ekran floresans özelliği gösteren bir madde ile kaplanmıştır. Bu nedenle elektron demetinin çarptığı noktadan yeşil bir ışık yayımlanır. (8.1) numaralı şekilde osiloskobu yukarıdan görmekteyiz. Buna göre, ekranın diğer tarafından bakan gözlemcinin bakış açısından elektronlar sola doğru sapmaktadırlar. Bu durumda ekrana bakan gözlemci (8.2) numaralı şekildeki gibi bir nokta görecektir. İşte bu CRT ekranlarda elektriksel sinyallerin görüntüye dönüştürülmesi teknolojisinin temelidir. Sabit elektrik alan: Şekil 8.2: Sabit elektrik alan Şekil 8.3: Zamanla değişen saptırıcı potansiyel (testere potansiyeli) tarafından oluşturulan değişken elektrik alan Eğer V s potansiyelinin işaretini değiştirirsek elektrik alanın yönünü de değiştirmiş oluruz. Bu durumda elektronlar artık sol tarafa değil sağ tarafa doğru sapacaklardır. Bu deneyde saptırıcı potansiyeli zamanla periyodik olarak (8.3) numaralı şekilde görüldüğügibideğiştireceğiz. Zamanla bu şekilde değişen bir potansiyele, şeklinden ötürü testere potansiyeli diyoruz. Bu durumda ekrana bakan bir gözlemci ne görecektir? Tahmininizi (8.3) numaralı şekil üzerine çiziniz. Şimdi elektrik alana paralel 57
bir manyetik alan oluşturduğumuzu düşünelim. Bunu (8.4) numaralı şekilde görüldüğü gibi bir bobin yardımıyla yapabiliriz. Bu bobinin oluşturduğu alan esasında düzgün değil şekilde görüldüğü gibi saçaklı bir alan olacaktır. Ama siz bu alanın elektrik alana paralel düzgün bir alan olduğunu varsayınız. Böyle bir manyetik alan elektronları (gözlemciye göre) hangi yönde saptırır? (8.2) numaralı denklemi gözönüne alarak yanıt veriniz. Şekil 8.4: Osiloskopta elektrik ve manyetik alan (yukarıdan görünüş).... (8.3) Şimdi saptırıcı elektriksel potansiyel (8.2) numaralı şekildeki gibi sabitken bobini (8.4) numaralı şekilde görüldüğü gibi yerleştirerek gösterilen yönde sabit bir manyetik alan oluşturduğumuzu düşünelim. Bu durumda ekranda nasıl bir görüntü oluşacaktır? Tahmininizi (8.5) numaralı şekildeki kutuya çiziniz. Şekil 8.5: Sabit elektrik ve manyetik alanlar Şimdi de saptırıcı elektriksel potansiyel (8.3) numaralı şekildeki gibi testere şeklinde değişiyorken bobini (8.4) numaralı şekilde görüldüğügibiyerleştirerek gösterilen yönde yine sabit bir manyetik alan oluşturduğumuzu düşünelim. Bu durumda ekranda nasıl bir görüntü oluşacaktır? Tahmininizi (8.6) numaralı şekildeki kutuya çiziniz. 58
Şekil 8.6: Değişken elektrik alan ve sabit manyetik alan Deneyin yapılışı Şekil 8.7: Deney düzeneği 1. Deney düzeneğini (8.7) numaralı şekilde görebilirsiniz. Şekilde sol tarafta güç kaynağı, sağ tarafta ise osiloskop görülmektedir. Güç kaynağı üzerinde en solda bulunan gösterge hızlandırıcı V h potansiyelini göstermektedir ki bu deneyde kullacağımız değer V h =250V dur. Soldan ikinci gösterge elektron demetini odaklayan sistem için gerekli gerilimi sağlamaktadır. Bu gerilimin değerini değiştirerek daha iyi odaklanmış bir demet elde edebilirsiniz. Ancak bu deneyimiz için çok da önemli değildir. O nedenle bu potansiyelin değerini değiştirmeyiniz. Soldan üçüncü gösterge elektron demeti kaynağını ısıtmak için kullanılmaktadır. Bu potansiyelin değerini de lütfen değiştirmeyiniz. 59
En sağda bulunan gösterge (8.7) numaralı şekilde görüldüğü gibi manyetik alanı oluşturacak olan bobinin uçları arasındaki gerilimi sağlamaktadır. Bu gerilimi arttırarak manyetik alanın şiddetini arttırabilirsiniz. 2. Osiloskobun içinin yakından bir görünüşünü (8.8) numaralı şekilde görmekteyiz. Elektronlar soldaki levhalar arasında hızlanmakta, sağdaki levhalar arasında da yollarından sapmaktadırlar. Eğer laboratuvarın ışıklarını kapatırsanız elektron demetini izlediği yolu mor bir çizgi şeklinde görebilirsiniz. Bu ışık elektronların yoları üzerinde çarpıştıkları gaz atomları tarafından yayımlanmaktadır. Eğer koşullar uygun olursa asistanınız sizin için laboratuvarın ışıklarını kapatabilir. Şekil 8.8: Hızlandırıcı ve saptırıcı potansiyel 3. Osiloskobun sağ üst tarafında bulunan düğme saptırıcı potansiyel V s yi ayarlamaktadır. (8.9) numaralı şekilde görüldüğü gibibudüğme en soldaki konumda (off) olduğunda saptırıcı potansiyel (8.2) numaralı şekilde görüldüğü gibi sabittir. Düğme bir kademe sağa doğru çevrildiğinde (8.3) numaralı şekilde görülen testere potansiyeli elde edilir. Düğme sağa doğru her ilerlediğinde testere potansiyelinin frekansı artacaktır. Şekil 8.9: Saptırıcı potansiyeli değiştiren düğme 60
4. Şimdi güç kaynağını çalıştırınız ve V s saptırıcı potansiyel düğmesini en sol konuma getiniz (sabit saptırıcı potansiyel). 30 saniye kadar beklediğinizde ekranda yeşil bir nokta göreceksiniz. Bu noktanın konumuna göre saptırıcı levhalar arasındaki elektrik alan hangi yöndedir? Aşağıdaki şekil üzerinde elektrik alanın yönünü, levhalar üzerindeki yüklerin işaretlerini ve elektronların yörüngesini gösteriniz. Şekil 8.10: Osiloskopta sabit elektrik alan (yukarıdan görünüş). 5. Şimdi V s saptırıcı potansiyel düğmesini bir kademe sağa çeviriniz. Bu durumda (8.3) numaralı şekildeki gibi bir testere potansiyeli elde edeceksiniz. Ekrandaki yeşil nokta nasıl hareket etmektedir? Gözleminizi (8.3) numaralı şekle çizdiğiniz tahmininizle karşılaştırınız. Eğer tahmininiz yanlışsa düzeltiniz. Elektrik alan nasıl değişmektedir? Elektronlar bu durumda nasıl bir hareket yapmaktadırlar? Yanıtınızı kısaca aşağıya yazınız. 6. V s saptırıcı potansiyel düğmesini kademe kademe sağa çeviriniz. Bu şekilde postansiyelin değişim frekansını arttırmış olmaktasınız. Bu durumda ekrandaki görüntü nasıl değişmektedir? Ne gördüğünüzü ve nedenini aşağıya kısaca yazınız. 7. Şimdi V s saptırıcı potansiyel düğmesini tekrar en sol konuma getiniz (sabit saptırıcı potansiyel). Bu durumda ekranda tekrar yeşil bir nokta görmelisiniz. Deney setinizdeki bobini alıp (8.7) numaralı şekildeki gibi güç kaynağının en sağdaki çıkış uçlarına bağlayınız. Bobinin uçlarına uygulanan gerilimi (ve dolayısıyla manyetik alanın şiddetini) bu bağlantının hemen üzerindeki düğme ile kontrol edebilirsiniz. Manyetik alanın şiddeti çok büyük olmayacak şekilde bu gerilimi ayarlayınız. 8. Bobini alıp saptırıcı levhaların yakınına getiriniz. Eğer ekranınızdaki yeşil nokta hiç hareket etmiyorsa manyetik alanınız çok zayıf demektir. Eğer yeşil nokta kayboluyorsa bu da manyetik alanınızın çok kuvvetli olması dolayısıyla elektronların yollarından çok fazla saparak ekranın dışına 61
çıktıkları anlamına gelmektedir. Buna göre ayarlamanızı yaparak orta şiddette bir manyetik alan elde ediniz. 9. Bobini osiloskobun etrafındaki metal halkaya sabitleyiniz. Bobini sabitlediğiniz yeri öyle bir seçiniz ki manyetik alanınız elektrik alan ile aynı doğrultuda olsun. (Elektrik alan ile manyetik alanın yönleri zıt olabilir. Burada önemli olan sadece aynı doğrultuda olmalarıdır.) 10. Ekrandaki yeşil noktanın nasıl yer degiştirdiğine bakınız. Gözleminiz (8.5) numaralı şekilde yaptığınız tahminle uyumlu mudur? Eğer tahmininiz yanlışsa düzeltiniz. Saptırıcı levhalar arasındaki elektrik alanın yönünü, bobinin konumunu ve bobinin oluşturduğu manyetik alanın yönünü aşağıdaki şekil üzerinde gösteriniz. Şekil 8.11: Osiloskopta sabit elektrik ve manyetik alan (yukarıdan görünüş). 11. Şimdi V s saptırıcı potansiyel düğmesini kademe kademe sağa çevirek saptırıcı levhalar arasında giderek artan frekanslarda testere potansiyelleri oluşturunuz. Bu durumda ekranda gördügünüz görüntü (8.6) numaralı şekilde çizdiğiniz tahmininizle uyumlu mudur? Eğer tahmininiz yanlışsa düzeltiniz. Ne gördüğünüzü ve nedenini aşağıya kısaca yazınız. 12. Son olarak manyetik alanın yönünü de periyodik olarak değiştirisek ne olacağını düşününüz. Asistanınız manyetik alanın yönünü periyodik olarak nasıl değiştirebileceğiniz size gösterecektir. Ancak öncelikle size tahmininizin ne olacağını soracaktır. O nedenle asistanınızı çağırmadan önce yanıtınız üzerinde düşününüz. 13. Hem elektrik hem de manyetik alanın sürekli yön değiştirmesi ile yolundan saptırılan elektron demetinin ekran üzerinde bıraktığı iz, CRT görüntüleme teknolojisinin temelini oluşturmaktadır. Elektrik ve manyetik alanın frenkanslarını değiştirerek ekranda çeşitli şekiller oluşturabilirsiniz. Eğer zamanınız kalırsa çeşitli şekilleri denemenizi tavsiye ederim. 14. Bu deneyden başarılı sayılabilmeniz için deney sonunda asistanınızın size soracağı bazı soruları yanıtlayabilmeniz gerekmektedir. Asistanınız size belirli durumlarda elektrik ya da manyetik alanın yönünü ve elektron demetinin nasıl bir hareket yaptığını sorabilir. Bu noktaları iyice anladığınızdan emin olunuz. 62