- تمهيد :
نظرا لسهولـة استخدام راسم الاهتزاز المهبطي و لخصائصه المتعددة ، أصبح أداة أساسية لعمليات الملاحظة و التحليل و القياس المباشر و غير المباشر للمقادير الفيزيائية التي يمكن تحويلها وفق أنظمة كهر بائية أو إلكترونية معينة إلى توترات كهربائية.
و يستغل راسم الاهتزاز المهبطي أساسا في دراسة شكل ودور الإشارة الكهربائية ومن ثم معرفة التغيرات اللحظية للمقدار الفيزيائي.
راسم الاهتزاز المهبطي هو جهاز إلكتروني يعطينا تغير التوتر الكهربائي خلال أزمنة صغيرة جدا تصل إلى رتبة الميكرو ثانية . و يساعد على معاينة تغيرات هذه التوترات بدلالة الزمن و يحدد مميزاتها. كما يمكن معاينة بعض التغيرات بدلالة الزمن لمقادير فيزيائية دورية.
2- مبدأ عمل راسم الاهتزاز المهبطي :
يرتكز مبدأ عمل راسم الاهتزاز المهبطي على انحراف الحزمة الإلكترونية في وسط حقل كهربائي (كهروستاتيكي) و يتكون أساسا من :
أنبوب مهبطي من زجاج مفرغ من الهواء جزئيا و الذي يحتوي على قاذف إلكتروني ومكثفات للانحراف و تكون نهاية الأنبوب مطلية بمادة لمّاعة ، و تشكل الشاشة.
w
مضخمات إلكترونية . الشكل
w
1.2- القاذف الإلكتروني :
يتشكل القاذف الإلكتروني من مجموعة من المساري هي :
المهبط (K) يكون كمونه سالبا بالنسبة للنقطة الباردة (masse) حوالي 2000 فولط ويسخن بسلك (f) و يبث بالفعل الكهروحراري إلكترونات بسرعة ضعيفة .
w
"الونهالت" (Wenhelt) عبارة عن أسطوانة بداخلها المهبط و كمونها أقل من كمون المهبط. تدفع عدد من الإلكترونات التي يبثها المهبط . تدفق الإلكترونات المار من O1 و بالتالي (قداحة) شدة البقعة الضوئية تضبط بواسطة كمون الونهالت.
w
المصعد (A1) يكون كمونه غالبا موجب و ثابت بالنسبة للمهبط K و يكون دوره تسريع الإلكترونات.
w
المصعد (A2) عبارة عن اسطوانة و يكون كمونها متغير و الجملة المتكونة من المصعدين تكون مضبوطة ضبطا محكما و تولد مجالا كهروستاتيكي بحيث الحزمة الإلكترونية تتجمع أي الحزمة الإلكترونية الخارجة من A2 تكون أقل تباعد مما يسمح بالحصول على بقعة ضوئية واضحة.
w
المصعد (A3) يكون كمونه مرتفعا بالنسبة للمهبط K فيعطي سرعة للحزمة الإلكترونية.
w
2.2- الانحراف العمودي :
تدخل الإلكترونات المتسارعة بين اللبوسين الأفقيين Y1 و Y2. نعتبر ف1 فرق الكمون بين اللبوسين Y1 و Y2 ، تنحرف الحزمة الإلكترونية عموديا نتيجة للمجال الكهروستاتيكي الموجود بينهما. الانحراف مرتبط بشكل اللبوسين و بعدهم عن الشاشة. و يتناسب هذا الانحراف مع ف1.
ملاحظة :
في غياب ف1 المطبق بين اللبوسين ، تضبط الوضعية الأفقية للحزمة الضوئية بالزر و هذا بتغيير التوتر المستمر الداخلي المطبق بين اللبوسين الأفقيين.
نوصل التوتر المراد قياسه إلى كل من المدخل YA أو المدخل YB في حالة توترين نستعمل المدخلين معا و اللذان يعملان بالتناوب حيث يكون تواتر التناوب 2×10-5 ثا-1 .
3.2- الانحراف الأفقي :
1.3.2- بتطبيق فرق كمون خارجي :
بعد خروج الحزمة الإلكترونية من المكثفة Y1Y2 تدخل عند O بين اللبوسين العموديين X1 وX2. ينتج عن فرق كمون مطبق بينهما مجالا كهربائيا منتظم و أفقي مما يجعل الحزمة الإلكترونية تنحرف أفقيا و الزر يسمح بضبط موضع هذه الحزمة الإلكترونية.
2.3.2- المسح :
عندما يكون المسح موصل ، التوتر فق الناتج عن دارة داخلية "قاعدة الزمن" يطبق بين طرفي اللبوسين X1 و X2 ". التوتر فق يكون دوري و البقعة الضوئية للحزمة الإلكترونية تمسح الشاشة أفقيا من اليسار إلى اليمين بسرعة ثابتة. الونهلة تمنع عودة الإلكترونات : لا يوجد أثر للحزمة الإلكترونية . يكون المحور xx' عبارة عن محور الأزمنة. نشاهد على الشاشة خطا أفقيا إذا لم يطبق فرق في الكمون . الشكل
3.3.2- التزامن (synchronisation) :
لمعاينة ظاهرة دورية و تثبيت المنحنى على الشاشة يجب أن يكون دور المسح ضعف دور الظاهرة. ميزة التزامن هو السماح بإقلاع الحزمة بعد عدد صحيح من دور الظاهرة. الشكل
3- الوصف الخارجي لراسم الاهتزاز المهبطي :
المجال A مخصص للتشغيل الأولي للجهاز
المجال B مخصص لدخول الإشارات المراد معاينتها
المجال C مخصص لقاعدة الزمن و إقلاع الإشارات
المجال D مخصص لاختيار تمثيل الإشارات
زر التشغيل Power
1
عند الضغط
x - y
حذف المسح الزمن
2
وضوح البقع الضوئية focus
3
شدة البقع الضوئية intensity
4
الضبط العمودي للبقعة الضوئية ajustement verticale de la trace
7
-
5
الضبط الأفقي للبقعة الضوئية ajustement horizontale
6
GND
أو التوصيل الأرضي
AC
DC
زر اختيار نوع التيار
9
- 8
المعيار أو الحساسية (Volt/Div) للمدخلين YA أو YB
10
ضبط المعيار cal
11
CH1
عند الضغط = معاينة المتغير الموصل إلى المدخل YA
12
CH2
عند الضغط = معاينة المتغير الموصل إلى المدخل YB
16
زر تحكم في سرعة الانحراف الأفقي (المسح الزمني) T/DIV
13
AUTO
الضغط عليه يؤدي إلى معاينة المنحني إذا وصل فقط بالمدخل.
15
BOTH
الضغط عليه يعني معاينة التوتران معا.
17
CH2-INVERT
الضغط عليه يعني معاينة التوتر 2 بالإشارة السالبة
18
4 - التشغيل الأولي للجهاز :
أوصل جهاز راسم الاهتزاز المهبطي بالتغذية الكهربائية 220 فولط ، 50 هرتز.
w
تأكد من أن كل الأزرار الضاغطة في حالة راحة .
w
شغل الجهاز بالزر دون توصيل أي جهاز به وانتظر 30 ثا على الأقل .
w
اضبط سرعة المسح الزمني على 0,1 ميلي ثانية ليحدث الانطباع الشبكي لعين المشاهد
w
شغل زر الإضاءة للحصول على إضاءة مناسبة للخطين الأفقيين اللذين يظهران على الشاشة .
w
حرك زر التحكم الشاقولي () و الأفقي () ليظهر الحظ في المحور المركزي الأفقي للشاشة
w
اضبط الشدة الضوئية و دقتها للخطين الشكل
w
زر التضخيم أو الحساسية
زر قاعدة الزمن
زر التحكم الأفقي
زر التحكم الشاقولي
نوع آخر من الأزرار :
زر التضخيم أو الحساسية
زر قاعدة الزمن
5- تجارب يستعمل فيها راسم الاهتزاز المهبطي :
1.5- قياس التوتر المستمر :
نشغل الجهاز ، بعد توصيله إلى المقبس ، بالقاطعة on ، كما نستطيع التحكم في شدة البقعة الضوئية بالزر ووضوحها بالزر .
نوصل عمود كهربائي ف = 4.5 فولط (الشكل 5) إلى المدخل YA و نحدده بالزر ، نختار نوع التيار بالزر ونضبط سعة المضخم بالزر .
يمكن استعمال المدخل YB.
قيمة ف تحسب كتالي:
ف = عدد التدريجات × قيمة الحساسية ( v/div) في مثالنا (2v/div)
2.5- قياس توتر متغير :
نقوم بتوصيل الدارة المبينة بالشكل و نتبع بنفس الخطوات السابقة ، نغير فقط في نوع التيار بالزر و نضبط القاعدة الزمنية بالزر .
تكون قيمة فأ =قيمة الحساسية (ح) × عدد التدريجات (ع)
ح=1v/div و ع = 2 و منه فأ = 2 فولط. ( ف0 = فأ)
نقول أحيانا أن المولد الموجود بالمخابر مميزاته في التيار المتناوب ف = 12 فولط أو 6 فولط ، هذا يعني أن فرق الكمون المنتج هو فمـ = 12 فولط أما فأ = 12 × 1.4= 17 فولط تقريبا.
لحساب الدور (د) نقرأ قيمة مؤشر القاعدة الزمنية (في مثالنا 0.5 ميلي ثا/درجة )، أي 0.5ms/div، ثم نضرب هذا العدد بعدد التدريجات (ع= 5.3) .
و من القانون د =
نحسب التواتر
3.5- قياس توترين جيبيين :
في هذه الحالة نوصل الدارة المبينة بالشكل متبعين الخطوات السابقة و نضيف هنا الضغط على الزر (Dual) . الزر يعكس إشارة التوتر المطبق في المدخل YB .
4.5- قياس فرق الصفحة :
في مثالنا: م أ = 9 و م ب = 24 أي
τ هو التأخر الزمني بين المنحنيين
و τ = α . ي
مع ي =
بالتعويض نجد
τ = α . ي =
و منه α =
الشكل
5.5- معاينة توتر دينامو دراجة :
أوصل قطبي دينامو إلى مدخل YB مثلا ثم أعط سرعة للعنصر الدوار للدينامو مستعملا لذلك المثقب الكهربائي (perceuse électrique) فتحصل على المنحنى
6- تجارب خاصة بالأقسام النهائية :
1.6- دراسة شدة تيار كهربائي :
w
ركّب الدارة الكهربائية المبينة في الشكل المقابل :
w
أضبط جهاز راسم الاهتزاز المهبطي للحصول على التوتر اللحظي بين طرفي الناقل الأومي ، اضغط على الزر Duall لمعاينة المنحنيين
استعملنا مقاومة 1 أوم حتى يكون منحنى ف هو نفسه منحنى ش حسب العلاقة
ف = م × ش .
عند استعمال مقاومتين نلاحظ أن المنحنى الممثل لشدة التيار يتوافق مع المنحنى لفرق الكمون في الصفحة الابتدائية أي :
ف = ف0 جب (ي ز + ص )
ش = ش0 جب (ي ز + ص )
لحساب ف0 نقرأ عدد التدريجات ثم نضرب في القيمة التي يشير إليها زر الحساسية الذي وحدته volt/div .نفس الطريقة نتبعها لمعرفة قيمة ش0.
2.6- قياس فرق الطور بين توترين جيبيين :
w
ركّب الدارة الموضحة في الشكل المقابل :
w
أظهر إشارتي التوترين فأب (ز) و فأجـ(ز)
مع د =
τ = α . ي
τ =
المنحنى
3.6- طريقة ليساجوس لمعرفة فرق الصفحة :
نركب الدارة المبينة بالشكل
م0=1 أوم ، م = 100 أوم ، س = 1 ميكروفاراد ، ذ = 1 ميليهنري فمولد= 5 فولط بتواتر
50 هرتز
ز = 5 ميلي ثانية / تدريجة
حساسية لمدخل YA د1 ميلي فولط / تدريجة
حساسية لمدخل YB د5 فولط / تدريجة
عند معاينة المنحنيين نضغط على الزر X - Y الذي يسمح بحذف قاعدة الزمن ، فنشاهد على الشاشة المنحنى المكافئ للمنحنى الممثل لشدة التيار اللحظي المار في الدارة و فرق الكمون اللحظي بين طرفي ثنائي القطب المدروس (منحنى ليساجوس).
و باستعمال العلاقة جب α =
حيث :
النقطتين أ ، ب هي تقاطع الخطين المماسيين للمنحنى مع المحور التراتيب.
النقطتين جـ ، د هي تقاطع الخطين المماسيين للمنحنى مع المحور التراتيب .
نستطيع حساب فرق الصفحة بين شدة التيار اللحظي المار في الدارة و فرق الكمون اللحظي بين طرفي ثنائي القطب المدروس .
4.6- دراسة الدارة م.س :
ركّب الدارة المبينة بالشكل المقابل حيث :
س= 0.47 مكروفاراد و م = 1 أوم
فم = 5 فولط ، ز = 2 ميلي ثا/ تدريجة
الحساسية للمدخل YA
الحساسية للمدخل YB
2 فولط / تدريجة
1 ميلي فولط / تدريجة
بهذه المعطيات حدّد :
ف0 للمكثفة
دور ثم فرق الصفحة بين فرق الكمون اللحظي و شدة التيار اللحظي للمكثفة
ملاحظة :
لمعرفة المنحنى المتقدم نأخذ بالحسبان المنحنى الأول الذي يمر بالقيمة العظمى.
5.6- دراسة الدارة م.ذ :
ركّب الدارة المبينة بالشكل المقابل حيث :
ذ= 10 ميلي هنري و م = 1 أوم
ف = 5 فولط ، ز = 2 ميلي ثا/ تدريجة
الحساسية للمدخل YA
الحساسية للمدخل YB
2 فولط / تدريجة
1 فولط / تدريجة
فنشاهد على الشاشة المنحنى المميز لفرق الكمون بين طرفي الوشيعة و المنحنى المميز لشدة التيار الذي يسري في الدارة.
6.6- دراسة الدارة م.ذ.س :
نركّب الدارة المبينة بالشكل أسفله حيث :
مـ0 = 1أوم ، م = 120 أوم ، ذ = 11 ميلي هنري ، س = 0.47 ميكروفاراد
ف = 5 فولط ، ز = 5 ميلي ثا/ تدريجة
الحساسية للمدخل YA
الحساسية للمدخل YB
2 فولط / تدريجة
0,5 ميلي فولط / تدريجة
فنشاهد على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي
نشاهد على شاشة راسم الاهتزاز المنحنى المميز لشدة التيار المار في الدارة و المنحنى المميز لفرق الكمون بين ثنائي القطب المتكون من المقاومة م و الوشيعة ذ و المكثفة س.
7.6- تجربة لقياس دور نواس مرن :
w
حقّق التركيب الموضح بالشكل المقابل بأخذ نابض مرن ثابت مرونته
ثا = …………
وعلّق به قضيب مغناطيسي كتلته
ك =………
w
أعط للمغناطيس حركة شاقولية .
w
فنحصل على المنحنى المبين بالشاشة
و منه نحسب دور النواس . يمكننا كذلك استعمال التركيب المبين بالشكل أسفله مستعملين فيه مقاومة حساسة للضوء (كهروضوئية) و هنا نقيس دور نواس مرن
فيمكنك معاينة دوره و تتمكن من علاقة الدور
لنواس البسيط حساب شدة الجاذبية
استعمل طول ل = 1م و كتلة ك = 0.5 كغ
حقق هذه التجربة مستعملا المعطيات السابقة
ثم أحسب شدة الجاذبية الأرضية ج من العلاقة
8.6- تجربة التحريض الذاتي :
نركب الدارة المبينة بالشكل حيث عند غلق القاطعة في الوضع 1 تكون العناصر م ، م1 موصلين على تسلسل بين طرفي المولد ذو توتر مربع.
نشاهد على الشاشة 1 التيار يتوافق مع فرق الكمون في كل لحظة .
عند اللحظة التي نغلق فيها القاطعة في الوضع 2 يكون فيها فرق الكمون لا يساوي الصفر و التيار يسري في الوشيعة ببطء و عند انعدام فرق الكمون فشدة التيار تتناقص و لكن لا تنعدم في لحظة انعدام فرق الكمون لأن الوشيعة هي محل لقوة محركة كهربائية تحريضية فنشاهد على الشاشة 2 التيار في الوشيعة (لون أحمر).
9.6- تجربة لمعاينة شحن وتفريغ مكثفة :
w
استعمل التركيب المبين في الشكل
w
غذّي الدارة باستعمال مولد تواترات منخفضة (G.B.F) يعطي إشارة مربعة (توترا دوريا تارة ثابتا و تارة منعدما).
w
w
عاين بواسطة المدخل YA
عاين بواسطة المدخل YB
لراسم الاهتزاز الاشارة المربعة التي تغذي الدارة.
لراسم الاهتزاز تغيرات الإشارة عند عملية الشحن و التفريغ.
فمولد = 5 فولط بتواتر ن = 100 هرتز ، م = 5 أوم ، س = 220 ميكروفاراد
ز = 2 ميلي ثانية / تدريجة.
حساسية لمدخل YA
حساسية لمدخل YB
5 فولط / تدريجة
2 فولط/تدريجة
حاول أن تقارن ما يحدث لشدة تيار الشحن و التفريغ عند تغيير في قيمة المقاومة والمكثفة.
الشكل 3
الشكل 2
الشكل 1
7- تجارب خاصة بأقسام السنة الأولى :
1.7- قياس توتر مستمر وتوتر متغير :
نوصل المولد مو1 مولد لتيار المتناوب و المولد مو2 مولد لتيار المستمر إلى كل من المدخلين YA و YB فنشاهد على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي.
توتر متغير عند المدخل YA و توتر مستمر (ثابت) عند المدخل YB.
2.7- مميزات الصمام الثنائي (ديود) :
للحصول على المنحنى المميز للصمام الثنائي حقق التركيب التالي :
احذف قاعدة الزمن من راسم الاهتزاز المهبطي بأخذ الوضع
X - Y
3.7- تجربة تسمح بمعاينة مميزات مولد :
YA
= 5 فولط / تدريجة ...
YB
= 500 ميلي فولط / تدريجة
نختار الزر
X - Y
الذي يسمح بحذف قاعدة الزمن.
من العلاقة ف = م× ش حيث م =100 Ω
باستعمال حساسية YA نجد ش= 5 × 10-2 أمبير
فتكون إذن الحساسية على المحور الزمن هي 50 ميلي آمبير / تدريجة
قم بين طرفي المولد هو تقاطع المنحنى بالمحور ع و شدة التيار ش هي تقاطع المنحنى مع محور الزمن.
قم = 3 × 0.5 = 1.5 فولط
ش=2.6 × 50 = 130 ميلي آمبير
11.5 Ω
و منه مـ =
4.7- استعمال الصمام الثنائي ( الديود) في تقويم التيار المتناوب:
ركّب الدارة المبينة بالصورة حيث :
فمو = 6 فولط
YA
= 5 فولط / تدريجة
YB
= 5 فولط / تدريجة
ز = 5 ميلي ثانية / تدريجة
لتحصل على الشاشة المبينة من خلال الشكل.
فمو = فرق الكمون للمولد
فم = فرق الكمون بين طرفي المقاومة.
ركب الدارة المبينة بالصورة و اضبط راسم الاهتزاز كما سلف فإنك تحصل على الشاشة G
5.7- الترنزستور في التضخيم :
ركّب الدارة المبينة بالشكل و التي تمثل دارة يستعمل فيها الترنزستور في التضخيم.
YA
= 100 ميكرو فولط / تدريجة
YB
= 20 ميكرو فولط / تدريجة
ز = 0.20 ميكرو ثانية / تدريجة
فتحصل على المنحنى الممثل من خلال الشاشة
8- تطبيقات :
1.8- استعمال راسم الاهتزاز المهبطي لقياس ذاتية وشيعة :
ركّب الدارة المبينة بالشكل حيث
م = 1000 أوم
ف = 5 فولط
ز = 0.20 ميلي ثانية / تدريجة
= 50 ميلي فولط / تدريجة
= 2 فولط / تدريجة
الحساسية للمدخل YA
الحساسية للمدخل YB
فنشاهد على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي فذ و فم
عند المدخل YA المنحنى فب أ الممثل لفرق الكمون اللحظي بين طرفي الوشيعة
فأ ب = - ذ
(1)
حيث
هو مشتق شدة التيار اللحظي بالنسبة للزمن.
عند المدخل YB المنحنى فجـ ب الممثل لفرق الكمون اللحظي بين طرفي المقاومة
فجـ ب = م ش
(2)
حيث ش هو شدة التيار اللحظي.
من المعادلتين (1) و (2) نلاحظ أن المنحنيين يمثلان على الترتيب تغير مشتق التيار بالنسبة للزمن بمعامل (- ذ) و تغير شدة التيار بمعامل (م)
w
خلال نصف دور لـ فجـ ب أي ش (اللحظي) دالة خطية متزايدة خلال الزمن . مشتقها عبارة عن ثابت موجب إذن فأب = ثابت سالب .
w
خلال نصف الدور الموالي لـ فجـ ب أي ش (اللحظي) هي دالة تآلفية متناقصة خلال الزمن . مشتقها عبارة عن ثابت سالب إذن فأب = ثابت موجب .
من المعادلة (1) نحدد
من المعادلة (2)
= م x
= ثا
=
و منه ذ = - فأب
x
دور لـ فجـ ب هو 2.45 تدريجة و كل تدريجة تمثل 0.2 ميلي ثانية
و منه د = 0.49 ميلي ثانية
و فجـ ب تتغير من القيمة 0 إلى قيمة عظمى = 3 تدريجات×2 = 6 فولط
و الثابت ثا هو ميل المستقيم المتزايد لنصف الدور لفرق الكمون بين طرفي المقاومة نلاحظ كذلك في المجال المدروس
فأ ب = - 2.28 × 50 × 10-3 =- 114 .10-3 فولط
ومنه
ذ = - فأب x
ذ = -(- 114 .10-3) x
ذ = 9.31 × 10-3
2.8- تمرين تطبيقي (تحديد طبيعة ثنائي قطب) :
نعتبر ثنائي قطب ص مجهول الطبيعة موصول على التسلسل مع ناقل أومي م = 100 Ω و مولد توترات جيبية منخفضة (شكل) حيث يمكن ضبط تواتره و توتره المنتج. نستعمل راسم اهتزاز مهبطي لمعاينة شدة التيار المار في الدارة و فرق الكمون فجـ أ حيث :
شكل
المسح الزمني ز = 5 ميلي ثانية / تدريجة
50 ميلي فولط / تدريجة
2 فولط / تدريجة
حساسية المدخل YA
حساسية المدخل YB
1-
استنتج من هذه المعاينة :
أ-
تواتر التوتر الجيبي.
ب-
قيمتا المنتجة لشدة التيار اللحظي الذي يسري في الدارة ، و فرق الكمون اللحظي فجـ أ بين طرفي المولد .
ج-
فرق الصفحة φ بين فرق الكمون اللحظي و شدة التيار اللحظي و وضّح التقدم أو التأخر.
نقترح الفرضيات الآتية :
ص هو ناقل أومي مقاومته م1.
ص هو وشيعة مقاومتها مـ و ذاتيتها ذ.
ص هو مكثفة سعتها س.
ص هو وشيعة ذاتيتها ذ و مقاومتها مـ على التسلسل مع مكثفة سعتها س.
بيّن أن بعض الفرضيات خاطئة .
2-
فرق الكمون المنتج بين طرفي المولد هو 5 فولط ، نغير في قيمة التواتر فنلاحظ أن شدّة التيار تصل إلى قيمة عظمى ش0 = 107 ميلي آمبير من أجل تواتر
ن0 =2.15 × 310 هرتز.
عبّر عن طبيعة ثنائي القطب ص.
