لامپ پرتو کاتدی و کاربرد آنها

شاید تا به حال از خود پرسیده باشید لامپ تصویر چیست یا تفنگ الکترونی چیست و چگونه کار می کند و یا شاید تا به حال نام اشعه کاتدی یا پرتو کاتدی را شنیده اید، اما آیا می دانید این اشعه چیست و چگونه ساخته می شود؟

در سال 1897 فیزیک دان آلمانی به نام کارل فردیناند براون لامپ پرتو کاتدی را ساخت، اختراع او در پی آزمایش هایی که توسط فارادی شروع شده بود و تصمیم داشت الکتریسیته را از خلا عبور دهد ساخته شد ولی هنگامی که فاراده در حال ازمایش بود متدهای ایجاد خلا پیشرفت آنچنانی نکرده بود و هرگز موفق به این امر نشد. با گسترش تکنولوژی و ساخته شدن لوله های شیشه‌ای خالی از هوا و انجام ازمایش هایی، اشعه کاتدی توسط فیزیکدان آلمانی جولیوس بلوکر شناسایی گردید.

در سال 1870 فیزیکدان بریتانیایی ویلیام کروکس و همراهانش موفق شدند لوله ای را تا فشار ^6-10 تخلیه کنند که این لوله، لامپ کروکس نام گرفت.

لامپ کروکس از یک محفظهٔ شیشه‌ای دارای خلأ نسبی تشکیل شده که در هر طرف خود یک الکترود دارد. وقتی یک ولتاژ بین الکترودها برقرار می‌شود، پرتوی کاتدی (الکترون‌ها) در مسیر مستقیم از الکترود کاتد ساطع می‌شوند و در پشت آند منطقه تاریکی به صورت سایه مشخص می‌شد. البته وجود این منطقه تاریک اولین بار توسط فارادی دیده شده بود. ویلیام کروکس متوجه شد که هر اندازه هوای داخل لوله را بیشتر تخلیه می کند، فضای تاریک بخش بیشتری از لوله را در بر می گیرد اما با وجود اینکه تمام شیشه را تاریکی محض در بر گرفته است، دیواره پشتی آند می‌درخشد.

با خالی شدن شیشه از هوا، دیگر انرژی کاتد در برخورد با اتم های هوا اتلاف نشده و مستقیماً با سرعت بیشتری به شیشه برخورد می‌کند. پرتو کاتدی در این حالت با سرعت بسیار بالایی به سمت آند حرکت کرده اما کمی منحرف شده و به شیشه برخورد می‌کند. دانشمندان با استفاده از مواد شیمیایی فلورسنتی، مانند روی، جداره انتهایی شیشه را رنگ زدند تا درخشش بیشتری ایجاد شود. همین امر سبب شده دانشمندان متوجه سایه حاصل از آند روی شیشه شوند.

ماهیت پرتو کاتدی چگونه تعیین شد؟

تامسون با انجام آزمایش هایی متوجه شد که پرتو کاتدی دارای بار منفی است و جرم دارد. او ابتدا در مسیر پرتو کاتدی در لامپ کروکس توربین پره‌ای قرار داد که هنگام عبور پرتو کاتدی از توربین، شروع به چرخیدن می‌کرد که نشان دهنده ذره‌ای بودن پرتو کاتدی بود. همچنین در مسیر پرتو کاتدی میدان الکتریکی قرار داد و مشاهده کرد که پرتو کاتدی به سمت قطب مثبت منحرف می‌شود. تامسون همچنین متوجه شد ذراتی که در پرتو کاتدی موجود است در تمام مواد وجود دارد او این اجزای بسیار ریز را الکترون نامید و با این آزمایشات نظریه دالتون که اتم را کوچک‌ترین جز ماده قلمداد کرده بود، به کلی نقض کرد و مدل اتمی خود مبنی بر وجود ذرات زیر اتمی و الکترون را بنا نهاد.

ساختمان لامپ پرتو کاتدی (CRT) و تفنگ الکترونی

لامپ های پرتو کاتدی متشکل از یک تیوپ(لوله) شیشه‌ای خالی از هوا (خلا) هستند که در یک انتهای آنها قطعه کاتدی قرار دارد که توسط عبور الکتریسیته گرم می شود. با گرم شدن کاتد، پرتوهایی از آن گسیل می‌شود و پس از خروج از کاتد در میدان الکتریکی حاصل از اختلاف پتانسیل بین صفحات آند و کاتد که چند صد یا چند هزار ولت می‌باشد شتاب گرفته و به سرعت بالایی می رسند. این پرتوها در مسیر افقی به حرکت خود ادامه داده و به انتهای دیگر لامپ برخورد می‌کنند، اگر در این قسمت به ماده فلورسانس برخورد کند لکه روشنی ایجاد می‌کند.

کاربرد لامپ های پرتو کاتدی

تا اینجا با نحوه تشکیل پرتوهای کاتدی آشنا شدیم، تا ابتدای قرن 21 از این لامپ ها به منظور لامپ تصویر تلوزیون ها استفاده می‌کردند که امروزه با (Light Emitting Diode)LED ها و (Liquid Crystal Display)LCD ها جایگزین شده است.

چون ماهیت پرتوهای کاتدی الکترون بوده و الکترون های متحرک در میدان های مغناطیسی و الکتریکی منحرف می شود، اگر ولتاژ مناسبی بین صفحات آند و کاتد برقرار شود باریکه الکترونی تمام صفحه فلورسانس را با سرعت بالا جارو کرده و تمام صفحه روشن می شود. اگر سیگنال های که توسط ایستگاه پخش تلوزیون منتشر می‌شود به لامپ تصویر برسد بسته به روشنایی تصویری که منتقل می‌شود ولتاژ شتاب دهنده الکترونها تغییر کرده و نقاط روی صفحه فلورسانس روشنایی متفاوتی داشته و تصویر متصل شده در چشم انسان بازسازی می‌شود.

نحوه کار با شبیه‌ساز

شبیه‌ساز از دو بخش اصلی تشکیل شده

1. بخش اول: تاثیر میدان الکتریکی و مغناطیسی روی پرتو کاتدی

شما می توانید میدان الکتریکی و مغناطیسی را در دو جهت مخلف قرار داده و تاثیر هرکدام را روی پرتو کاتدی مشاهده کنید. از علوم هشتم می دانید که بارهای ناهم نام جذب یکدیگر می شوند و از فصل یک فیزیک یازدهم به یاد دارید که نیروی الکتریکی در راستای میدان الکتریکی وارد می شود.

با انتخاب میدان های مغناطیسی می توانید انحراف پرتو کاتدی در این میدان را مشاهده کنید اما یک تفاوت وجود دارد، نیروی مغناطیسی وارد بر پرتو در راستای میدان نبود و عمود بر آن است. اگر مروری به فصل سه فیزیک یازدهم داشته باشید به یاد می آورید که علت آن، قانون دست راست است.

برای مرور بیشتر می توانید به شبیه‌ساز قانون دست راست مراجعه کنید.

1. بخش دوم: بررسی عملکرد تلویزیون های قدیمی

تلویزیون های قدیمی بسیار بزرگ بوده و با استفاده از میدان مغناطیسی، پرتو کاتدی یا همان جریانی از الکترون ها را کنترل کرده و به نقاط خاصی از صفحه برخورد می داد. پس از برخورد به دلیل مواد موجود روی صفحه، نقاط روشنی ایجاد می‌شد و در سایر نقاط تاریکی قرار داشت. این نقاط تاریک و روشن می توانست برای ما تصویری تشکیل دهد. در شبیه‌ساز شما می توانید تصویر تشکیل شده را سرعت پخش های مختلف مشاهده کنید. تصویر موجود مربوط به برنامه "مدرسه موش ها" می باشد که نوستالژی بوده و یادآوری خاطرات گذشته است.

پرسش ها:

1- چرا در شبیه‌ساز تلویزیون قدیمی، از میدان مغناطیسی استفاده شده اما میدان الکتریکی وجود ندارد؟

2- با استفاده از علم موجود توانستیم تلویزیون سیاه سفید بسازیم، به نظر شما تلویزیون های رنگی چگونه کار می کنند؟

3- آیا می توان در مسیر عبور پرتو، هردو میدان الکتریکی و مغناطیسی را قرار دهیم؟ چه نتایجی در پی خواهد داشت؟