|
هنگامی که دو قطعه [[فلز]] [[کاتد]] (مثبت) و [[آند]] (منفی) که دارای حداقل ۱۰۰۰۰ [[ولت]] برق و در یک محفظه شیشه‌ای بسته باشند، آنگاه در صورت کاهش فشار هوای درون محفظه، یک پرتو نامریی از قطب - به + مثبت می‌رود که به آن '''پرتو کاتدی''' می‌گویند. با گذاشتن موادی که خاصیت [[فسفرسانس]] دارند در مقابل پرتو، پرتو مریی می‌شود.
'''پرتو کاتدی'''
هنگامی که دو قطعه فلز کاتد (مثبت) و آند (منفی) که دارای حداقل ۱۰۰۰۰ ولت برق و در یک محفظه شیشه‌ای بسته باشند، آنگاه در صورت کاهش فشار هوای درون محفظه، یک پرتو نامریی از قطب - به + مثبت می‌رود که به آن پرتو کاتدی می‌گویند. با گذاشتن موادی که خاصیت فسفرسانس دارند در مقابل پرتو، پرتو مریی می‌شود.
'''جنس پرتوی کاتدی'''
اطلاعات اولیه:
جنس پرتوهای کاتدی موقعی آشکار می شود که خواص آنها را از طریق آزمایش مطالعه نماییم. نتایج عمده آزمایشات خواص قابل ملاحظه پرتوهای کاتدی را بیان می کنند که آنها را مرور می کنیم.
<big>بار الکتریکی پرتوهای کاتدی:</big> پرتوهای کاتدی بار منفی دارند. واضح ترین این دلیل بیان آزمایشی است که در آن یک الکترود سوراخ دار مانند استوانه فارادی را به الکتروسکوپ حساسی متصل می کنند و آنرا در مسیر پرتوهای کاتدی قرار می دهند. پرتوهای کاتدی با وارد شدن به داخل استوانه تمام بار خود را به الکتروسکوب انتقال می دهند. تحلیل علامت بار و نحوه انحراف آن در میدان الکتریکی آشکار می سازد که پرتوهای کاتدی بار الکتریکی منفی دارند.
'''نحوه انتشار پرتوهای کاتدی:'''
پرتوهای کاتدی در خطوط مستقیم و در امتداد عمود بر سطح کاتد منتشر می شوند. بنابراین اگر کاتد به شکل قسمتی از کره باشد، پرتوهای کاتدی در امتداد شعاعهای این کره انتشار می یابد در مرکز آن جمع می شوندکانونی شدن پرتو . اگر پرده ای لیا ن را در این ناحیه قرار دهیم، لکه روشنی بر آن مشاهده خواهد شد مکان این لکه از شکل و محل آند لامپ کاملا مستقل است.
بنابراین امتداد انتشار پرتوهای کاتدی به مکان آند بستگی ندارد. بهتر است بدانید که کاتد تخت باریکه ای از پرتوهای موازی ایجاد می کند در صورتی که کاتد کروی (کاو) پرتوهای کاتدی را "کانونی می کنند". این ویژگی پرتوهای کاتدی با نوع میدان الکتریکی در لامپ تخلیه گازی توضیح داده می شود. وجود افت کاتدی مبین این است که میدان الکتریکی در مجاورت کاتد خیلی قوی و در بقیه قسمتهای لوله بسیار ضعیف است، به این دلیل پرتوهای کاتدی ، که ذرات باردارند، در نزدیکی کاتد تخت تاثیر نیروهای بسیار قوی قرار می گیرند و در امتداد خطوط میدان می شوند. وی خطوط میدان بدون توجه به شکل آند و مکان آن ، بر سطح کاتد عمودند (همانند سطوح رساناها).
بنابراین پرتوهای کاتدی در نزدیکی کاتد در امتداد عمود بر سطح کاتد حرکت می کنند و تقریبا تمام سرعت عظیم خود را در مجاورت خیلی نزدیک کاتد به دست می آورند. بقیه حرکت عملا در امتداد خط مستقیم صورت می گیرد (توسط اینرسی). زیرا ، در فاصله دور از کاتد نیروهای کاتدی ناچیز هستند. میدان الکتریکی در نقاط دور از کاتد ضعیف است. مشاهدات اخیر نشان می دهد که پرتوهای کاتدی بنابر قوانین مکانیک منتشر می شوند، و از این رو جرم دارند.
'''جرم پرتوهای کاتدی:'''
ذرات کاتدی جرم دارند. این مطلب نیز به کمک آزمایش ویژه ای آشکار می شود. پروانه سبکی را که بر محوری متصل است طوری در مسیر پرتوهای کاتدی قرار می دهیم. که آنها (پرتوهای کاتدی) به تیغه های آن «کاتدها) برخورد کنند. بنابراین پروانه به چرخش در می آید، این امر حاکی از این است که پرتوهای کاتدی به آن (پروانه) اندازه حرکت mv داده اند (m جرم و v سرعت ذره است).
'''پرتوهای کاتدی حامل'''
'''انرژی:'''
پرتوهای کاتدی با بمباران اجسام و جذب شدن در آنها باعث گرم شدن این اجسام می شوند. اگر ورقه نازکی از قلع را در وسط کاتد کروی لامپ تخلیه گازی قرار دهیم، ورقه به شدت گرم و حتی ذوب می شود. آزمایش های مشابه نشان می دهند که پرتوهای کاتدی دارای انرژی جنبشی هستند و آن را به اجسامی که در معرض بمباران آنها قرار گیرند، انتقال می دهند. این چیزی است که انتظارش را داشتیم زیرا ذرات کاتدی جرم m دارند و با سرعت زیاد v حرکت می کنند.
هر ذره کاتدی باید انرژی جنبشی mv2/2 داشته باشد. و آن را به جسمی که با آن برخورد می کند، انتقال دهد. پرتوهای کاتدی ، با صرف این انرژی ، باعث تابانی صفحه لیان می شوند. آنها همچنین صفحه حساس عکاسی را سیاه می کنند و باعث واکنشهای شیمیایی می شوند.
'''انحراف پرتوی کاتدی توسط میدان الکتریکی:'''
پرتوهای کاتدی توسط میدان الکتریکی منحرف می شوند. این اثر میدان الکتریکی بر پرتوهای کاتدی را می توان به آسانی پیش بینی کرد زیرا می دانیم که پرتوهای کاتدی بار الکتریکی دارند. به توسط آزمایش هایی این مفهوم نیز تایید شده است. و بار منفی آنها با این خاصیت اثبات می شود.
'''انحراف پرتوی کاتدی توسط میدان مغناطیسی:'''
پرتوهای کاتدی توسط آهنربا منحرف می شوند. با نزدیک کردن آهنربا به باریکه نازک پرتوهای کاتدی، می توان جابجایی رد آنها را روی پرده مشاهده کرد اگر در این آزمایش قطب شمال آهنربا در بالای باریکه باشد. پرتوهای کاتدی ، به سمت چپ منحرف می شوند و اگر در پایین باریکه (زیر باریکه) باشد، پرتوهای کاتدی به راست منحرف می گردند. اگر قطب شمال آهنربا نیز به طرف راست باریکه باشد، باریکه به سمت بالا منحرف می گردد و بر عکس .
اگر قطب جنوب آهنربا نزدیک باریکه شود، جهت انحراف باریکه معکوس می شود. این نتایج را این واقعیت که پرتوهای کاتدی از جریان بارهای منفی تشکیل شده اند و در امتداد لامپ حرکت می کنند، کاملا توجیه می کند. حرکت این بارها یک جریان الکتریکی تشکیل می دهند، و به خوبی می دانیم که جریان و آهنربا بر یکدیگر اثر می گذارند. انحراف پرتوهای کاتدی توسط آهنربا را می توان به صورت زیر تشریح نمود.
وقتی آهنربا به لامپ نزدیک شود، رد پرتوهای کاتدی بر پرده به طور محسوس خمیده می شود. باریکه های کاتدی که از شکافی گذشته، با نزدیک شدن آهنربا به لامپ منحرف شده و رد خم شده باریکه را می توان بر صفحه ای که در لامپ قرار دارد، مشاهده کرد. تمام خواص اخیر پرتوهای کاتدی که در بالا ذکر شد، بخصوص آزمایش های دقیقی که تامسون (j.Thomson) فیزیکدان انگلیسی ، انجام داد، ثابت می کنند که پرتوهای کاتدی از الکترون های سریعی تشکیل شده اند که از کاتد به طرف آند حرکت می کنند.
دلیل پیدایش پرتوهای کاتدی در لامپ تخلیه گازی ، بمباران شدید کاتد توسط یون های مثبت است که با ضربه الکترون هایی را از کاتد فلزی بیرون می کشند «الکترون کنی).
'''شرط وجود پرتوهای کاتدی در لامپ تخلیه:'''
برای داشتن پرتوهای کاتدی لامپ تخلیه باید حاوی مقداری گاز باشد (هر چند خیلی کم ). بنابراین اگر لامپ تخلیه گازی بیشتر از حد لازم خلا شود، نه یونهای مثبت ظاهر می شود و نه پرتوهای کاتدی ، و گازی که به مقدار زیادی زیادی رقیق شده است دی الکتریک خوبی خواهد بود.
الکترونها با حرکت میان کاتد و آند توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و سرعتهای زیادی کسب می کنند این سرعتها در میدان های بسیار شدید می توانند به 105 کیلومتر بر ثانیه یا حتی بیشتر برسند که در شتاب دهنده های خاصی به سرعت نور خیلی نزدیک می شوند.
'''چگونگی شکل گیری پرتوهای کاتدی'''
وقتی که مقدار گاز داخل لوله تخلیه الکتریکی کاهش می‌یابد، فضای تاریک کاتد ، بیشتر و ستون مثبت کوتاهتر و روشنایی آن کمتر می‌شود. با کاهش بیشتر فشار تابانی باز هم ضعیفتر می‌شود و شیشه لوله در مجاورت کاتد شروع به تابانی مختصری می‌کند. وقتی که فشار تا 001/0میلیمتر جیوه افت کند، تابانی گاز عملا متوقف می‌شود، درحالی که تمام سطح شیشه لوله، نور درخشانی (معمولا سبز) گسیل می‌دارد.
اگر هوا باز هم با پمپ تخلیه بیشتر خارج شود، تابانی شیشه سبز ضعیفتر می‌شود. با شروع فشار از 0.00001 تا 0.0001 میلیمتر جیوه این تابانی بکلی محو می‌شود و تخلیه خاتمه می‌پذیرد.
'''تابانی سبز شیشه را چگو نه می‌توان توضیح داد؟'''
اگر به آند لوله تخلیه گاز ، شکل معینی داده شود، تصویر سایه آند بر شیشه ظاهر می‌شود، به ترتیبی که گویی کاتد ، چشمه نور کوچکی است. در نتیجه ، تابانی شیشه ، به دلیل تولید نور از پرتوهای گسیل شده از کاتد است. آنها از صفحه فلزی آند نمی‌گذرند و تصویر سایه آن بر شیشه تشکیل می‌شود. این پرتوها ، پرتوهای کاتدی نامیده شده‌اند.
'''ظهور و آشکار سازی پرتوهای کاتدی'''
پرتوهای کاتدی ، نه فقط شیشه بلکه اجسام دیگر را نیز به تابانی وا می‌دارند. اجسام مختلف نوری، رنگ‌های مختلف گسیل می‌دارند، مثلا گچ ، تابانی قرمز رنگ و سولفید روی ، نور سبز روشن ایجاد می‌کنند و نظایر آن. این تابانی را ، مثلا با قرار دادن تکه‌هایی از اجسام معدنی مختلف در بین کاتد و آند لامپ تخلیه گازی ، می‌توان مشاهده کرد. بنابرین ، اگر چه پرتوهای کاتدی ، نامرئی‌اند، می‌توان از تابانی اجسامی که با آنها بمباران شده‌اند، وجودشان را به سهولت آشکار کرد.
با پوشش سطح اجسام با اجسامی که بر اثر پرتوهای کاتدی تابان می‌شوند، پرده های لیمان بدست می‌آید (لیمان Lumines Cent را از کلمه یونانی Lumen به معنی " نور " گرفته‌اند ) که برای مشاهده پرتوهای کاتدی ، مناسب هستند. در چنین صفحه ای ، در امتداد لوله در زاویه کوچکی نسبت به محور آن ، می‌توان امتداد پرتوهای کاتدی را در لوله به آسانی ردیابی کرد. برای سهولت مشاهده ، دریچهای با شکاف دراز ، جلوی پرده قرار می‌دهند. این دریچه ، بخشی از باریکه کاتدی را قطع می‌کند و رد روشن باریکی بر پرده لیمان باقی می‌گذارد.
'''مفاهیم پایه لامپ پرتوی کاتدی'''
این وسیله از نظر ظاهر و ساختمان شبیه لامپی است که برای بررسی اثر میدانهای الکتریکی و آهنربایی پرتوهای کاتدی به کار می‌رود. تفاوت اساسی در این است که قبلا کاتد سرد بود و به علت بمباران با یونها ، الکترون گسیل می‌کرد. حالا چشم الکترون تفنگ الکترونی است که در قسمت باریک لامپ قرار دارد.
'''تفنگ الکترونی'''
تفنگ الکترونی عبارت است از کاتد التهابی (رشته) که الکترون گسیل می‌کند و آند که به شکل قرصی با سوراخ کوچک با قطری برابر با 1 تا 3mm ساخته می‌شود. اختلاف پتانسیلی از چند صد تا چند هزار ولت بین کاتد و آند برقرار می‌شود که در فضای بین آنها میدان الکتریکی شدیدی تشکیل می‌شود.
این میدان به الکترودهایی که از کاتد گسیل می‌شوند تا سرعتهای بسیار بالایی شتاب می‌دهند.
کاتد داخل استوانه فلزی است که به آن ولتاژ مثبتی (نسبت به کاتد) اعمال می‌شود که اندکی از ولتاژ آند کمتر است. عمل مشترک این استوانه و آند باعث می‌شوند که تقریبا تمام الکترونها در سوراخ آند جمع (کانونش پرتوهای کاتدی) و از آن به شکل نوار باریکی ، یعنی باریکه الکترونی ، خارج شوند. در محلی که این باریکه به پرده می‌خورد (ته لامپ که با ماده لیان پوشیده شده است)، نقطه تابان روشنی ظاهر می‌شود.
'''طرز کار لامپ پرتوی کاتدی'''
باریکه الکترونی خارج شونده از تفنگ الکترونی ، در مسیرش به طرف پرده ، از بین دو جفت صفحه‌های فلزی موازی می‌گذرند. اگر به جفت صفحه‌های اول ، ولتاژی اعمال شود، میدان یکنواختی ایجاد می‌شود و الکترونهایی را که از آن می‌گذرند به طرف صفحه‌ای مثبت منحرف می‌کند و لکه روشن روی پرده در امتداد افقی به طرف چپ یا راست منحرف خواهد شد. به همین ترتیب ، اگر ولتاژی به جفت صفحات دوم اعمال شود تا باریکه به طرف صفحه مثبت منحرف می‌گردد و لکه روشن روی پرده در امتداد قائم به طرف بالا یا پایین تغییر مکان می‌دهند.
سپس از روی جا بجایی لکه روشن روی پرده می‌توان در مورد ولتاژ اعمال شده بر صفحات منحرف کننده ، نظر داد. در اینجا چیز مهم و حائز اهمیت این است که به علت جرم اینرسی ناچیز الکترونها ، به هر تغییر ولتاژ روی صفحات خیلی سریع واکنش نشان می‌دهد. بنابراین لامپ پرتوی کاتدی را می‌توان برای ردیابی فرآیندهایی که در آنها تغییرات بسیار سریع ولتاژ و جریان روی می‌دهند بکار برد. مسائلی از این نوع در مهندسی رادیو که در آنجا جریانها و ولتاژها چندین میلیون بار در ثانیه تغییر می‌کنند بسیار حائز اهمیت است.
'''نوسان نگار پرتو کاتدی'''
با مجهز کردن لامپ پرتو کاتدی با وسایل مناسبی جهت بررسی فرآیندهایی شبیه تغییر سریع ولتاژ و جریان وسیله‌ای ساخته می‌شود که نوسان نگار پرتوی کاتدی نامیده می‌شود. این وسیله نه فقط در مهندسی رادیو بلکه در بعضی شاخه‌های دیگر علم و تکنو لوژی نیز ابزار پژوهشی مهمی است و کار پژوهش در آزمایشگاههای علمی و صنعتی بدون آن دشوار است.
'''کاربردهای لامپ پرتوی کاتدی'''
تلویزیون یکی از وسایلی است که مجهز به لامپ پرتوی کاتدی است. می‌توان گفت که لامپ پرتوی کاتدی مهمترین قسمت دستگاههای تلویزیونی است. در دستگاههای تلویزیونی ، لامپهایی که بجای کنترل الکتریکی ، باریکه الکترونی را بطور مغناطیسی کنترل می‌کنند، نیز بطور عمده‌ای بکار می‌روند.
'''تلویزیون'''
با اعمال ولتاژ مناسب به جفت صفحات ، باریکه الکترون تمام صفحه (پرده) را با دسته خطوطی موازی و با سرعتی بالا هاشور می‌زند (روبش خط 4). اگر روشنایی نقطه لیان ، که با انرژی جنبشی الکترونها معین می‌شود، همواره ثابت بماند، پرده بطور یکنواخت تابان دیده خواهد شد. ولی سیگنالهایی که توسط ایستگاه پخش تلویزیونی انتقال می‌یابند و توسط دستگاه تلویزیون دریافت می‌شوند بسته به روشنایی تصویری که منتقل می‌شود بطور دائم ولتاژ شتاب دهنده الکترونها را افزایش یا کاهش می‌دهند بنابراین ، نقاط روی پرده روشنایی متفاوتی دارند و تصویر انتقال یافته و برای دریافت چشم انسان باز سازی می‌شود. تفنگ الکترونی که برای بدست آوردن پرتوهای کاتدی در کینسکوپ (لامپ تصویر تلویزیون) بکار می‌رود از یک کاتد گرم و یک آند با سوراخ مرکزی که مقابل کاتد قرار دارد و باریکه الکترون را جدا می کند ساخته شده است.
== منابع ==
| 