Aprendendo a Usar o Osciloscópio de Raios Catódicos

Departamento de Física e Química – Curso de Física
Laboratório de Competências Experimentais II
Aprendendo a Usar o Osciloscópio de Raios Catódicos
Objetivos: Aprender a trabalhar com as funções básicas do osciloscópio de raios catódicos e entender os
fundamentos de seu funcionamento.
I - Introdução:
O osciloscópio de raios catódicos (ORC) é um aparelho que permite visualizar em sua tela gráficos de
diferença de potencial vs. tempo ou de relação entre duas ddp (informe-se das suas aplicações rotineiras, que são
muito amplas). Nesta prática exploraremos o primeiro caso, de uso mais geral, observando com o ORC a
dependência temporal de tensões elétricas e usando este aparelho na obtenção de parâmetros característicos
destas tensões, como freqüência e tensão de pico a pico.
Basicamente, este aparelho consiste em um tubo no interior do qual é emitido um feixe colimado de
elétrons (os raios catódicos) de forma a passar no interior de 2 pares de placas paralelas - um par de placas
horizontais e um par de placas verticais - e incidir numa tela fluorescente. A Fig. 1 mostra o esquema fundamental
do tubo de raios catódicos de um ORC.
Fig. 1: Esquema fundamental do tubo de raios catódicos de um ORC, contendo o filamento (F) que
aquece o catodo (C) emissor de elétrons, que são acelerados em direção ao primeiro anodo (A 1),
passando pela grade (G), e colimados pelo segundo anodo (A 2). Antes de atingir a tela fluorescente, o
feixe colimado de elétrons passa pelo par de placas paralelas horizontais (P1 e P2) e verticais (P3 e P4).
A figura luminosa formada na tela resulta do desvio provocado sobre o feixe de elétrons pelos campos elétricos
produzidos pelas placas. Quando se deseja examinar a forma da dependência temporal de uma tensão, aplica-se
esta tensão no par de placas horizontais, que criam um campo elétrico na direção vertical, fazendo com que o
feixe de elétrons sofra um desvio nesta mesma direção. No par de placas verticais, que produzem um campo
elétrico na horizontal, é aplicada uma tensão gerada por um circuito do próprio aparelho (circuito de base de
tempo) que faz com que o feixe de elétrons varra a tela horizontalmente, proporcionalmente ao tempo. Deste
modo, obtém-se na tela um gráfico de ddp vs. tempo e as medidas, nesta tela, dos desvios vertical e horizontal do
feixe de elétrons são relacionadas à ddp e ao tempo pelas respectivas escalas.
Enquanto o ORC permite observar detalhadamente o comportamento em função do tempo de uma
tensão elétrica, o mesmo não acontece com o voltímetro analógico. No caso de uma tensão que varia
senoidalmente com o tempo, este último é calibrado para fornecer a tensão eficaz (Vef, que é a raiz quadrada da
média temporal do quadrado da tensão), relacionada à tensão pico a pico (Vpp, diferença entre o máximo e o
mínimo da tensão), que pode ser lida diretamente no ORC, através de
Vef 
V pp
2 2
 0.35 V pp .
(1)
(OBS.: Vpp é o dobro do chamado valor de pico ou valor máximo da tensão, Vm)
II - Material:
01 Osciloscópio (ORC) de 2 canais
01 fonte de alimentação CA
01 Voltímetro CA
01 gerador de sinais
Cabos
III - Procedimentos:
1 - Seguindo a numeração dos controles do ORC da Fig. 2, ligue o aparelho com a tecla 3. Coloque o
seletor 30 (de escala de tempo) na posição “Ext-Hor”, o que desliga a varredura horizontal do feixe de elétrons, e
girando os diais 9 e 32 faça com que o feixe de elétrons incida no centro da tela. Experimente girar os diais 4, 6 e
8 e pense sobre a maneira adequada de trabalhar com os mesmos. Atenção: não trabalhe com intensidade
excessiva, para evitar danos permanentes na tela.
2 - Calibre as escalas horizontal e vertical usando, respectivamente, os diais 31 e 13. Feito isso,
podemos usar as escalas dos seletores 30 e 12. Este é um procedimento que deve ser adotado antes de se
efetuar quaisquer medidas quantitativas com o ORC.
3 - Verifique se a chave 26 está na posição “INT” e passe o seletor 30 para 0.5 s / divisão. Observe que
este seletor indica o tempo que o feixe de elétrons leva para varrer uma divisão na horizontal (Atenção: o termo
“divisão” sempre refere-se a um “quadrinho inteiro”; os “tracinhos” nas linhas centrais dos reticulados marcam
subdivisão correspondente a 0.2 divisão). Vá girando gradualmente o seletor no sentido dos menores tempos /
divisão (sentido horário) até observar uma linha contínua. Interprete esta linha.
Fig. 2: Painel frontal do ORC.
4 - Conecte o gerador de sinais ao canal 1 do ORC (conecte uma das saídas do gerador de sinais
ao plug 11 do ORC e a outra ao plug 15). Ligue o gerador de sinais, coloque o seu dial controlador
da amplitude do sinal no máximo e selecione uma tensão do tipo senoidal, com freqüência de 100
Hz. Ajuste os seletores de escalas 30 e 12 e gire os diais 9 e 32 do ORC até que se obtenha na tela
uma boa figura de uma senóide. Se a figura estiver trêmula ou movimentando-se, coloque a chave
45 na posição “INT” e gire o dial 21.
5 - Varra as freqüências no gerador de sinais no intervalo de 1 Hz a 100 kHz e explore modificações nos
seletores de escala 30 e 12. Observe as figuras na tela do ORC e entenda as suas modificações. Repita os
procedimentos selecionando, no gerador de sinais, tensões do tipo triangular e quadrado.
6 - No gerador de sinais volte para tensão do tipo senoidal e coloque uma freqüência, por exemplo, de
300 Hz. No ORC desligue o mecanismo que desvia o feixe na horizontal, colocando o seletor de escala de tempo
na posição “Ext-Hor” e abaixando a chave 26 para a posição “EXT”. Observe que o tamanho do traço vertical visto
na tela indica a tensão pico a pico fornecida pelo gerador de sinais, cujo valor em volts é obtido pela conversão de
escala apontada pelo seletor 12.
7 - Conecte também o voltímetro analógico na saída do gerador de sinais de forma a permitir leituras
simultâneas de tensão com este aparelho e com o ORC. Coloque o seletor de amplitude do gerador de sinais em
5 posições diferentes e faça leituras de tensão nos dois aparelhos, preenchendo a tabela abaixo. Para a leitura de
Vpp no ORC é conveniente selecionar uma escala vertical tal que o traço fique “grande” na tela e usar os diais 9 e
32 para deslocar o traço para uma posição sobre o reticulado cômoda para medida (mede-se o tamanho do traço
em unidades de “divisões”, usando-se a marcação do reticulado, e faz-se a conversão de acordo com a marca do
seletor 12). Não se esqueça que no voltímetro analógico lemos Vef e que a sua seleção de escala indica o “fundo
de escala”.
Tabela 1: Leituras de Vpp no ORC e de Vef no voltímetro analógico
Nº da medida
Vpp(V)
Vef(V)
1
2
3
4
5
8 - Faça o gráfico de Vef vs. Vpp e a regressão linear. Os resultados são compatíveis com a equação (1) ?
9 - Desconecte o voltímetro analógico, ajuste o gerador de sinais para que forneça uma tensão senoidal
de freqüência 100 Hz e retorne a chave 26 para a posição “INT”. Gire o seletor de escala de tempo até que a tela
comporte um único ciclo de senóide. Usando a marcação horizontal do reticulado meça o período (T) da senóide,
inicialmente em “divisões” e depois fazendo a conversão indicada pelo seletor de escala de tempo. Obtenha a
freqüência correspondente a este período (f = 1/T) e compare o seu valor com o ajustado no gerador de sinais.
Discuta.
10 - Troque o gerador de sinais pela fonte de alimentação CA e execute procedimentos análogos
aos do ítem acima para obter, com o ORC, a freqüência de sua tensão, que é a mesma da rede
elétrica. Compare o resultado com o valor esperado (60 Hz).