Беседа четвертая ПРОГУЛКА ПО ПОЛЯМ
Беседа четвертая
ПРОГУЛКА ПО ПОЛЯМ
В последней беседе наши юные друзья рассмотрели электростатическую электронно-лучевую трубку, управляемую электрическими полями. Однако в телевидении наиболее употребительны трубки с управлением электромагнитными полями. Они явятся предметом обсуждения настоящей беседы. Читатель должен очень внимательно следить за объяснениями, относящимися к действию магнитного поля на электроны, потому что объяснения связаны с пространством в трех измерениях, тогда как иллюстрации, увы, ограничены двумя измерениями плоскости бумаги. Таким образом, он изучит: магнитное поле электрона; конфигурацию электрических и магнитных полей; взаимодействие магнитных полей; отклоняющие катушки; магнитную фокусировку; сравнение трубок с электростатическим и электромагнитным управлением; чувствительность отклонения; максимальный угол отклонения.
100 ВОПРОСОВ НЕЗНАЙКИНА
Незнайкин. — Из-за этого проклятого телевидения у меня бессонница! Сотни вопросов теснятся в голове, так что она чуть не треснет. Я поторопился опять с тобой встретиться, чтобы спросить, какова форма напряжений, прикладываемых к вертикально и горизонтально отклоняющим электродам? Как они образуются? Какова их амплитуда? Каким образом они синхронизируются? Почему…
Любознайкин. — Ради бога, остановись! Я постараюсь удовлетворить твою жажду знаний, но нужно идти по порядку.
В последний раз мы рассмотрели трубку с электростатической фокусировкой и отклонением. В настоящее время она в основном применяется в измерительных приборах, известных под названием электронных осциллоскопов (осциллографов). В телевидении же она если и применяется, то только для получения небольших изображений. А как только диаметр экрана достигает или превышает двадцать сантиметров, отдают предпочтение трубкам, в которых электроны управляются магнитными полями.
Н. — Я задаю себе вопрос: каким образом? Электрон имеет некоторый отрицательный электрический заряд, и, исходя из этого, тела, заряженные положительно (такие, как анод), притягивают его, а заряженные отрицательно — отталкивают. Но какое действие может оказать магнитное поле на движущийся электрон?
ОТ ОДНОГО ПОЛЯ К ДРУГОМУ
Л. — Если бы можно было сделать электрон неподвижным, он был бы похож на то, что ты себе представляешь: носитель электрического отрицательного заряда и больше ничего. Но как только электрон оказывается в движении, он порождает магнитное поле.
Н. — Ты никогда об этом не говорил. В свое время ты объяснил, что электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле, образованное из замкнутых круговых линий, центром которых является проводник.
Л. — Бедняга, бессонницы решительно тебе не помогают. Потому что, в конце концов, что такое электрический ток, как не поток электронов?!
Н. — Правильно, диод меня возьми! Ты, конечно, прав, не проводник, а электроны, в нем циркулирующие, порождают магнитное поле. В общем можно сказать: где есть электричество в движении, там есть и магнетизм.
Л. — Разве не то же происходит в случае радиоволн, которые представляют собой замкнутые пучки магнитных линий, окруженные электрическими полями, и которые распространяются с волшебной скоростью света…
Н. — Следовательно, когда электрон совершает «сальто», ведущее его от катода через отверстия управляющего электрода и анодов по направлению к люминесцирующему экрану, его также сопровождает замкнутое магнитное поле, центром которого он является?
Л. — Безусловно. И обрати внимание, что линии электрического поля идут радиально от электрона во всех направлениях и благодаря этому перпендикулярны линиям своего магнитного поля (рис. 18). Я сообщу тебе очень полезный секрет: во всех случаях линии электрического и магнитного полей, возникших благодаря одной и той же причине, взаимно пересекаются во всех точках под прямыми углами.
Рис. 18. Поля, создаваемые движущимся электроном.
а — магнитное поле электрона, перемещающегося сверху вниз; б — электрическое (сплошными стрелками) и магнитное (пунктиром) поля электрона, перемещающегося в направлении глаза читателя перпендикулярно к плоскости рисунка.
ИНТИМНАЯ ЖИЗНЬ МАГНИТНЫХ ЛИНИЙ
Н. — А как ведут себя в присутствии друг друга два магнитных поля, порождаемых различными причинами?
Л. — Ты это прекрасно знаешь, Незнайкин. Когда ты приближаешь два магнита один к другому…
Н. — …они притягиваются, когда это противоположные полюсы. Но если сближают оба северных или же оба южных полюса, то магниты отталкиваются (рис. 19). Дело происходит так же, как в электрических зарядах.
Рис. 19. Взаимодействие двух магнитов.
а — притягивание разноименных полюсов магнитов; б — отталкивание одноименных полюсов.
Л. — Отсюда можно сделать вывод, что параллельные магнитные линии одинакового направления отталкиваются, а противоположного — притягиваются.
Н. — И у тебя хватает нахальства говорить о «параллельных» линиях, когда речь идет о кривых!
Л. — Не будь таким прямолинейным, Незнайкин. Ведь ты прекрасно понял, что я хотел сказать.
Н. — Да, да, я отлично понял. Твои магнитные линии, как два человеческих существа: чем меньше они видятся, тем лучше. Но как только они попытаются вместе пройти по дороге, так начинают ссориться…
МАГНИТНЫЙ ТЕАТР
Л. — Раз это для тебя так ясно, тебе будет легко понять способ магнитного отклонения электронного пучка.
Н. — Я думаю, что достаточно взять магнит в виде подковы и поместить между его полюсами электронно-лучевую трубку, чтобы электроны попали в его магнитное поле.
Л. — Поздравляю. А в каком направлении электроны будут отклоняться под действием магнитного поля?
Н. — Ну, конечно, они будут притягиваться одним из его полюсов и отталкиваться другим.
Л. — Какое невежество!!! Как ты мог сказать такую несусветную чепуху?.. Вот опасность непродуманных аналогий! Однако ты должен был бы задуматься после того, как я объяснил, что электрическое и магнитное поля во всех точках перпендикулярны друг другу.
Н. — Не станешь же ты утверждать, что электрон будет отклоняться в направлении, перпендикулярном магнитным линиям?
Л. — Я просто хочу, чтобы ты потрудился логически рассуждать. Чтобы представить все нагляднее, я рисую трубку не совсем обычным образом: я делаю разрез ее колбы на уровне магнита (рис. 20). Глаз помещен со стороны люминесцирующего экрана, так что взгляд направлен вдоль оси трубки на катод. Маленькая черная точка в центре трубки — это электрон, который, направляясь из глубины, устремляется к нам.
Рис. 20. Принцип магнитного отклонения.
1 — электронно-лучевая трубка; 2 — магнит.
Н. — Теперь, когда декорации размещены, а главный персонаж на месте, действие может, начинаться.
Л. — Мы присутствуем, таким образом, при конфликте двух сил, представленных, с одной стороны, полем магнита (параллельные силовые линии), а с другой — полем движущегося электрона. Оно состоит из замкнутых круговых линий. Каково же будет взаимодействие этих полей?
Н. — Справа и слева окружность пересекают под более или менее прямым углом параллельные линии поля, созданного магнитом. Следовательно, там взаимодействие отсутствует. Но внизу и наверху будет явное проявление симпатий и антипатий. Вверху направление линий обоих полей противоположно; следовательно, они будут притягиваться. Внизу, наоборот, линии идут в том же направлении. Значит, они будут отталкиваться.
Л. — И какой же результат этих сентиментальных конфликтов?
Н. — Притягиваемый сверху и отталкиваемый снизу электрон, следовательно, будет отклоняться кверху.
Л. — Совершенно верно. А если бы мы поменяли местами полюсы магнита…
Н. — Электрон тогда отклонился бы книзу… Конечно, я признаю, это несколько озадачивает, что горизонтальное поле вызывает вертикальное отклонение электронного потока.
СОЗДАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Л. — Ты легко догадаешься, Незнайкин, что для получения непрерывного движения пятна нужно соответственно наменять как значение, так и направление магнитного поля. И мы этого добьемся без того, чтобы жонглировать постоянными магнитами, хотя бы и в виде подковы, приносящей счастье.
Н. — Я полагаю, что применяют электромагниты, т. е. катушки, через которые проходит ток соответствующей формы и направления, чтобы создать желаемое магнитное поле.
Л. — Это именно так. И, так же как при электростатическом отклонении используют две пары пластин, чтобы получить необходимое перемещение электронного пучка под действием магнитных полей, предусматривают…
Н. — …две пары электромагнитов: первую пару, ось которой расположена вертикально и которая благодаря этому будет отклонять электроны в горизонтальном направлении (развертка строк), и вторую пару с осью, расположенной горизонтально, чтобы отклонять электроны в вертикальном направлении (переход от одной строки к другой и от одного кадра к следующему).
Л. — Именно так, Незнайкин. Четыре катушки помещены обычно в той части колбы, где цилиндр соединяется с конусом (рис. 21).
Рис. 21. Расположение горизонтально и вертикально отклоняющих электромагнитов.
1 — горизонтальное отклонение; 2 — вертикальное отклонение.
Н. — Они с магнитным сердечником?
Л. — Используются катушки как без сердечника, так и с сердечником из мягкой листовой стали. В первом случае они наматываются на оправку прямоугольной формы, а затем изгибаются, чтобы как можно плотнее прилегать к стеклу колбы (рис. 22).
Рис. 22. Горизонтально отклоняющие катушки без сердечника.
Н. — А зачем это нужно?
Л. — Для лучшей концентрации магнитного потока на пути электронов. При катушках же с магнитным сердечником это удается благодаря тому, что пластинам сердечника придают такую форму, чтобы полюсы как можно ближе прилегали к стеклу колбы (рис. 23).
Рис. 23. Отклоняющие катушки с магнитным сердечником.
У НЕЗНАЙКИНА ВОЗНИКАЕТ ИДЕЯ
Н. — Может быть, это глупо, но я задаю себе вопрос: раз уже движущиеся электроны имеют магнитное поле, не смогли бы ли мы фокусировать их не при помощи того, что ты называешь «электронной линзой», а также магнитным полем?
Л. — Нет, это не глупо. Это как раз то, что часто делали, особенно в трубках старых типов. Так же как магнитное отклонение позволяет упрощать внутреннее устройство трубки, избавляя нас от двух пар отклоняющих пластин, при магнитной фокусировке достаточно одного анода и система электродов вновь обретает первоначальную простоту триода.
Н. — Стоит только пойти по этому пути устранения электродов, ставших излишними, и пустотная трубка вполне оправдает свое название… Но вернемся к моей идее. Как можно осуществить магнитную линзу?
Л. — Нужно создать поле, линии которого шли бы по оси трубки. Для этой цели нужно расположить катушку электромагнита вокруг горла трубки (рис. 24).
Рис. 24. Катушка для магнитной фокусировки.
Н. — И я полагаю, что фокусировку регулируют, изменяя величину тока в обмотке.
Л. — Именно так. Впрочем, так как поле должно быть постоянным, можно заменить электромагнит постоянным магнитом в форме цилиндра, окружающего горловину трубки в том месте, где электроны выходят из анода, и полюсы которого направлены вдоль оси трубки.
ПЛЯСКА ЭЛЕКТРОНОВ
Н. — Я инстинктивно понимаю, что в однородном магнитном поле, направленном вдоль оси трубки, электроны вынуждены концентрироваться в пучок на самой оси. Потому что каждый электрон, который отклоняется от этой оси, должен быть, я думаю, сейчас же возвращен на прямой путь электронной добродетели.
Л. — Твой инстинкт тебя не обманывает. Однако в действительности происходящие явления гораздо сложнее. Представь себе, что электрон, находящийся в однородном магнитном поле, отклоняется от оси, направляясь книзу (рис. 25).
Рис. 25. Движение электрона в магнитном фокусирующем поле.
Лучше всего, если ты вырежешь из бумаги маленький диск, центром которого будет электрон, а край будет изображать соответствующее ему магнитное поле. Если электрон будет двигаться наклонно книзу, то и диск наклонится. Его верхний и нижний края всегда перпендикулярны линиям поля, но его правый и левый края не образуют больше прямого угла с этими линиями. Следовательно, с одной стороны возникнет притяжение, а с другой — отталкивание. В результате…
Н. — …электрон будет перемещен вбок. Это великолепно! В магнитном ноле все происходит совершенно неожиданным образом. Ну, а если электрон уходит теперь влево…
Л. — …те же рассуждения покажут, что он будет перемещаться вверх.
Н. — И, следовательно, поле будет перемещать его вправо, и т. д. Таким образом, он опишет в конце концов окружность вокруг оси. Какое странное движение! И оно никогда не кончается?
Л. — Конечно! Так как радиус окружности непрерывно уменьшается вплоть до момента, когда электрон попадет на ось и послушно будет двигаться вдоль нее. Это значит, что траектория, приводящая электрон па ось, имеет форму спирали или штопора.
И. — Магнитная фокусировка напоминает мне пляску скальпов.
Л. — Почему же?
Н. — Потому что индейцы, привязав свои жертвы к столбу, описывают вокруг них все уменьшающиеся круги вплоть до момента, когда…
Л. — …вмешательство провидения спасает в решающий момент скальп бесстрашного исследователя. Я ведь тоже читал Фенимора Купера и Майн Рида…
ВОПРОСЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Н. — Теперь, когда ты мне показал анатомию и физиологию электронно-лучевых трубок, я попытаюсь взвесить сравнительные достоинства электростатических и электромагнитных систем. Я понимаю, что трубки с электромагнитными отклонением и фокусировкой проще в изготовлении. Но зато, мне кажется, лучше иметь дело с напряжением, создающим электрическое поле, чем заставлять ток проходить через обмотки электромагнита, что требует некоторой мощности и, следовательно, расхода энергии.
Л. — На первый взгляд ты прав. На самом же деле твои доводы справедливы только в случае трубок небольшого диаметра, самое большее до 20 см. Потому что ты не учитываешь фактора чувствительности.
Н. — Я не понимаю, причем здесь чувства…
Л. — Нет, речь идет здесь о чувствительности отклонения — величине, которая для данной трубки показывает, на сколько миллиметров переместится пятно по экрану, когда напряжение на отклоняющих пластинах изменится на 1 в или когда отклоняющее магнитное поле изменится на 1 гс (гаусс — единица магнитной индукции).
Н. — Таким образом, если я правильно понял, чем чувствительнее трубка, том меньше необходимое напряжение (или мощность в случае магнитных полей) для получения данного перемещения пятна. А от чего же все-таки зависит чувствительность трубки с электростатическим отклонением?
Л. — В такой трубке пятно отклоняется тем больше, чем дольше электроны подвергаются действию отклоняющего поля. Следовательно, чем длиннее отклоняющие пластины, тем выше чувствительность. Точно так же, чем ближе расположены пластины одна к другой, тем больше чувствительность, так как поле интенсивнее.
Н. — Значит, можно делать трубки с очень высокой чувствительностью, используя очень длинные пластины и сокращая до минимума расстояние между ними?
Л. — Ты скоро упрешься в тупик на этом пути, ибо при малейшем отклонении электронный пучок попадет на пластины. Для полноты картины следует добавить, что отклонение уменьшается по мере увеличения скорости электронов.
Н. — Это понятно. Чем быстрее летит снаряд, тем меньше отклоняется он от своей траектории из-за земного притяжения.
Л. — И вот, так как скорость электронов зависит от напряжения на последнем аноде, при увеличении напряжения на нем отклонение уменьшается в таком же соотношении. Это очень важно.
Н. — Я четко вижу формулу, показывающую, что чувствительность S прямо пропорциональна длине пластин l и обратно пропорциональна расстоянию d между ними и анодному напряжению Ua.
Л. — Чудесно! В этой формуле не хватает только расстояния L между отклоняющими пластинами и экраном. Ведь понятно, что чувствительность увеличивается с увеличением этого расстояния, потому что для одного и того же угла отклонения перемещение пятна тем больше, чем дальше расположен экран.
Н. — Ну, это совершенно очевидно. А вот для магнитного отклонения?
Л. — Дело происходит приблизительно таким же образом. Чувствительность и здесь пропорциональна длине l отклоняющего поля, через которое проходят электроны, и расстоянию L между катушками и экраном. Чувствительность уменьшается, когда анодное напряжение Ua увеличивается, но не в том же отношении, что при электростатическом отклонении. В этом случае чувствительность обратно пропорциональна квадратному корню из величины анодного напряжения.
Н. — Иначе говоря, если напряжение увеличивается в 4 раза, то чувствительность уменьшается только в 2 раза?
Л. — Если так пойдет дальше, ты утрешь нос Лейбницу, Ньютону и Эйлеру, вместе взятым…
Н. — Однако все это мне не разъясняет, каким образом вопросы чувствительности заставляют в больших трубках отдать предпочтение способу электромагнитного отклонения.
Л. — Возьмем конкретный пример. Допустим, что у нас трубка с электростатическим отклонением с экраном диаметром 160 мм и общей длиной 55 см. Напряжение, приложенное ко второму аноду, составляет 2 500 в, а чувствительность равна 0,3 мм на вольт. Чтобы заставить пятно отклониться на весь диаметр экрана, нужно, следовательно, изменить напряжение отклоняющих пластин на 160:0,3=533 в. Пусть по мановению волшебной палочки все размеры окажутся увеличенными вдвое. У нас появится трубка, имеющая экран диаметром 320 мм, что очень недурно, и длину 110 см…
Н. — …что уже гораздо хуже.
Л. — Оставим пока в стороне вопрос о размерах. А других неудобств ты не видишь?
Н. — Честное слово, нет. Ведь чувствительность-то увеличится в таком же соотношении. В самом деле, длина пластин увеличится вдвое, что хорошо, а расстояние между ними также увеличится вдвое, что уже плохо. Матч с ничейным результатом. Но из-за того, что расстояние пластин от экрана увеличится вдвое, чувствительность в конечном результате также увеличится в 2 раза. Следовательно, при тех же 533 в мы заставим пятно переместиться по экрану, диаметр которого увеличился вдвое. Видишь, ничего не изменилось.
Л. — Да нет же, Незнайкин, изменилось. Ты просто-напросто забыл, что, удваивая диаметр экрана, мы увеличиваем в 4 раза его поверхность. И яркость его, следовательно, будет в 4 раза слабее, потому что мы его бомбардируем при помощи той же электронной пушки, скорость же электронов не увеличилась. Световой поток, полученный таким способом, будет недостаточен, когда распределится по увеличенному экрану.
Н. — Что же делать?
Л. — Нужно увеличить в 4 раза и анодное напряжение. Бри напряжении 10 000 в мы опять получим такое же количество света на квадратный сантиметр поверхности экрана.
Н. — Но если ты увеличишь в 4 раза напряжение на последнем аноде, то чувствительность уменьшится также в 4 раза!
Л. — В этом-то вся трагедия. Значит, нам нужно будет для осуществления развертки на весь экран подать громадное напряжение — в 2132 в!
Н. — А, может быть, дело пошло бы лучше при электромагнитном отклонении?
Л. — Несомненно, так как и в этом случае нужно было бы увеличить анодное напряжение в 4 раза для поддержания той же яркости изображения. Но при этом чувствительность уменьшится только в 2 раза, как мы уже говорили. Следовательно, увеличение необходимой для отклонения мощности будет лежать в разумных границах.
Н. — Итак, да здравствует магнитное поле! Но все же это не решает вопроса габаритов.
Л. — Нет, решает. Ведь в электростатических трубках отклонение пучка ограничено углом примерно 20° по отношению к оси, что приводит к длинным трубкам. В случае же магнитного отклонения можно превысить этот угол почти в 3 раза (рис. 26), что дает возможность применять значительно более короткие трубки.
Н. — Вот я и готов вступить в ОЗРТЭО.
Л. — Что это за научное общество?
Н. — Это Объединение За Распространение Трубок с Электромагнитным Отклонением…
