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Experimento 6
El osciloscopio y las señales alternas
Objetivos
1. Describir los aspectos básicos del tubo de rayos catódicos 2. Explicar y describir las modificaciones que sufre un tubo de rayos catódicos para convertirse en un osciloscopio 3. Explicar cómo el osciloscopio mide variaciones de voltaje en función del tiempo 4. Usar el osciloscopio virtual de “DataStudio” para medir períodos,frecuencias y amplitudes de diversas señales alternas

Información preliminar
El osciloscopio es uno de los instrumentos de laboratorio más versátiles. Su uso se ha generalizado más allá de la física, ingeniería y electrónica, incluyendo prácticamente todas las ciencias experimentales, como la biología, medicina y salud. Su característica principal es el permitir visualizar en su pantalla señalesde voltaje en función del tiempo. Estas señales pueden provenir de equipos eléctricos, sistemas nerviosos o latidos cardíacos. Debido a su creciente uso e importancia, vamos a dedicar este experimento a conocer, entender y familiarizarnos con el uso de un osciloscopio virtual que funciona en forma idéntica a los osciloscopios reales. Cabe señalar que cada día es más común el uso de instrumentosvirtuales de todas clases, en la industria, los laboratorios y la enseñanza.

Teoría
El componente básico del osciloscopio es el llamado tubo de rayos catódicos, “CRT”, por sus iniciales en inglés (“cathode-ray tube”). Ver la figura 1. En su lado izquierdo tiene un

Figura 1. El tubo de rayos catódicos

cañon de electrones que consiste en un filamento incandescente que produce electrones portermoemisión, los que son acelerados hacia la derecha por un sistema de alto voltaje, de unos 25 kV, no mostrado en la figura. El haz de electrones emitidos por el cañón es enfocado mediante un sistema magnético. Luego pasa entre dos placas verticales y otras dos horizontales. En las primeras podemos producir un campo eléctrico que desvía al haz horizontalmente, mientras que si lo producimos enlas segundas lo hace verticalmente. Por último, el haz incide sobre una pantalla fosforescente en donde se destaca como un punto luminoso. La explicación de cómo las placas desvian al haz es simple si recordamos que los electrones son partículas cargadas negativamente. Si conectáramos una batería a las placas verticales con su terminal positivo en la placa a la derecha del haz, este se desviaríahacia esa placa. Si en ese momento miráramos la pantalla de frente veríamos el punto luminoso desviado hacia la izquierda. Del mismo modo, si conectáramos el positivo de la batería a la placa superior de las dos horizontales, veríamos al punto moverse hacia arriba en la pantalla. Para facilitar las mediciones, la pantalla tiene un cuadriculado. Cada cuadro representa una división. Las divisioneshorizontales sirven para medir voltajes, mientras que las horizontales, períodos de tiempo. Cada división corresponde a una cantidad fija de voltaje, o tiempo, que depende de la selección de las escalas al medir, según veremos posteriormente. Por lo general, hay diez divisiones verticales y ocho horizontales. Estas divisiones están a su vez subdivididas en 5 intervalos, por lo que corresponden a 2décimas de división cada una. La conversión de un tubo de rayos catódicos en un osciloscopio requiere que en sus placas verticales apliquemos una señal alterna llamada diente de sierra, cuya función es proveer un barrido a la señal de voltaje que apliquemos en las placas horizontales. Si no conectamos ninguna señal de voltaje al osciloscopio en sus placas horizontales, veríamos un punto luminoso enla pantalla, moviéndose horizontalmente, de izquierda a derecha empleando un tiempo fijo, igual al período de la señal de barrido, para atravesarla desde un extremo hasta el otro. El período de la señal de barrido se selecciona con un botón llamado control de base de tiempo, que aparece al frente del osciloscopio. Mientras más pequeño sea el período seleccionado con el control de base de tiempo,...