Tube cathodique

Le tube cathodique était une curiosité scientifique découverte à la fin du 19e siècle et un pilier de la technologie d’affichage à la fin du 20e. Nous savons maintenant que les mystérieux « rayons cathodiques » sont en fait des électrons — et nous pouvons utiliser des aimants pour plier leur chemin.

Appareil

Cette expérience nécessite évidemment un tube cathodique rempli de gaz qui brille lorsque les électrons le frappent. Le tube cathodique idéal est entouré de bobines de Helmholtz pour permettre l’application d’un champ magnétique variable. En l’absence de bobines de Helmholtz, un aimant néodyme puissant devrait suffire pour plier le faisceau d’électrons.

En plus d’un tube cathodique, vous aurez probablement besoin d’une caméra sensible pour montrer à votre public les résultats de cette expérience. Les faisceaux d’électrons sont trop faibles pour tout sauf un très petit public pour voir directement, et sont également un défi pour les équipements vidéo! Un appareil photo avec un mode nuit, ou un contrôle manuel du gain (ou ISO) et de la vitesse d’obturation sera probablement nécessaire.

Si vous n’avez pas de tube cathodique, un vieux téléviseur à tube cathodique ou un écran d’ordinateur et un aimant puissant fourniront une version plus qualitative de cette démo.

Les démonstrations

Tube cathodique

1. Éteignez les lumières et allumez l’appareil photo si vous en utilisez un.
2. Augmentez l’énergie du faisceau d’électrons jusqu’à ce que le gaz à l’intérieur du globe brille clairement.
3. Si votre tube cathodique n’a pas de bobines de Helmholtz, agitez simplement l’aimant en néodyme près du tube cathodique pour montrer la flexion du faisceau. Vous devrez peut-être le faire assez lentement si l’appareil photo est réglé sur une faible fréquence d’images pour augmenter sa sensibilité à la faible luminosité.
4. Si votre tube cathodique a des bobines de Helmholtz, augmentez le courant jusqu’à ce que le faisceau se plie.
5. Après avoir courbé le trajet du faisceau, augmentez encore l’énergie et montrez que la courbure diminue avec l’augmentation de l’énergie des électrons.
6. Appliquer un champ magnétique plus élevé pour démontrer que la courbure peut à nouveau être augmentée en augmentant l’intensité du champ magnétique.

TÉLÉVISEUR CRT / moniteur + aimant

1. Obtenez une image sur l’écran du téléviseur ou de l’ordinateur. S’il s’agit d’un écran d’ordinateur, le brancher simplement sur un ordinateur portable devrait fonctionner. Pour un téléviseur, de nombreux caméscopes et appareils photo numériques auront une connexion S-vidéo, composante ou composite; les caméscopes plus anciens peuvent les avoir directement, mais les caméscopes ou appareils photo numériques plus récents peuvent avoir un câble sur mesure qui se branche sur une prise mini-USB ou similaire sur l’appareil photo et alimente plusieurs types de connecteurs pour insertion dans le téléviseur. Une image ou une vidéo relativement calme et lumineuse rend l’effet que nous sommes sur le point d’observer plus facile à distinguer.
2. Placez l’aimant puissant près de l’écran du téléviseur. L’image se déformera et de larges traînées de couleurs apparaîtront.
3. Si la distorsion et les couleurs restent après avoir retiré l’aimant du téléviseur, l’éteindre et le rallumer devrait forcer le téléviseur à « démagnétiser », ce qui résoudra le problème — ceci est signifié par le clunk distinctif qui accompagne souvent la mise en marche d’un tube cathodique. Parfois, souvent après des cycles répétés, le téléviseur ne démagnétise pas. Dans ce cas, éteignez-le, laissez-le pendant une courte période et rallumez-le.

Comment cela fonctionne

La clé ici est que les champs magnétiques plieront le trajet d’une particule chargée en mouvement , et nous pouvons utiliser cet effet pour contrôler un faisceau. Crucialement pour l’accélération! recette, vous avez besoin d’un champ magnétique plus grand pour plier une particule se déplaçant plus rapidement.

Dans le tube cathodique, les électrons sont éjectés de la cathode et accélérés par une tension, gagnant environ 600 km/s pour chaque volt qu’ils traversent. Certains de ces électrons se déplaçant rapidement s’écrasent dans le gaz à l’intérieur du tube, le faisant briller, ce qui nous permet de voir le trajet du faisceau. Les bobines de Helmholtz peuvent alors être utilisées pour appliquer un champ magnétique quantifiable en faisant passer un courant connu à travers elles.

Une représentation schématique d’un téléviseur à tube cathodique en coupe transversale.
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Un champ magnétique fera agir une force sur les électrons qui est perpendiculaire à la fois à leur direction de déplacement et au champ magnétique. Cela amène une particule chargée dans un champ magnétique à suivre un chemin circulaire. Plus le mouvement de la particule est rapide, plus le cercle tracé pour un champ donné est grand ou, inversement, plus le champ nécessaire pour un rayon de courbure donné du faisceau est grand. Faire ce point quantitatif est impossible sans contrôle à la fois de l’énergie des particules et du champ magnétique, donc cela devra être indiqué si votre démo n’a pas les deux.

Dans le cas du téléviseur à tube cathodique, les trajets des électrons sont déformés par le fait que l’aimant est amené près de l’écran. L’image à l’écran dépend des électrons frappant précisément les luminophores à l’arrière de l’écran, qui émettent différentes couleurs de lumière lorsqu’ils sont touchés. Les électrons sont ainsi contraints d’atterrir au mauvais endroit, provoquant la distorsion de l’image et des couleurs psychédéliques.