OSCILLOGRAFO

OSCILLOGRAFO

. Apparecchio inteso a render visibile la curva d'oscillazione delle correnti alternate, e in generale a studiare le variazioni rapide di corrente.

Vi sono: a) oscillografi meccanici; b) oscillografi a raggi catodici.

Gli oscillografi meccanici furono i primi a essere costruiti. Essi sono costituiti essenzialmente da un galvanometro e da uno specchio rotante. L'equipaggio mobile del galvanometro è leggierissimo: cappio o filo o nastri tesi, percorsi dalle correnti da studiare, e situati in un campo magnetico costante. Le torsioni o vibrazioni dell'equipaggio mobile sono amplificate dallo specchietto, e si traducono in una striscia luminosa, la quale, decomposta per mezzo di un sistema di specchi rotanti, fornisce l'oscillogramma che si può osservare o fotografare. Gli oscillografi meccanici sono divenuti ormai strumenti industriali. Gli elettrotecnici non si contentano oggi di misurare i valori efficaci o massimi delle varie grandezze elettriche, ma cercano la migliore comprensione e utilizzazione della corrente attraverso la forma d'onda che ne rivela le eventuali distorsioni. Per questa via si possono anche illustrare e spiegare molti complessi fenomeni che si presentano nelle reti elettriche; ricordiamo a tale riguardo il vasto campo di applicazioni che offrono le correnti telegrafiche e telefoniche.

L'oscillografo a raggi catodici (v. braun, VII, p. 780; catodici raggi), è di uso più recente. Esso è costituito essenzialmente dal tubo di Braun che da tempo aveva dischiuso il campo dell'oscillografia alle altissime frequenze, grazie all'inerzia straordinariamente piccola del fascio di elettroni che servono a descrivere le curve. Esso è venuto poi a sostituire l'oscillografo meccanico nel suo proprio campo delle basse tensioni e delle basse e medie frequenze, grazie a varî perfezionamenti costruttivi recenti, fra cui il catodo a filo incandescente di Wehnelt. I grandi progressi che ha fatto negli ultimi anni sono dovuti soprattutto al suo uso nella televisione e nello studio delle alte e basse frequenze sviluppatosi a fianco della radiofonia.

L'apparecchio nella sua forma più semplice è rappresentato nella fig. 1, mentre la fig. 2 ne rappresenta lo schema: K è il catodo, A è l'anodo che fa da schermo e serve a delimitare il fascio di elettroni, i quali poi passano nei campi da studiare elettrico E e magnetico H, e sono deviati. La vibrazione del fascio si disegna sullo schermo S. La velocità degli elettroni raggiunge ¹/₅ della velocità della luce per una tensione anodica di 10.000 V. La velocità di registrazione della macchia luminosa può oltrepassare i 50.000 km. al secondo.

Fino all'introduzione del catodo caldo i raggi catodici venivano prodotti coi tubi a gas, analoghi a quelli già usati da Ph. A. Lenard e E. Goldstein per le loro classiche ricerche; ma per i tubi a gas erano necessarie alte tensioni anodiche e una pressione gassosa costante di circa 10^-2 mm. di Hg all'interno del tubo. Grazie al catodo a filamento incandescente, si è potuto lavorare con tubi saldati, a un grado di vuoto dato inizialmente, e con basse tensioni anodiche (fino a poche centinaia di V.).

È di grande importanza, soprattutto per quanto riguarda le ultime applicazioni tecniche, che il fascio sia quanto più è possibile sottile, in modo da fornire macchie luminose nette e puntiformi sullo schermo fluorescente. Sono stati perciò studiati molti dispositivi per la concentrazione del fascio, che vanno dai diaframmi forati successivi ai solenoidi elettromagnetici coassiali al tubo, i quali agiscono come una lente per compensare l'effetto dispersivo della mutua repulsione delle particelle. Molto interessanti si sono rivelati a questo riguardo i fenomeni di autoconcentrazione dei raggi in un'atmosfera gassosa a bassa pressione, che sembrano dovuti al campo elettrostatico diffuso, dello stesso segno, che i raggi catodici generano nel gas per ionizzazione.

Un dispositivo indicato da Wehnelt e che si adatta ai catodi a filo incandescente è quello di montare attorno al catodo puntiforme un manicotto metallico carico negativamente, che effettua la preconcentrazione dei raggi sfuggenti dalla nube elettronica del catodo. Questo metodo permette non solo di orientare e utilizzare tutta quanta l'energia del fascio, ma anche di modulare l'energia del fascio stesso. Varî dispositivi, griglie, elettrodi ausiliari ecc., permettono di contemperare l'intensità di modulazione con la finezza e direzione costante del fascio elettronico.

Gli oscillogrammi si ottengono per sviluppo della traiettoria della macchia luminosa secondo la componente del tempo. A ciò possono servire, per le basse frequeme, gli specchi rotanti azionati da motore sincrono; la fig. 3 rappresenta un oscillogramma ottenuto con questo sistema. Ma quando si tratti di alte frequenze, i mezzi meccanici vengono meno. Basti pensare che la registrazione di un'onda elettromagnetica di 100 metri, con una ampiezza di 10 cm., richiede una velocità di registrazione di migliaia di km. al sec. In casi simili lo sviluppo sull'asse del tempo non è possibile se non per mezzo della deviazione elettrica o magnetica.

Un metodo per tracciare le oscillazioni in coordinate polari è quello di creare un campo rotante con due campi di deviazione incrociati: esso si traduce sullo schermo con un circolo. Ora sul vettore rotante si possono produrre le variazioni periodiche da studiarsi: se queste sono multipli della frequenza del campo rotante, si hanno figure permanenti.

In genere, ogni qualvolta la frequenza del processo da studiarsi è uguale a un multiplo intero della frequenza del campo di deviazione, si hanno le cosiddette figure di Lissajous (v. lissajous), che si possono osservare o fotografare direttamente sullo schermo, e che è facile analizzare in varî modi.

Ma per la deviazione elettrica vi è anche un altro metodo assai adoperato, che consiste nel dare al campo di deviazione un valore crescente linearmente e poi ricadente bruscamente a zero a periodi regolari. Se questi periodi sono multipli interi dell'oscillazione da studiarsi, si hanno di nuovo figure permanenti (fig. 4). Campi di questo genere si hanno per es. attraverso la carica graduale e scarica brusca di un condensatore. Per assicurare le linearità e regolarità dei periodi sono stati messi a punto numerosi dispositivi.

Talvolta si elimina dall'oscillogramma la coordinata del tempo, affinché esso esprima soltanto la funzione che lega fra loro due grandezze variabili. Sullo schermo appare allora la curva caratteristica. Si possono così avere direttamente le caratteristiche delle valvole termoioniche, dell'isteresi magnetica (fig. 5), ecc.

L'uso dell'oscillografo catodico si è enormemente diffuso nella pratica. Indicheremo brevemente gli usi più importanti.

1. Esplorazione di un eampo magnetico, sia indirettamente per mezzo di un piccolo solenoide, sia direttamente, quando tale campo è molto esteso. Di qui è derivata l'utilizzazione dell'oscillografo come bussola per aeroplani.

L'oscillografo ha il vantaggio di indicare separatamente la componente orizzontale e la verticale del campo magnetico terrestre, cosicché può anche servire come inclinometro.

2. Studio degli elementi di un circuito oscillante (capacità, autoinduzione ecc.), nelle condizioni più varie e con vantaggio anche nei casi in cui normalmente si utilizza un telefono.

3. Studio della modulazione degli apparati radio-trasmittenti, del comportamento dei microfoni, pick-up, amplificatori, raddrizzatori, altoparlanti, ecc.

W. Watt e H. T. Triis hanno anche indicato nel 1929 un'elegante applicazione diretta dell'oscillografo alla radiogoniometria: E. V. Appleton e M. A. F. Barnett l'hanno applicato nel 1925 alla determinazione dell'altezza dello strato di Heaviside.

4. Nella tecnica telegrafica si è rivelato di grande utilità il metodo di Röhrig per la determinazione oscillografica del luogo d'interruzione dei cavi.

5. Nello studio delle eorrenti industriali l'oscillografo meccanico e quello catodico si equivalgono praticamente: però quest'ultimo ha il vantaggio della maggior robustezza e della capacità di sopportare notevoli sovraccarichi di corrente.

6. Nell'acustica invece l'oscillografo catodico ha aperto un nuovo campo di ricerche. M. v. Ardenne, H. E. Hollmann e Th. Schultes l'hanno applicato allo studio della sonorità dei locali (1930-31).

7. Anche nelle misure meccaniche l'oscillografo si è rivelato prezioso, in tutti i casi in cui sono da studiare fenomeni di rapido decorso come urti, vibrazioni, ecc. Di solito vengono utilizzate a tale scopo le proprietà del quarzo piezoelettrico. Similmente si procede nelle ricerche di balistica, come determinazione della pressione all'interno delle canne di armi da fuoco, velocità di proiettili, ecc. Nel campo della chimica l'oscillografo è utile per lo studio di tutte le reazioni a decorso veloce.

Ricordiamo ancora gli studî molto importanti sul decorso dell'accensione nei motori a scoppio (J. Kluge e H. E. Linckh) e sui rumori interni e le vibrazioni di detti motori (W. Wawrziniok). Si adoperano in tal caso microfoni a capacità. Recentemente si è diffusa anche l'applicazione dell'oscillografo catodico all'elettrocardiografia (K. Posener e F. Trendelenburg) e a varie branche della ricerca fisiologica (F. Scheminzky).

I campi principali di applicazione dell'oscillografo catodico rimangono però quelli del film sonoro e soprattutto della televisione. Non possiamo qui nemmeno riassumere l'imponente complesso di ricerche in questo campo, e rimandiamo alle voci corrispondenti. Ci limiteremo a indicare i principali vantaggi dell'oscillografo catodico in tali applicazioni. a) Estrema sensibilità e inerzia praticamente nulla del fascio elettronico; b) Funzionamento silenzioso ed economico; c) La direzione e l'intensità dei raggi sono comandati da uno stesso dispositivo, e non da due come nei sistemi meccanici; d) Distribuzione ottima della luce nell'immagine; e) Possibilità di adoperare dispositivi in cui venga a variare bruscamente la velocità di esplorazione dell'immagine; f) Semplicità e flessibilità dei sistemi di esplorazione e di suddivisione dello spazio da esplorare; g) Economia di costruzione. Le applicazioni nel campo della televisione hanno preso importanza pratica fin dal 1931.