Dans un tube, on réalise un vide poussé. Avec un canon à électrons, des électrodes accélératrices et de focalisation (ensemble représenté en noir), on fabrique un pinceau d'électrons monocinétiques de vitesse horizontale Vx. La tension d'accélération U étant de l'ordre de 2 à 3 kV, le théorème des forces vives appliqué à l'électron (½m.v2 = qU) montre que cette vitesse est de l'ordre de 3.107 m/s.
Les électrons pénètrent dans un condensateur plan vertical (bleuté) d'épaisseur d et de longueur L selon l'axe de celui-ci.
Une tension Uy appliquée entre les deux plaques crée un champ électrique horizontal E. L'influence de la pesanteur est négligeable devant l'effet du champ électrique. Par contre il faut protéger le tube de l'influence des champs magnétiques par un blindage.
Le champ électrique E soumet les électrons à la force horizontale f = qE et à l'accélération γ = e.Uy / d.m.
On pose α l'angle entre la vitesse V de l'électron et sa composante horizontale Vx.
Cette force communique aux électrons une vitesse Vy = q.E.t/m mais ne modifie pas Vx : à l'intérieur du condensateur, la trajectoire des électrons est parabolique. Quand ils quittent la zone d'influence du condensateur, ils suivent une trajectoire rectiligne et arrivent en P sur la paroi du tube.
Monter que
l'angle α0 (en jaune) est tel que tg α0 = L.e.Uy / d.m.Vx2.
Montrer que les parties rectilignes de la trajectoire se coupent au centre du condensateur.
Une couche phosphorescente est excitée au niveau de l'impact du faisceau et émet (avec plus ou moins de rémanence) une lumière visible nommée "spot".
En pratique, la forme des plaques est optimisée pour tenir compte des effets de bord (courbure des lignes de champ) du condensateur.
Si on applique sur les plaques verticales une tension en dents de scie Uy, le spot traverse l'écran (en général de la gauche vers la droite) avec une vitesse constante. C'est le balayage. Une électrode spéciale permet d'éteindre le faisceau lors du retour (très rapide) du spot à la fin de chaque balayage.
Comme la sensibilité interne du tube est de l'ordre de 1 V / mm, il est indispensable d'amplifier les signaux à étudier.
Après amplification, le signal à étudier f(t) est envoyé sur une seconde paire de plaques (cette fois horizontales) qui dévie le faisceau verticalement. Le signal apparaît donc sur l'écran en coordonnées paramétriques : Y = f(t) et X = a.t.
Utilisation :
Avec les boutons radio choisir le mode de fonctionnement.
En mode "Manuel" on applique des tensions continues Uy et Uz sur les armatures des condensateurs.
Faire θ = 270° et φ = 0° ou 90° pour voir l'effet des tensions Uy et Uz.
Le pinceau d'électrons est tracé en indigo et son impact sur l'écran en jaune.
En mode "Auto" on applique entre les plaques horizontales une tension de la forme Uy = k.t et entre les plaques verticales une tension Uz = a.sin(ω.t).
Faire θ = 0° et φ = 0° pour voir l'effet des tensions Uy et Uz.
Remarques :
Les proportions du tube cathodique ne sont pas respectées.
Les performances des convertisseurs analogique-numérique actuels et des afficheurs numériques font que l'oscilloscope cathodique est maintenant totalement obsolète.