Fjernsynets fysikk

Citation preview

Donald G. Fink og David M. Lutyens —

Fjernsynets fysikk Oversatt av Nils Mathisen

Norsk Journalisfskole :

i i ri 4' o ' * o ♦

1/ OSLO 1963

J. W. CAPPELENS FORLAG

Originalens titel: The Phycics of Television. Copyright: © 1960 by Educational Services Incorporated. Norsk utgave: © 1963 J. W. Cappelens Forlag A/S, Oslo. Trykt i Dreyer Aksjeselskap.

Cappelens Realbøker

Den moderne naturvitenskap har forandret vårt liv, vår kultur og vårt verdensbilde. Hver dag bringer forskningen nye resultater som for få år siden bare eksisterte i fantasi­ rike fremtidsskildringer. Men for hver dag synes også ga­ pet mellom naturvitenskapens og legmannens viten å bli større, og det blir stadig vanskeligere å følge med i den forskning som forandrer vår verden. Det er populærvitenskapens oppgave å slå bro over dette gapet. Det er en vik­ tig oppgave, som må løses hvis ikke vår kultur skal rakne, en oppgave som er like viktig som forskningen selv. Cappelens Realbøker er en nyskapning innenfor norsk populærvitenskapelig litteratur. Seriens hovedformål er å gi en oversikt over moderne naturvitenskap i en populær form, og utgiverne håper at bøkene vil gi støtet til fort­ satte studier hos leserne. Forfatterne av Cappelens Real­ bøker er ikke bare eksperter på sine spesielle områder, de er også valgt på grunn av sine evner til å fremstille sin vi­ ten på en fengslende måte. Dels er bøkene hentet fra den amerikanske populærvitenskapelige Science Study Series, som er anerkjent som verdens fremste serie i sitt slag, dels er det andre bøker av norske og utenlandske forfattere av tilsvarende høy kvalitet som presenteres for det norske pub­ likum i Cappelens Realbøker. Den faglige kvalitet i Cappelens Realbøker garanteres av et ledende konsulentutvalg bestående av professor, dr. med. Alf Brodal, professor Knut Fægri, direktør Gunnar Ran-

ders og professor Harald Wergeland. Etter hvert vil serien danne et moderne fagbibliotek som spenner over emner fra fysikk til psykologi, fra medisin til geologi. Det er vårt håp at serien vil være til nytte for alle dem som ønsker å holde seg orientert om den moderne naturvitenskaps fremskritt, for derigjennom bedre å kunne forstå den verden vi lever i.

Innhold

1. Kommunikasjon..............................................................

9

Hjernebølger. - Kommunikasjonens ufullkommen­ het. - Kodede bilder. - Levende bilder.

2. Lys........................................... 21 Bølger og/eller partikler. - Atomer som lyskilde. - Energi og lys. - Hvordan atomer reflekterer lys. — Fluorescens - fra usynlig til synlig. - Den fotoelektriske effekt - fra lys til elektrisitet. - Fra lysbølger til hjernebølger. 3. Elektrisitet......................................................................... 41 Elektroner, strøm og spenning. - Bortenfor Ohms lov. - Strømmer i gasser og vakuum. - Strømmer og magnetisme. — Styring av elektroner. — Forsterk­ ning av strømmer. - Et elektronisk pendel.

4. Fra lys til elektrisitet og omvendt........................... 72 Telefoto og film. - Et elektronisk kamera. - Et for­ bedret kamera: billedortikonet. — Mottakeren: lysstyrke og kontrast. - Synkronisering av kamera og og mottaker. 5. Fra studio til dagligstue..............................................

Utflytning, oversving og snø. - Signalet i mot­ takeren. — Den utsendte bølgen. - Hvordan bølgen blir mottatt. - Modulasjon og demodulasjon. I fjernsynmottakerens indre.

96

6. Fargefjernsyn.................................................................... 118

Addisjon og substraksjon av farger. - Elektroniske farger. - Lysstyrke og krominans. - Fjernsynet og fremtiden. 7, Register............................................................................... *57

1

Kommunikas j on

Fjernsynet er en av den anvendte vitenskaps største trium­ fer. Uheldigvis er det store oppfinnelsers skjebne at etter som de passes inn i vårt daglige liv, blir de selvfølgelige og vekker ikke lenger den undring de fortjener. Elektrisk energi, flyet, kunstige fibre, antibiotika — alle disse lande­ vinninger er nå dagligdagse. Fjernsynet har i virkeligheten fått sin plass i vår tilværelse hurtigere enn noe annet stort vitenskapelig fremskritt. Dets vekst har vært intet mindre enn eksplosiv. Statistikere synes det er morsomt å påpeke at det er flere fjernsynsmottakere i USA enn badekar! Fjernsynet påvirker ikke bare slike innlysende ting som underholdningsvaner og hjemlige forhold, men også skole­ forhold, undervisningsteknikk, vitenskapelige problemer — som hvordan man skal kunne få avbildet månens bakside — og endog vår skjønnhetssans. Og den uunngåelige pris er blitt betalt. En slik påvirk­ ning forårsaker om ikke forakt, så i hvert fall likegyldighet. Likevel er fjernsynets fysikk — som er denne boks emne — fascinerende. Historien bak fjernsyns kjermen er mer inn­ holdsrik enn mange av de som vises på skjermen. Den er i innhold de fleste kriminalromaner overlegen, mer over­ raskende enn en science fiction-historie og mer betydnings­ full enn mang en politisk diskusjon. For det første: For å forstå hvordan det hypnotiske bilde kommer til syne i Deres stue, må vi se litt på bølgebevegelsens gåte. Lysbølger forplanter seg mellom den opptre9

dende i studio og kamera, og mellom mottakerskjermen og Deres øyne. Radiobølger forplanter seg i rommet mellom fjernsynsenderens antenne og mottakerantennen, og nok en slags bølger som kalles elektriske impulser, forplanter seg i hundrevis av forbindelseskabler og linjer mellom studio og senderne. For det andre er det umulig å forstå noe som helst om elektrisitet uten å gå nærmere inn på atomenes struktur og lese elektronenes biografi. Hvordan man skal løsrive elek­ troner fra deres foreldreatomer og deretter kontrollere de­ res bevegelser er to meget sentrale problemer i all fysikk. For det tredje — når vi senere, i siste kapitel, skal be­ trakte fargefjernsynet, vil vi oppdage at det er flere prob­ lemer forbundet med å se og analysere farger enn man fra først av skulle anta. Heller ikke må vi glemme det miraku­ løse og geniale menneskelige organ øyet, som jo hele pro­ sessen til syvende og sist rettes mot. Selve betingelsen for fjernsynet hviler på slike tilfeldige merkverdigheter som øyets etterlysningstid. Fra den anvendte fysikk trenger vi å stifte nærmere bekjentskap med elektronrøret, moderne elektronikks viktigste verktøy. Vi vil møte den fotoelektriske effekt som omformer lys til elektrisitet, og fluorescensens mystiske egenskaper, som omformer elektrisitet til­ bake til lys igjen. Hvis disse problemer ikke pirrer leserens nysgjerrighet og fantasi, er det ingen vits i å lese videre. Da vil det være bedre å slå på Deres fjernsynmottaker og se ukritisk på det mirakel som «ser» lenger enn til horisonten. Om proble­ met derimot interesserer, skal vi begynne med en betrakt­ ning av kommunikasjon i sin alminnelighet og senere se hvordan fjernsynet passer inn i en større sammenheng. HJERNEBØLGER

All kommunikasjon har til hensikt å formidle en persons tanker og følelser til en annen. Det er nesten banalt å si at 10

ens tanker og følelser er ens mest private eiendeler. Det er nettopp denne meget private eiendomsrett som gjør kom­ munikasjon til en vanskelig og så vidt unøyaktig affære. En filosof ville formulere dette slik: Tanker og følelser til­ hører den individuelle bevissthets private verden. Denne interne verden kan betraktes som en kompleks samling data, hovedsakelig sanseinntrykk, som vi hurtig lærer å organi­ sere i bestemte mønstre. Når vi gjør dette, knytter vi disse inntrykk og mønstre til den ytre verden — en verden som inneholder «ting» som bøker, fjernsynmottakere, mennes­ ker osv. Vi betrakter hver av disse ting som årsak til be­ stemte sanseinntrykk. Denne prosess blir hurtig så instink­ tiv at vi snart tillegger den ytre, fysikalske verden en reali­ tet likeså direkte som den vår egen bevissthetsverden er i besittelse av. Det faktum at for eksempel småbarn må lære å forbinde støy med bestemte visuelle gjenstander, viser at denne identifikasjonsprosess ikke er filosofisk tankespinn. En voksen som ved operasjon får normalt syn etter å ha vært blind fra fødselen av, trenger også tid til å orientere og sortere ut det som for ham til å begynne med bare ser ut som et forvirrende puslespill av sterke fargeklatter. De fysikalske hendelser som er nærmest beslektet med ens bevisste tanker, er visse elektrokjemiske endringer som foregår i hjernebarken. Vi vil for enkelhets skyld kalle disse hjernebølger. * Det kan tenkes at hjernebølger forårsaker be­ visste tanker på samme måte som lysbølger som treffer øyet utvilsomt er årsak til elektriske impulser i synsnervene. På den annen side kan det hende at den måte en hjernekirurg ville beskrive Deres hjernebølger på og slik De selv ville beskrive Deres tanker, bare er to måter å se samme sak på. Heldigvis behøver vi ikke avgjøre dette spørsmålet som har bekymret profesjonelle filosofer i mer enn 2 000 år. For vårt formål — å forstå hva kommunikasjon er — interesse­ rer det bare at hjernebølger er det fysikalske forløp som er *

Se mer om hjernebølger og måling av disse i Robert Galambos: Nerver og muskler, kapitel 6 (Cappelens Realbøker. 1963).

11

nærmest de tanker vi ønsker å formidle. Det er da klart at det endelige mål for menneskelig kommunikasjon ville være nådd om et menneskes hjernebølger på en eller annen måte kunne overføres direkte til et annet. Forutsatt at den annens hjerne arbeidet på samme måte som den førstes, ville kom­ munikasjonsakten forløpe så nær perfekt som overhodet mulig. Vi kan ennå ikke utveksle hjernebølger — kanskje vi bør si heldigvis — men man gjør hurtige fremskritt i studiet av hjernen, og en vakker dag vil et menneske kan­ skje kunne få et annet til å «se» en stjernesådd himmel bare ved å stimulere synsregionene i vedkommendes hjernebark. KOMMUNIKASJONENS UFULLKOMMENHET

I mangel av direkte samband fra hjerne til hjerne må man nøye seg med indirekte systemer. Vi skal se hvor relativt in­ effektive de kommunikasjonssystemer er som menneskene har utviklet. La oss begynne med å anta at De forsøker å konversere Deres nabo som bor tvers over gaten for Dem. Det er kaldt ute, så vinduene er lukket. De ser, men kan ikke høre. For at naboen skal kunne formidle sine tanker til Dem under disse forhold, må han benytte visuelle sig­ naler i en eller annen form, og disse vil da Deres øyne opp­ fange. Her er det altså skutt inn to mellomledd på forbin­ delsen fra naboens hjerne til Deres. Det ene av disse (for ek­ sempel hans hender) kan vi kalle senderen, det andre (Deres øyne) kaller vi mottakeren. Under disse forhold er den in­ formasjonsmengde som kan overføres, strengt begrenset. Ved å holde hodet mellom hendene kan han kanskje få med­ delt Dem at han har hodepine, men med mindre Deres nabo er en dyktig mimiker, vil De aldri få rede på om hode­ pinen skyldes en kraftig influensa eller siste natts utskeielser. Faktum er at hendene er Ute effektive sendere. De svik­ ter ikke bare i å formidle tankene hurtig nok, men tankene forkludres og forgroves også. Naboens fakter er bare grove og unøyaktige tilnærmelser til det han ønsker å formidle. 12

Hvis det regner på vinduet, vil regndråpene også forkludre eller forvrenge den visuelle informasjon Deres øyne mottar. Sammenlignet med hendenes ufullkommenhet som sendere er øynene derimot meget effektive mottakere. De samler in­ formasjon meget hurtig og bevarer en forbausende mengde fine detaljer. De nevnte kriterier — hastighet, nøyaktighet og forvrengning — kan anvendes generelt på hvilket som helst kommunika­ sjonssystem. La oss nå anta at Deres nabo snakker til Dem fra den andre siden av en høy hagehekk. Da kan De høre, men ikke se. Igjen har vi to mellomledd — hans stemme er senderen og Deres ører mottakeren. Ord er naturligvis et meget bedre kommunikasjonsmiddel enn fakter — ja, det beste som til dato er utviklet. Ord er i virkeligheten det viktigste verktøy for menneskene i arbeidet med å under­ legge seg jorden. Deres nabo kan nå tilfredsstille Deres nysgjerrighet an­ gående hans hodepine og kan dessuten fortelle mye mer. På tross av dette er vi fullt klar over at endog ord er et svært dårlig kommunikasjonsmiddel om man nytter det direkte hjernesamband som målestokk. Hele bøker er blitt skrevet om språkets forringelse av tanken. Diktere og els­ kende vet at menneskets fineste tanker og ideer grenser mot det uutsigelige. Ord er dessuten langsomme, i det minste i forhold til informasjonshastigheten i elektroniske maskiner. Man kan bare tenke på hvor kort tid en rikstelefonsamtale synes å vare! Om vi så betrakter samband over lengre strekninger, stø­ ter vi på et annet viktig kriterium, nemlig energi. Er Deres nabo på den andre bredden av en innsjø, vil sannsynligvis ikke stemmen hans være kraftig nok til at De kan høre ham. Er det mørkt og han signaliserer med en lommelykt, kan det hende lyset ikke er sterkt nok. Vi vil oppdage at alle former for samband eller kommunikasjon, hva enten det gjelder lyd, lys eller annen form for stråling, innebærer for­ bruk av energi. Jo hurtigere senderen bruker energi — 13

dvs. jo kraftigere den er — jo lettere er det å nå fram til mottakeren. Foruten disse fire kriterier eller parametre er det enda et begrep som er fundamentalt for all kommunikasjon — ja for ervervelse av all informasjon — og det vil vi møte i denne boken, særlig i siste kapitel. Dette begrep er modulasjon, som man kan betrakte som «forandring» og tar for gitt i hver­ dagslivet. Hvis drøpelen, tungen, tennene og leppene ikke kunne modulere luftstrømmen fra lungene, ville vi ikke kunne tale, bare utstøte et monotont hu-u-hu som ikke en gang en mor klarte å fortolke. Uten modulasjon av lydbøl­ gene fra en fiolin, et piano eller et horn eller den menneske­ lige stemme, ville musikk og sang ikke eksistert. Uten mo­ dulasjon eller blink fra lommelyktens lysstråle ville vi ikke ha noe signal. Og uten modulasjon av radiobølgene — som skal omhandles mer fullstendig senere — ville fjernsynet ikke kunne formidle informasjon, bare utveksle menings­ løs energi. Modulasjon kan være en så enkel prosess som å slå en elektrisk strøm av og på, eller som vi senere skal se, den kan være en ytterst komplisert modifikasjon av bølgebevegelser. Uansett form er modulasjon en betingelse for all kom­ munikasjon. Hvis vi måtte velge mellom de mange tilgjengelige kommunikasjonsmedier, ville vi kanskje først måtte avgjøre på hvilken måte informasjonen skal tilbakelegge størstedelen av reisen. Lydbølger forplanter seg langsomt og bare over relativt korte strekninger, skjønt de har fordelen av å kunne nå rundt hjørner. Lysets forplantningshastighet er meget større (omtrent en million ganger hurtigere). Lys blir imid­ lertid hindret eller spredt og absorbert av all slags stoff, og det går bare rundt hjørner i meget begrenset utstrekning. Et av de spørsmål vi skal kunne besvare i slutten av boken er dette: Hvorfor er det slik forskjell på lyd og lys? Radio­ bølger, som fysikalsk ligner lysbølger, men har meget lengre bølgelengder, er i stand til å trenge gjennom og passere so­ 14

lide gjenstander av anseelige dimensjoner. Hvorfor er det igjen slik? På grunn av disse kontrasterende egenskaper foregår langdistansekommunikasjon enten ved hjelp av radiobølger eller av elektriske bølger i ledninger. For å nytte radio som sambandsmiddel trengs naturligvis en sender og en mot­ taker. Disse er egentlig oversettelsesmaskiner. Akkurat som stemmen oversetter tanker til en lydbølgekode, oversetter eller omformer mikrofonen lydbølgene til en elektrisk strømkode, og senderantennen omformer elektrisk strøm til radiobølger. På mottakerstedet dekoder mottakerantennen radiobølgene til elektriske impulser, høyttaleren lager disse om til lydbølger, og ørene og hjernen omformer til slutt disse til hjernebølger eller tanker. Med alle disse tilleggsleddene i overføringskjeden er det viktigere enn noen­ sinne at unøyaktighet, forvrengning og tap av energi gjø­ res så små som mulig i hvert enkelt ledd. KODEDE BILDER

Det moderne fjernsynets hemmelighet er oppfinnelsen og utviklingen av effektive kodere og dekodere for de spesi­ elle trinn i kommunikasjonsprosessen som skiller fjernsyn fra lydradio. Disse trinn er selvfølgelig koding av lys til elektrisitet og dekoding av elektrisitet tilbake til lys igjen. Uheldigvis er det ikke nok med bare disse omformingsmetodene. Vi må også ta hensyn til det faktum at vi har bare en kanal til billedoverføringen. Synsnervene som for­ binder øyet med hjernen, er meget mer komplisert. De inne­ holder atskillige hundretusener adskilte fibre eller elektriske strømkretser som alle bringer signaler til hjernen samtidig. Hver fiber i den menneskelige synsnerven kan således for­ midle en Eten del av bildet, og vi ser hele billedflaten sam­ tidig. I en enkel fjernsynkanal er det ikke mulig å overføre hundretusener signaler på samme tid. Derfor må vi ty til den nest beste løsning, nemlig å sende signalene etter hver­ 15

andre. Dette gjør vi ved å dele bildet opp i bittesmå biter og overføre hvert billedelement i tur og orden. Vi har f. eks. en analogi i sjakkspill pr. telefon. Sjakk­ brettet er delt opp i nummererte kvadrater, og vi kan sende meldinger som «flytt sort løper fra c8 til a6» over telefonen til motspilleren. På denne måten kan spillerne i tur og orden forårsake visuelle endringer på sjakkbrettet hos motparten, og spillet kan gå som om begge spilte ved samme bord. Nå begynner vi å ane hvordan vi kan overføre et stille bilde. Det er ikke en gang nødvendig å si hvilken del av bildet vi beskriver, forutsatt at beskrivelsen foregår i sy­ stematisk orden. Det er likegyldig hvilket system man be­ nytter, bare man fastlegger systemet på forhånd. Vi kunne f. eks. starte i nederste høyre hjørne, fortsette langs nedre bildekant og videre rundt bildets ytterkanter med urviserne, og så gå gradvis videre mot bildets sentrum i en spiralformet bevegelse. I fjernsynet starter vi imidlertid i øverste venstre hjørne og dekker bildet omtrent slik som øyet gjør når det følger linjene i en bokside. Det er denne likhet med lesning som har gitt dette billedoppdelingssystem det tek­ niske navn skandering eller avsøking. Den neste bestemmelse som må tas er hvor mange smådeler bildet skal deles i. Dette avhenger av hvor mange av de aller fineste detaljer man er villig til å ofre. Her har vi et konkret eksempel på det uunngåelige faktum at et sam­ bandssystem vil gjøre et signal grovere eller forkludre det. Ønsker vi å bevare alle de fineste detaljene, må bildet de­ les opp i et meget stort antall småbiter, en bit for hver av de minste detaljer. Nøyer vi oss derimot med en rimelig de­ taljert reproduksjon, kan bildet deles i færre og større små­ biter. Da vil vi spare både arbeid og omkostninger. Med andre ord — vi slutter av dette at en noe grov men likevel tilfredsstillende billedoverføring er det beste kompromiss mellom overføringssystemets pris og kvalitet. Slike kom­ promiss mellom en tjenestes kvalitet og omkostninger ved tilveiebringelsen hører til kjernen av all ingeniørvirksomhet. 16

Trykte bilder reproduseres også ved hjelp av småbiter, det vil si de består av en samling bitte små, sorte prikker. Et høykvalitets bilde, slik man finner dem i finere tidsskrif­ ter, kan inneholde millioner av slike prikker. I virkelig­ heten ser ikke øyet hele bildet på en gang når det betraktes på nært hold. Øyet løper over bildet og ser de trykte punk­ tene i grupper på noen hundretusener av gangen. Øyet kan ikke gjøre det bedre fordi, som tidligere nevnt, synsnervene ikke har flere enn noen hundretusen enkeltforbindelser til hjernen. Et så fint oppdelt bilde ville være bortkastet i fjernsyn, fordi vi normalt ikke betrakter fjernsynskjermen på så kort avstand. Det kompromiss de ingeniørene har kommet fram til som har bygd opp vårt fjernsynsystem, er et bilde opp­ delt i ca. 300 000 småbiter eller punkter. Et slikt bilde kan virke noe grovt når vi innstiller mottakeren vår og betrak­ ter bildet fra en halv meters avstand eller mindre, men det er helt ut tilfredsstillende når vi sitter ned i stolen og ser på skjermen fra tre meters hold. LEVENDE BILDER

Ovenstående gjaldt vårt stille bilde og dets kvalitet, men vi er ikke interessert i bare stille bilder. Hva skjer om detal­ jene i bildet stadig endres? Svaret er at vår avsøkingsprosess må foregå meget hurtig for å holde følge. Tenk Dem at De skal forsøke å beskrive muntlig for Deres blinde venn hvordan lysreklamene i bygatene skifter. Det er klart at ord er håpløst langsomme i denne sammenheng. Men ak­ kurat hvor hurtig må vi avsøke våre bilder? Dette spørs­ målet er nøye knyttet til det menneskelige syns etterlysningstid. Vi skjønner nå at fjernsynsbildet settes sammen rett for øynene på oss, bit for bit, arrangert etter hverandre som linjene i denne boken. Bare en bit presenteres av gangen til enhver tid. Hvordan har det da seg at hele fjernsynskjer2 — Fjernsynets fysikk.

17

men tilsynelatende lyser kontinuerlig? Forklaringen er at hjernen beholder lysinntrykket som øyet mottar ca. ett ti­ endedels sekund etter at lyset er slått av. Hvis vi nå samler alle billedbitene etter hverandre og gjør det i løpet av ett tiendedels sekund eller mindre, vil inntrykket fra hver bit vedvare mens de etterfølgende presenteres, og vips ser det ut som om det oppdelte bildet er helt. Om vi derimot bru­ ker lengre tid på innsamlingen av billedelementene, faller det ferdige bildet fra hverandre i mindre deler. Siden vi må reprodusere hvert bilde på mindre enn ett tiendedels sekund, er det fint at vi er i stand til å overføre ti eller flere bilder pr. sekund. Dette betyr at vi kan overføre levende bilder ved å presentere for øyet en rekke stille bil­ der i rask rekkefølge som på kino. Vår bevissthet fastholder hver bit i billedrekkefølgen ved hjelp av synsorganenes etterlysningstid, og vi er ikke klar over at et stort antall se­ parate og litt forskjellige stille bilder blir presentert for oss hvert sekund. Som vi senere skal se blir fjernsynsbilder overført i et an­ tall av 25 pr. sekund, og vi husker at hvert enkelt bilde be­ står av ca. 300 000 småbiter som settes sammen i tur og orden på skjermen. Enkel multiplikasjon viser da at billed­ elementer overføres via fjernsynsystemet med den fantas­ tiske hastighet av 25 X 300 000 eller 7 500 000 biter i se­ kundet! Hver enkelt del av det totale fjernsynsystem fra studio til Deres stue må være i stand til å behandle informa­ sjon så hurtig. Omformingen fra lys til elektrisitet, de elek­ triske strømmer i kabler og ledninger, radiobølgene i luf­ ten og omformingen tilbake til lys igjen — alt dette må ar­ beide som djevelen var i hælene. Det er ikke til å undres over at ingeniørene har stoppet ved ca. 300 000 billedele­ menter, for et større antall vil øke overføringshastigheten tilsvarende og gjøre alt fjernsynutstyr, inkludert mottakerne, dyrere og vanskeligere å betjene. I fjernsynets barndom forsøkte man med meget grovere bilder som besto av ca. 4 000 biter. Det var vanskelig å 18

Fig. i. Tidlige eksperimenter med fjernsyn benyttet en roterende skive (Nipkow skive) for å avsøke bildet. Bildet ble fokusert på ski­ ven i det viste området. Små hull arrangert i spiral på skiven tegnet linjer tvers over bildet, linje for linje, og lyset som slapp gjennom hul­ lene representerte i rekkefølge lys og skygger langs hver linje. Slike mekaniske avsøkingsmetoder var ikke i stand til å gi detaljerte fjernsynbilder. De er blitt avløst av elektroniske metoder som kan avsøke millioner av billedelementer hvert sekund.

øke tallet fordi det den gang bare fantes mekaniske avsøk­ ingsmetoder, som den roterende skiven med huller i (fig. i). Det var vanskelig å få denne skiven til å rotere hurtig nok, eller nøyaktig nok, til å lage et mer detaljert bilde. Slike grove bilder tilfredsstilte ikke øyet etter at den første nys­ gjerrighet overfor dette nye medium hadde lagt seg. Me­ kaniske innretninger var, om ikke helt ubrukbare, så i hvert 19

fall altfor kompliserte til å betjene hjemme, og dessuten for dyre til å møte moderne fjernsyns krav om overføringshas­ tigheter tilsvarende flere millioner biter i sekundet. Svaret kom som vi alle vet med den fremstormende elek­ troniske vitenskap. De eneste gjenstander som har den nød­ vendige hastighet og samtidig kan fremstilles og kontrol­ leres på enkel måte, er elektroner. Elektronene er nær knyttet til omformingen av lys til elektrisitet i studio og fra elektrisitet tilbake til lys igjen på fjernsynskjermen i Deres stue, og dette vil vi behandle nærmere i kapitel 4. Elektroner har hovedrollene i vår fortelling. De bringer oss Uke inn i atomfysikken. Det er for å få en bedre forståelse av atomenes verden at de to neste kapitler er skrevet. Enkelte ganger kan det synes som vi har glemt alt om fjernsyn, og noen av de emner vi skal diskutere vil kanskje forekomme noe teoretiske. Men disse to kapitler inneholder det nødvendige grunnlaget for en riktig forståelse av fjernsynets fysikk.

2

Fjernsyn begynner og slutter med lys. Lys fra batterier av lyskastere belyser de opptredende i studio og reflekteres fra dem. Når det reflekterte lyset faller inn i kameraets objek­ tiv, fokuseres det og danner et bilde på en lysfølsom flate i kamerarøret. På mottakersiden sendes lys fra billedskjermen til Deres øyne. Skjønt dette siste trinn i prosessen kan­ skje synes så selvfølgelig at det nesten ikke er verdt å nevnes, er det likevel meget viktig, fordi vi vil oppdage at øyets fy­ siologiske begrensning har en sterk innflytelse på hele over­ føringsprosessen. Uten disse begrensninger ville fjernsyn neppe være mulig. I dette kapitel skal vi derfor betrakte ly­ sets fysikk og det menneskelige syn. La oss begynne med å stille spørsmålet: «Hva er lys?». Lys kan betraktes primært som en energiform, såkalt strå­ lingsenergi. De fleste mennesker tror de har en noenlunde bra idé om hva energi egentlig er. Men spørsmålet: «Hva er energi» er i virkeligheten så vanskelig å besvare eksakt at det tok vitenskapsmenn mer enn 150 år å få orden på de grunnleggende definisjoner. Spørsmålet har bred plass i all fysikkundervisning og vi kan ikke vente å få behandlet em­ net inngående her. Likevel er noen digresjoner nødvendige for å summere opp de ideer som antas å være kjent av le­ seren. Først: Arbeid utføres når en kraft påvirker et legeme og flytter det. Arbeidet er hk produktet av kraften og den av­ standen legemet er flyttet. Som et resultat av det utførte ar21

beid får legemet tilført en tilsvarende energimengde, mens det medium som utførte arbeidet taper den samme energi­ mengde. Dernest: Energi kan opptre i mange forkledninger som en dyktig skuespiller. De to mest kjente energiformer er kinetisk — eller bevegelsesenergi — som er en egenskap ved ethvert legeme i bevegelse, og potensiell — eller stillingsenergi — som ethvert legeme har i kraft av sin stilling eller belig­ genhet. En fjernsynmottaker i soveværelset i annen etasje har således større stillingsenergi enn den samme motta­ keren i stuen i første etasje, fordi et arbeid måtte utføres mot tyngdekraften da mottakeren ble båret ovenpå. Vi vil imidlertid finne at det passer bedre å betrakte stillingsenergi som en egenskap ved et system. Med det mener vitenskaps­ menn hvilken som helst vilkårlig del av universet som de finner passende å studere isolert. I vårt eksempel er det egentlig ikke fjernsynapparatet som har fått tilført stillings­ energi, men systemet som består av apparatet og jorden. Når et elektron i et atom flyttes vekk fra kjernen mot de elektriske tiltrekningskrefter, vil på tilsvarende måte stillingsenergien for atomet som et hele øke. Andre energiformer — som termisk energi eller varme, elektrisk energi, kjemisk energi osv. — forekommer til å begynne med mer mystiske. De kan imidlertid alle uttryk­ kes ved atompartiklenes hastighet og beliggenhet og derfor reduseres til ren addisjon av disse ørsmå legemers — eller partiklers — bevegelses- og stillingsenergi. Bølgebevegelsens energi er en helt annen sak. En bølge trenger nemlig ikke ha noe med bevegelige partikler å gjøre i det hele tatt; lys forplanter seg uten vansker i det tomme verdensrom­ met. I alle foregående eksempler ble energi fraktet fra sted til sted ved overføring av stoff, som når helten i fjernsynsdramaet kaster en porselensvase mot sin motstander eller som luften fra en vifte utenfor kameraets rekkevidde får den deilige heltinnens hår til å flagre. Ved bølgebevegelse overføres energi uten medvirkning av stoff. Når vi sier at 22

lys er en form for energi, mener vi blant annet at utveks­ ling av energi foregår under forplantningen fra et sted til et annet. BØLGER OG/ELLER PARTIKLER

Er det best å betrakte lys som en bølgebevegelse eller som en strøm av partikler? Skjønt de fleste mennesker vil gå sterkt inn for bølgebevegelse, tyder kjensgjerninger på at svaret ikke er så enkelt. Konflikten ved beskrivelsen er faktisk like gammel som Isaac Newton, som forresten foretrakk partikkelteorien. Thomas Young, Augustin Fresnel og andre syntes en tid å ha bevist at lys virkelig var en bølgebevegelse, men omkring siste århundreskifte ble man oppmerksom på kjensgjerninger som bare kunne forklares på basis av ikkestofflige partikler. Hva betyr egentlig dette? Er begge teorier korrekte, gale eller bare ufullstendige? Kan vi bruke begge etter som det passer? Den kjente engelske fysiker Sir Lawrence Bragg pleide å fortelle sine studenter at han foretrakk bølgeteorien mandag, onsdag og fredag og partikkelteorien tirsdag, tors­ dag og lørdag! Situasjonen er likevel ikke så tilfeldig som det kan synes. Å beskrive strålingsenergi som bølger eller partikler er heller som å formidle opplysninger om en per­ son ved hjelp av et fotografi eller en muntlig beskrivelse. Hver er bedre enn den andre til forskjellige formål. Et fotografi er mer opplysende enn hvilken som helst skreven beskrivelse hvis vi er interessert i vedkommendes utseende. På den annen side kan ord fortelle oss mer om personens karakter og tidligere liv — selv om oppdagelsen av et gullurkjede tvers over en solid mave kan antyde noe. Det vik­ tigste poeng som man skal notere seg, er at begge beskri­ velsene billedlig og verbalt hver for seg er ufullstendige. Angjeldende individ er mer komplisert enn hver enkelt av beskrivelsene antyder, mer forskjellig fra vår oppfatning enn vi kanskje er klar over. Dernest må begge beskrivel­ 23

sene passe sammen selv om de er ufullstendige. Vi ville straks skjønne at noe var galt om vi leste at personen var 75 år og etterpå fikk se et bilde av en ung mann i tyveårene. Slik er det også med bølge- og partikkelmodellene. Begge forteller oss deler av sannheten om lyset, og de er forenlige med hverandre. Det er således et klart, målbart forhold mellom bølgens frekvens og partikkelens energi. Partikke­ len kalles et foton. Dette forhold er uttrykt i Albert Einsteins berømte formel E = hf der h er en numerisk, universell konstant som kalles Plancks konstant etter oppdageren Max Planck. Antall bølgetopper som passerer et gitt punkt hvert sekund, /, angir lysets frekvens (betraktet som en bølge) og E er fotonets energi (betraktet som en partikkel). I denne og andre sammenheng er de to teorier samlet til én. Likevel er lys hverken det ene eller det andre. Det er enda mer uanskuelig, og til denne dag er matematiske symboler de eneste ord vi kan beskrive det med i det hele tatt. Vi vil finne det nødvendig å tale om lys i begge forkledninger i de kommende kapitler. Det er vel kjent at hvitt lys er en blanding av fargede komponenter som det kan oppdeles i når det passerer gjen­ nom et prisme. Hva er det som skiller de forskjellige lysfarger fra hverandre? La oss først bruke bølgemodellen. Man sier vanligvis at rødt lys adskiller seg fra blått i det at det har forskjellig bølgelengde. Men det er mer tilfredsstil­ lende å skjelne på grunnlag av frekvens. (Se plansje II og figur i a for forklaring av disse betegnelser.) Det kommer av at bølgelengden eller avstanden fra en bølgetopp til den neste for en bestemt farge ikke alltid er den samme. Hvis lysets forplantningshastighet varierer, som den gjør f. eks. når lys går fra et gjennomsiktig medium til et annet, ser man av uttrykket c = X f som angir forholdet mellom hastigheten (r), bølgelengden (X) og frekvensen (/), at pro­ duktet (X/) må variere. Når dette skjer, er det bølgeleng­ den som endres, ikke frekvensen. Lysbølger har frekvenser omkring io14 perioder pr. sekund. Dette er et nesten ufat24

OS Hl

£ ab

25

Mellombølgebåndet

telig høyt tall — hundre millioner millioner! Den tilsva­ rende bølgelengde er ubegripelig liten — omtrent halvpar­ ten av en milliontedels meter. Fotonets energi kan angis i hvilken som helst enhet fra kalorier til kilowattimer, men av grunner som snart skal forklares vil det være hensiktsmessig i denne boken å nytte betegnelsen elektronvolt, forkortet «eV». Vi skal definere denne størrelsen når vi er blitt bedre kjent med både elektroner og volt. På det nåværende tidspunkt fastslår vi bare at synlige lysfotoners energi varierer mellom 2 og 4 elektronvolt. Vi må være klar over at variasjon i bølgefrekvensen og fotonenergien ikke stopper ved grensene for synlig lys. Bortenfor den blå del av spekteret (fig. 1 a) finnes former for stråling med enda høyere energi-innhold, ultrafiolett (opp­ til 150 eV), røntgenstråler (opptil 40000 eV) og gammastråler (over 40 000 eV). Bortenfor rødt finnes stråling med lavere frekvens, infrarødt (ned til 1012 perioder pr. sekund) og radiobølger (mindre enn 1012 perioder pr. sekund). ATOMER SOM LYSKILDE

Vi må tilbake til lyset igjen og undersøke et annet spørs­ mål: «Hvordan oppstår lys?» Dette angår det grunnleg­ gende problem om hvordan lys og stoff virker inn på hver­ andre. Egentlig bør spørsmålet formuleres: «Hvordan kan et atom produsere et foton?». Nok en gang blir vi nødt til å gjøre en stor digresjon for å utruste oss med tilstrekkelig kunnskap om atomet. I vår atomalder kjenner sikkert leserne til at ethvert atom har en kjerne. Omkring denne sentrale del, som er relativt tung og massiv og har positiv ladning, beveger negativt ladde elektroner seg, og disse har ubetydelig masse i for­ hold til kjernen. Alle stoffers atomer er bygd opp etter sam­ me generelle mønster. De forskjellige slags atomer varierer i antall og arrangement av elektronene, som går i elliptiske baner rundt atomkjernen. Antall elektroner er bestemt av 26

kjernens positive ladnings størrelse, idet atomet som hel­ het er elektrisk nøytralt. Hvis dette var en bok om atombomben, ville vi nå for­ late elektronbanene og konsentrere oss spesielt om kjernen. Vi har imidlertid til hensikt å bringe leseren en forståelse av fjernsynets fysikk, og vi skal derfor gjøre akkurat det mot­ satte. Vi vil ignorere atomkjernen og feste vår oppmerk­ somhet på elektronene og deres oppførsel. Akkurat som det er en mystisk dualisme hos lysets na­ tur, finner vi det samme hos elektronet. Elektroner opp­ fører seg vanligvis, men ikke alltid, som om de var bittesmå partikler. Ofte synes det som de er i besittelse av bølgebevegelsens egenskaper. For øyeblikket vil vi imidlertid velge partikkelmodellen der elektronene ligner små atomsputniker. De blir holdt i sine baner av elektriske tiltrek­ ningskrefter som alltid er til stede mellom motsatte elek­ triske ladninger. Og dette er jo nettopp analogien med jordsatellittene som holdes på plass av jordens tyngdefelt i sine baner rundt jorden. En brukbar måte å beskrive til­ stedeværelsen av denne kraften på, er å si at det eksisterer et elektrisk felt rundt kjernen hvis feltstyrke er et mål for den kraft som virker på elektronet. Rundt jorden har vi et lignende tyngdefelt eller gravitasjonsfelt. På samme måte som arbeid må utføres for å plassere en jordsatellitt i sin bane, må det gjøres et arbeid for å løfte et elektron lenger vekk fra kjernen. Dette arbeid blir lagret som økt stillingsenergi for hele atomet. Hvis vi tegner en grafisk fremstilling av denne stillingsenergien som funk­ sjon av avstanden fra kjernen, får vi en kurve som vist på figur 2. Da denne kurven er symmetrisk i alle retninger rundt kjernen, ligner kurvens totaloverflate på enden av en trompet. Vi kaller denne for en potensiell energitrakt. Hvil­ ket som helst elektron som beveger seg innenfor traktens begrensningsflate, kalles et «bundet» elektron. Med mindre atomsystemet mottar energi fra en utenforliggende kilde, kan elektronet ikke klatre opp langs traktveggen og unn­ 27

slippe feltet fra dets foreldreatom. Hvis det derimot mot­ tar tilstrekkelig energi, kan det forlate feltet permanent og bli det vi kaller et fritt elektron. Atomet forøvrig blir da etterlatt med en positiv ladning av samme størrelse som det unnslupne elektronets, og atomet kalles da et ion. Elektronets utbrytningsprosess kalles ionisering. Mens elektronet er bundet til atomet kan det ikke sirku­ lere i hvilken som helst bane omkring kjernen. En av de mest betydningsfulle oppdagelser i det 20. århundrets fy­ sikk var at det er bestemte restriksjoner på elektronbanenes energinivåer. Det ser ut som de bare kan variere i bestemte energiporsjoner. Det er umulig for et elektron i en bane å øke avstanden fra kjernen uendelig lite. Det må «hoppe» til en ny bane. De bundne elektroners baner sies derfor å være kvantiserte og når et elektron mottar nok energi til å hoppe over i en energirikere bane, sier man at atomet er eksitert. Kvantiseringen er et fenomen man sjelden møter utenfor atomverdenen. Den har ingen analogi innen den makroskopiske fysikk i større målestokk eller i hverdagslivet. De forskjellig kvantiserte baner rundt kjernen kan inne­ holde et varierende antall elektroner. I alminnelighet er ba­ nene med lavest energi de som foretrekkes. Vi ordner ato­ mene etter økende masse, og etter som vi går fra element til element i kjemikernes grunnstofftabell, blir de lavere ni­ våer i energitrakten fylt opp i tur og orden. Vi kan si at banene fylles på samme måte som plassene rundt bokseringen — plassene innerst rundt ringen blir først besatt. Nå er Fig. 2. Energitrakten som elektronbanene ligger i er vist på disse tre diagrammene. Kurve A viser at jo lengre vekk elektronbanene ligger fra kjernen, desto større må stillingsenergien være. B viser hvordan kurven som strekker seg ut i alle retninger omkring kjernen, danner en trakt som elektronet holdes fanget i inntil energi tilført fra en ytre kilde «skyver» elektronet over kanten og det unnslipper fra foreldreatomet. C viser at elektronet i virkeligheten bare kan besette visse energinivåer. Disse kvantiserte trinn representerer de tillatte baner som elektronet kan «hoppe» mellom når det absorberer eller avgir energi.

28

29

det alltid øvre nivåer som er ledige, og som elektronene kan hoppe til når atomet eksiteres fra en ytre energikilde. Atomet vil forbli i eksitert stand meget kort tid, omtrent io 4'8 sekund, og så vil elektronet normalt miste energi ved stråling og gjenoppta sin plass i laveste ledige bane. Når vi tilfører stoff energi ved metoder som vi snart skal beskrive, fremtvinger vi i virkeligheten blant andre virkninger en hektisk dans av elektroner som hopper rundt i baner i trilli­ oner atomer samtidig. Hvordan mottar et atom den nødvendige eksiteringseller ioniseringsenergi? Og i hvilken forkledning frigir det overskuddsenergien når det gjenopptar sitt normale og nøytrale liv? For å besvare siste spørsmål først: En av de alminneligste måter atomet kan kvitte seg med uønsket energi er å emittere eller utstråle et foton. Fotonets energi avhenger naturligvis av hvilken elektronbane energien skriver seg fra. Energitraktens form viser at energiforskjellen mellom banene nærmest kjernen er mange elektronvolt, mens de lengst vekk ligger energimessig nærmere hverandre. Hopp mellom disse ytre baner produserer fotoner med energi­ innhold fra 2 til 4 eV eller synlig lys. ENERGI OG LYS

Her er da første svar på spørsmålet «Hvordan oppstår lys?». Vi kan observere en slik prosess i neonlysreklamer eller kvikksølvdamplamper. Begge består hovedsakelig av et glassrør fylt med egnet gass eller damp av meget lavt trykk. Når røret utsettes for elektrisk spenning, blir en del ato­ mer ionisert. De resulterende fri elektroner og positive ioner aksellereres av spenningen og beveger seg i motsatte retninger på grunn av deres motsatte ladninger. De kolli­ derer med ikke-ioniserte eller elektrisk nøytrale atomer og overfører dermed en del av sin energi underveis. To slags kollisjoner kan forekomme. Noen ganger er det 30

en elastisk kollisjon eller støt slik det ville foregå mellom to fullstendig elastiske gummiballer. Ved slike støt opptar det atomet som treffes energien i form av bevegelsesenergi, dvs. dets hastighet øker mens dets indre arrangement for­ blir uendret. På denne måten blir gassatomenes kaotiske, vilkårlige bevegelser mer voldsom, gassen varmes opp. I andre tilfeller blir imidlertid energien overført ved uelastisk støt, og atomet som treffes, lagrer da ekstraenergien i form av stillingsenergi, dvs. et av dets elektroner hopper til et høyere nivå og atomet blir eksitert. La oss nå betrakte utløsningen av den fotonenergi som meget hurtig følger når elektronet faller tilbake i en bane med lavere energi. Siden elektronspranget er kvantisert, vil atomet bare stråle ut fotoner med et bestemt energiinn­ hold. Og siden det alltid er noen få av alle de mulige kvante­ sprangene som foregår lettere enn de øvrige, stråler eller emitterer gassatomene fotoner med disse foretrukne energi­ mengder. Vender vi oss mot bølgemodellen igjen, ser vi derfor at det lyset som utstråles eller emitteres er begrenset til noen få utvalgte frekvenser, karakteristiske for vedkommende element. Dette forklarer hvorfor neon lyser orangerødt mens kvikksølvdamp lyser blågrønt. En hvilken som helst slik frekvensgruppe kalles et spektrum, og et med spesielt foretrukne frekvenser som vi nettopp har diskutert, kalles et linjespektrum. Sollys er annerledes. Bortsett fra visse mørke linjer i solspektret som vi ser bort fra i denne forbindelse, er sollyset sammensatt av en kontinuerlig fargeskala og ikke bare noen få utvalgte farger. Det inneholder lys av alle frekvenser innen det synlige område, og man refererer derfor til solspektret som et kontinuerlig spektrum. Dette synes jo å stride mot kvanteteorien som så elegant forklarer lysemisjonen fra f. eks. en lysende kvikksølvkilde. Forklaringen ligger i at soltemperaturen er så meget, meget høyere. Temperaturen er simpelthen et mål for gasspartiklenes 31

gjennomsnittlige bevegelsesenergi i deres kaotiske, vilkår­ lige bevegelser. Jo varmere gassen er, jo mer energi ut­ veksles i støtene mellom partiklene. En prosess i denne sammenheng er viktig i fjernsyn. I noen av de uelastiske støtene absorberes nok energi av deltakeratomene ikke bare til å eksitere atomet, men også løfte et elektron helt over og ut av energitrakten, med andre ord forårsake ionisering. Dessuten: Siden det nå ikke er noen ytre, tilført spenning til stede som feier elektroner og ioner i hver sin retning, står det fritt for elektronet å velge om det vil tilbake til foreldreatomet eller til naboen. Og nå kommer det avgjørende poeng: Når et elektron er fritt, er det ikke lenger kvantisert. Det kan tilføres eller miste hvilken som helst mengde bevegelsesenergi ved elastisk støt. Når det så faller tilbake i energitrakten, kan det gjøre dette fra hvilket som helst energinivå, selv om dets endelige bane er kvantisert. Følgelig blir det mulig å emittere fotoner av alle mellomliggende energinivåer eller lys med hvil­ ken som helst frekvens. Meget av de samme betraktninger gjelder for et glø­ dende, fast stoff som f. eks. den varme metall tråden som utgjør glødetråden i en vanlig lyspære. Som vi skal se mer detaljert i neste kapitel, er atomene i et metall permanent ionisert, og alle yter elektroner til en samling såkalte ledningselektroner som ikke er spesielt bundet til sine foreldreatomer og hvis energiutveksling ikke er kvantisert. Derfor er igjen emisjonsspektret kontinuerlig, skjønt det er vel kjent at et metalls farge forandres når det varmes opp, enten vi varmer metall i en flamme eller vi sender en økende elektrisk strøm gjennom det. Metallet (som først bare stråler infrarød varme) blir gradvis rødt, orange, gult og til slutt hvitglødende. Enda øyet ikke kan skjelne fargekomponentene i den hvitglødende strålingen, er det et kontinuerlig spektrum hvor den mest intense strålings fre­ kvens gradvis øker. Når temperaturen stiger, øker partiklenes gjennomsnittsenergi tilsvarende, enten det gjelder 32

elektroner eller positive ioner. Kollisjonene blir voldsommere og det gjør også energiutvekslingen som produserer fotonene. Dette eksempel leder oss til et alminnelig prinsipp av stor viktighet. Vi har sett at fotoner kan emitteres når elektro­ ner forandrer energi. Noen ganger er det hovedsakelig en forandring i atomets stillingsenergi, som ved kvantespran­ gene innen atomet. Andre ganger er det først og fremst en forandring i bevegelsesenergi, som ved ledningselektronene i metall. Nå må jo et legeme øke sin hastighet, aksellerere, for å øke sin bevegelsesenergi. Det er en grunnleggende generalisering fra den klassiske fysikk at alltid når et fritt elektron aksellererer^ skjer samtidig en utstråling. HVORDAN ATOMER REFLEKTERER LYS

Vi har nå gitt noen svar på spørsmålet «Hvordan oppstår lys?». De synes alle å være variasjoner av et sentralt emne, nemlig samspillet mellom elektroner og fotoner. Nok en variant av dette tema gir forklaringen på lysets oppførsel når det reflekteres fra en overflate. Årsaken til atomeksiteringen er i dette tilfelle hverken elektroner eller ioner men fotoner, og det er en vesentlig forskjell. Refleksjon er av betydning i fjernsyn, idet det jo er lys reflektert fra de opptredende og deres klær som treffer kameralinsen. Refleksjon er et ytterst komplisert fenomen. Derfor be­ gynner vi med det enklest mulige tilfelle — lys som faller på et metallspeil. Da reflekteres det aller meste av det inn­ fallende lys uten tap av detaljer i bildet. Punkter på metalloverflaten som mottar lys med liten intensitet, vil også reflektere lys med liten intensitet, med andre ord synes mørke. Et ark hvitt papir oppfører seg annerledes. For det første er overflaten meget ujevnere og mindre homogen enn metallspeilets. En kan se en mengde sammenfiltrede fibre endog under et vanlig optisk mikroskop. Resultatet er at 3 — Fjernsynets fysikk.

33

foton ene trenger gjennom papiroverflaten, og de kommer ikke fram igjen på samme regulære vis, men blir isteden spredt i alle mulige retninger. Det detaljerte bilde går så­ ledes tapt, skjønt fargene i dette diffust reflekterte lyset all­ tid er de samme som det innfallende lysets. («Re-emisjon» eller gjenutstråling ville kanskje beskrive denne prosess mer presist enn refleksjon, men i denne boken vil vi likevel benytte det vanlige ordet etter å ha klarlagt saken.) Under refleksjon fra et hvitt legeme forandres ikke det relative an­ tall fotoner med forskjellig energi. På bølgespråket sier vi at de forskjellige frekvensers intensitetsdistribusjon forblir uendret. En nøytral, grå overflate reflekterer bare en del av fotonene. Denne brøkdelen er imidlertid den samme for alle frekvenser, slik at intensitetsdistribusjonen igjen forblir uendret. En sort overflate reflekterer ikke fotoner i det hele tatt innen det synlige område. Hva skjer med fotoner som ikke reflekteres? De blir absorbert. Vi får da forsøke å finne ut hvordan absorbsjon virker. La oss anta at det innfallende foton har nøyaktig samme energi som et foretrukket elektronhopp eller kvantesprang i et av overflateatomene. Fotonet vil da bli absorbert ved uelastisk støt og atomet som mottar energien blir eksitert. Dette er det motsatte av emisjonsprosessen i det tilfelle man har et linjespektrum. Hva kommer det da av at det eksiterte atom ikke straks utstråler et foton identisk med det innfallende? Svaret på dette er at selv om et eksitert atoms levetid som tidligere sagt er ytterst kort, io~8 se­ kund, er den likevel svært lang målt med atommålestokk. Det er masser av tid til at andre ting kan skje før atomet bestemmer seg til å emittere. Eksempelvis er atomenes svingetid innen molekylets ramme ofte av størrelsesorden io4'15 sekund. Dette betyr at de vil vibrere fram og tilbake omkring 10 millioner ganger i løpet av et eksitert atoms leve­ tid. Nå har et eksitert atom et elektron ute av sin vanlige stilling, og dette vil automatisk forandre det elektriske felt 34

i nabolaget. Et naboatom kan tiltrekkes eller frastøtes, men vil i alle tilfelle få endret sin svingeamplitude. Akkurat som De må utføre et arbeid, for eksempel et puff, for å få et pen­ del til å svinge voldsommere, utfører det eksiterte atom ar­ beid når det forandrer sine naboers svingninger. Dette be­ tyr energitap for atomet, og denne energien overføres grad­ vis til andre atomer, siver ut i omgivelsene og forbrukes. Når så tiden endelig kommer da det eksiterte atom skal emittere, er den energi som er igjen ekvivalent med et foton av meget lavere frekvens, om da fotonet blir emittert i det hele tatt. Et sort stoff absorberer således så effektivt at det hurtig blir varmt og et symptom på dette er at det gjenutstråler fotoner i det infrarøde området. Hva med fargede stoffer? Disse absorberer fotoner med bestemte, foretrukne energier selektivt. Noen ganger er det grunnmaterialet selv som gjør dette, eksempelvis absor­ berer rent gull hovedsakelig i de høyere energiområder og reflekterer fotoner med lavere energier svarende til gult lys. Gull er derfor gult av farge. Vanligere er det at stoffene er farget på grunn av et lite antall pigmentmolekyler som er til stede, og det er disse som absorberer. Avhengig av de­ taljene i pigmentmolekylenes konstruksjon, vil de tillatte elektronhopp variere i energi, og fotoner med forskjellig energi vil absorberes. På denne måten velger kanskje en skuespillerinne sin kjole i en delikat blåfarge, der pigmen­ tene vesentlig absorberer lavfrekvent energi, mens en annen kanskje foretrekker en henrivende rød kjole som vesentlig absorberer energi av høyere frekvens. Uheldigvis går mesteparten av disse omhyggelig for­ beredte virkninger tapt for seerne i svart/hvitt fjernsyn. Og nå er vi i stand til å forstå hvorfor. Det svart/hvite fjernsynkamera registrerer nemlig bare intensiteten eller lysstyrken i bildets forskjellige deler. Hvis vi dertil gjør den rimelige antagelse at kameraet er like følsomt innenfor hele det synlige frekvensområdet, spiller det ingen rolle hvor i fargespektret absorbsjon finner sted, bare hvor stor absorb35

sjonen er. For seerne og kritikerne kan det godt hende at de to kjolene fremtrer i gråtoner som ikke kan skjelnes fra hverandre. FLUORESCENS — FRA USYNLIG TIL SYNLIG

Nå vil det kanhende synes som vi har fjernet oss utilbør­ lig langt fra den slagne landevei, selv om dette skulle være et kapitel vesentlig om det teoretiske grunnlaget. Men det er nå mulig for oss å konkludere med ytterligere tre vari­ anter av samspillet mellom fotoner og elektroner som har direkte betydning for fjernsynprosessen. Den første av disse er fluorescens, den prosess som frem­ bringer lys på Deres fjernsynskjerm. Denne prosessen kan betraktes som et ganske spesielt tilfelle av refleksjon, der innkommende energi ikke er synlig. Hvis det finnes en fak­ tor som gjør det vanskeligere for energien i et eksitert atom å sive ut, vil sjansene for gjenutstråling av et foton bli større. Tapes likevel noe energi, vil det utstrålte fotons frekvens være lavere enn det innfallendes. Den kan under ingen om­ stendighet bli høyere og vil alltid være kvantisert. Vi vil også vente at prosessen foregår «langsomt», dvs. av stør­ relsesorden io~8 sekund. Alle disse betingelser oppfylles av fluorescens, som de­ fineres som produksjon av synlig lys ved at vedkommende stoff eksponeres eller utsettes for påvirkning av et eller annet usynlig medium — f. eks. fotoner med energi høy­ ere enn i det synlige område, såsom ultrafiolett lys eller røntgenstråler, eller det kan være partikler med tilstrekkelig høy energi. Når en stråle av frie elektroner skytes mot overflatebehandlet glass, får den således overflaten til å fluorescere. Sett fra fjernsynets praktiske side er denne prosessen av sentral betydning, idet den skaffer oss det manglende mel­ lomledd fra den elektriske strøms verden tilbake til lysets verden. I mottakerens billedrør er skjermen dekket med et 36

fluorescerende materiale, og ved å spre en strøm av elek­ troner over skjermen kan vi få dette materialet til å lyse opp. Når elektronstrålen er intens, lyser det kraftig og om­ vendt. Og nå kan vi forstå hvordan et detaljert bilde kan skapes. I svart/hvite fjernsynmottakere lyser det spesielt utvalgte fluorescerende materialet med svak blålig farge. Forskjellige materialer fluorescerer imidlertid med forskjel­ lig farge, og dette har da naturligvis sin betydning for fargefjernsynet.

DEN FOTOELEKTRISKE EFFEKT — FRA LYS TIL ELEKTRISITET

Fluorescens er den prosess som får fri elektroner til å ge­ nerere lysfotoner. Om det nå skulle finnes en motsatt pro­ sess, som kunne frigjøre elektroner ved hjelp av fotoner, ville dette ikke bare avrunde vårt bilde av samspillet mel­ lom fotoner og elektroner på en meget tilfredsstillende måte, men også skaffe oss metoden til å omforme det visu­ elle bilde til et elektrisk i fjernsynkameraet. En slik meka­ nisme eksisterer i virkeligheten, det er den berømte «fotoelektriske effekt» (som for øvrig var emnet for Einsteins første viktige, vitenskapelige publikasjon). Den fotoelektriske effekt består i emisjon av frie elek­ troner, kalt fotoelektroner, fra en metalloverflate når denne bestråles med lys. Dette foregår i alle metaller om enn i varierende grad. Det er klart at for å frigjøre et elektron trengs et visst minimum av energi til arbeid mot de kref­ ter som binder elektronene til de omliggende positive metallioner. Vi kan kalle dette unnslipningsenergien, og det er denne som varierer for de forskjellige metaller. Overskuddsenergi som elektronet kan ha mottatt, vil det beholde som bevegelsesenergi. I den fotoelektriske effekt er fotonet ener­ gikilden. Når vi er bevæpnet med fotonbegrepet er fotoelektrisitetens eksperimentelle fakta ikke vanskelig å fortolke. Hi37

storisk sett var disse fakta i virkeligheten så vanskelig å forklare ved hjelp av bølgeteorien for lys, at det var den fotoelektriske effekt som ledet Einstein til påstanden om fotonets eksistens. Først fant man at bare lys over en viss frekvens for­ årsaket emittering av elektroner i det hele tatt. Vi ser nå at det er slik fordi de innfallende, lavfrekvente fotoner ikke hadde den nødvendige minimumsenergi for frigjøring. Dernest fant man at over denne nedre grense varierte fotoelektronenes energi ikke med lysets intensitet, men med dets frekvens. Det var uten betydning hvor intens lysstrålen som bestrålte metallet var. Elektronenes bevegelses­ energi endret seg ikke. Igjen kan dette forklares om man betrakter lys som en strøm av fotoner, for jo høyere deres energi — dvs. frekvens — er, jo mer vil de gi fra seg til elektronene, siden kvantiseringen gjør energiutvekslingen til en alt-eller-intet prosess. Bare å øke lysets intensitet til­ fører ikke hvert enkelt foton mer energi, og derfor kan dette heller ikke endre fotoelektronets bevegelsesenergi. Hva en slik intensitetsøkning kan gjøre, er å øke antallet innfal­ lende fotoner og derved også antall fotoelektroner. Dette var den tredje eksperimentelle oppdagelsen. Siden frie elek­ troner i bevegelse utgjør en elektrisk strøm, kan vi om­ skrive det siste poenget slik: Størrelsen av den produserte elektriske strøm er proporsjonal med intensiteten av det innfallende lys. Den fotoelektriske cellen — eller kort og godt foto­ cellen — er et eksempel på praktisk bruk av denne kjens­ gjerning. Men den nyttiggjøres også i fjernsynkamera om enn på en mer forfinet måte. Vi skal se i kapitel 4 hvordan dette skjer i detalj, men på det nåværende stadium har vi iallfall prinsippet klart. Ved å fokusere det visuelle bildet på en fotoelektrisk overflate, kan vi frigjøre elektroner i antall som er direkte proporsjonalt med intensiteten i hvert enkelt billedpunkt. Dette vil registrere på elektronisk vis lys og skygge i det bildet vi ønsker å overføre. 38

FRA LYSBØLGER TIL HJERNEBØLGER

Den tredje og siste variant av temaet om samspillet mellom fotoner og elektroner er i virkeligheten et spesialtilfelle av den fotoelektriske effekt. Det gjelder omformingen av lys til nerveimpulser i øyet. Her finner vi en mer komplisert elektron/foton vekselvirkning, hvor kjemien spiller en rolle omtrent som kjemien gjør det i fotograflen. Øyets retina, eller netthinne, er satt sammen av over 100 millioner bitte små sanseceller, de såkalte staver og tapper. Disse er forbundet med de optiske nervefibrene. I sentrum av øyets synsområde er hver tapp forbundet med en indi­ viduell fiber. I det ytre område på øyets netthinne er sta­ vene og tappene forbundet med hver fiber i grupper på hundre eller flere. Det er stavene som reagerer på det sva­ keste lyset, og det er lykkes å isolere det lysfølsomme ma­ terialet som er ansvarlig for dette. Det kalles synspurpuret og ligner de lysfølsomme emulsjoner som brukes i foto­ grafisk fargefilm. Synspurpuret er i motsetning til de fotografiske fargeemulsjoner, i besittelse av en reversibel kjemisk reaksjons­ evne og er derfor i stand til kontinuerlig fornyelse av sin lysfølsomhet. Når lys faller på synspurpuret, forårsaker det kjemiske endringer ved å overføre det ytre elektronet i en type ato­ mer til et annet blant de kjemiske forbindelser i pigmentet. Disse endringer ioniserer da en del atomer, og disse er i stand til å generere og frakte elektriske strømmer omtrent som ionene i elektrolytten i et akkumulatorbatteri. Når så netthinnen stimuleres av lys, genererer dens sanseceller elek­ triske impulser som påvirker de optiske nervefibrer som cellene er forbundet med. Tidsskalaen for slike kjemiske reaksjoner er svært meget større enn for elektronenes kvantesprang som tidligere omtalt i dette kapitel. De elek­ triske impulsers hastighet langs nerven til hjernen er der­ for forholdsvis meget liten — bare 100 meter pr. sekund — 39

sammenlignet med lyshastigheten som er 300 000 000 me­ ter pr. sekund. Denne relative treghet forklarer sansecelle­ nes og nervenes markerte tendens til fortsatt sending av impulser etter at lysstimulansen er fjernet. Denne effekt (sy­ nets etterlysning) er noe vi vanskelig kunne klare oss uten i fjernsynet. La oss nå raskt se tilbake på den anseelige reisen vi har utført i dette kapitlet. Vi har gjort en hel del digresjoner, men vår hovedoppgave hele veien har vært lyset, siden det spiller en så sentral rolle i fjernsynprosessen. Vi begynte med å stille spørsmålet «Hva er lys?». Vi fant at det sam­ men med andre lignende strålingsformer kan beskrives med uttrykk fra to forskjellige vokabularer, nemlig bølgespråket og partikkelspråket. Begge gir ufullstendige, men innbyrdes samstemte og komplementære bilder. Dernest introduserte vi kapitlets hovedtema, vekselvirkningen mel­ lom stråling og stoff, vesentlig en duell mellom fotoner og elektroner. Variasjoner av dette tema forklarer ikke bare lysets utstråling (fra studiolyskasterne), men dets refleksjon (fra overflaten av de gjenstander som skal vises), dets om­ forming til elektrisk strøm (i kamerarørets lysfølsomme del), dets gjendannelse (i det fluorescerende materialet i mottakerens billedrør) og til slutt dets absorbsjon på nett­ hinnen i seerens øyne. Ennå er fjernsynprosessens elektroniske mellomtrinn mørke og mystiske. Det er et antall «sorte bokser» som venter på nærmere undersøkelse, både i de imponerende rader med utstyr i studio og på senderne, og i det kabinett som har fått hedersplassen i stuen. Men først må vi lese elektronenes biografi med samme omhu som vi leste fotonenes. Det er den oppgaven vi nå skal ta fatt på.

3

Elektrisitet

De fleste elektroner lever størstedelen av sitt liv som satel­ litter i baner rundt atomkjernen. Som tyngdekraften binder jorden til vårt solsystem, så bindes elektronene til atomet av elektriske krefter. Vi har imidlertid sett at det er mulig for et elektron å løsrives fra dets foreldreatom og beholde sin uavhengige status i et betydelig tidsrom. Vi snakker om «frie» elektroner. Når frie elektroner beveger seg på ordnet måte, resulterer dette alltid i overføring av negativ elektrisk ladning, dvs. det flyter en elektrisk strøm. I dette kapitlet vil vi hovedsakelig beskjeftige oss med hvordan man passende skal få elektroner til å bevege seg på ordnet måte eller med andre ord: hvordan man frem­ bringer og kontrollerer elektrisk strøm. Vi skal begynne, med å forklare noen få viktige uttrykk og så se på tre for­ skjellige måter strøm kan flyte på, slik det skjer i faste stof­ fer, i gasser og i vakuum. Disse tre elektronstrømtyper er like viktige for fjernsynapparatet som blodomløpet er for legemet. ELEKTRONER, STRØM OG SPENNING

Først: Hvordan skal vi uttrykke en elektronstrøms stør­ relse kvantitativt? Strømstørrelsen er et mål for den hastig­ het elektriske ladninger transporteres forbi et bestemt punkt med. Matematisk skriver man I = Qft, hvor I er symbolet for strøm og Q ladningen som passerer et gitt punkt i tiden 41

t. Den normale enhet er ampere, og når en konstant strøm på en ampere flyter i en ledning, passerer omtrent 6 X io18 elektroner gjennom ledningstverrsnittet hvert sekund. Selv med en så liten strøm som en milliontedels ampere passerer mer enn en billion elektroner hvert sekund. Det er da klart at vi må venne oss til å tenke i store tall når vi har med elektroner å gjøre. Dernest trenger vi et eller annet mål på det som får elek­ troner til å vandre. Denne innflytelse eller påvirkning kaller vi potensialforskjell eller spenning, ofte beskrevet som «elek­ trisk trykk». Det vil lønne seg for oss å forsøke å få en klar forståelse av dette meget viktige begrep. Elektroner beveger seg bare når de utsettes for en ubalansert elektrisk kraft. Vi har allerede benyttet uttrykket «felt» for å be­ skrive hvordan denne kraften varierer fra sted til sted i en gitt situasjon, f. eks. nær overflaten i et metall. Figur 5 er en billedlig fremstilling av et slikt felt. Det hjelper oss til å forutsi hvordan et elektron vil oppføre seg. Hvis elektronet overlates til seg selv, vil det «rulle ned» energibakken mot metalloverflaten. Når det gjør det, vil syste­ mets stillingsenergi avta, f. eks. med størrelsen Ev Om­ vendt: Hvis elektronet skal «løftes» tilbake igjen, trenges energi fra en annen kilde for å øke systemets stillingsenergi like meget, (sammenlign energitrakten i fig. 2). Arbeid må gjøres på systemet. Den elektriske spennings­ forskjell mellom A og B (et uttrykk som nå taler for seg selv) er ganske enkelt definert som det arbeid som må ut­ føres for å bevege en enhetsladning fra A til B. Når det ene av de to punkter, f. eks. B, har null stillings­ energi, blir ordet «forskjell» stilltiende utelatt, og vi refere­ rer ganske enkelt til A’s spenning eller spenningen i punkt A. For at punkt B virkelig skal ha null potensial, måtte det Ugge uendelig langt unna alle elektriske ladninger. Av praktiske grunner blir jorden, elektrisk jord, brukt som referanse, og vi kommer endog leilighetsvis til å finne det passende å referere alle spenninger i en strømkrets til et 42

Fig. 3. Stillingsenergikurven for et elektron utenfor foreldreatomet. Til venstre er en positivt ladd metalloverflate som tiltrekker frie elek­ troner. For å flytte elektronet vekk fra overflaten, fra B til A, må stillingsenergien økes med verdien E1. Arbeidet som utføres når elek­ tronet flyttes er lik den elektriske potensialforskjell, eller «spennings­ forskjellen» som den vanligvis kalles.

eller annet vilkårlig valgt null-punkt, selv om vedkom­ mende punkt har høy spenning i forhold til jorden. Denne potensialforskjell (spenningsfall) er en betingelse i et sy­ stem der elektroner beveger seg. I forbifarten kan vi nå kanskje definere enheten elektronvolt, tidligere introdusert på side 26. Dette er en energieller arbeidsenhet og er lik det arbeid som må utføres for å flytte et elektron gjennom en potensialforskjell på én volt. Enheten er ikke den samme som spenningsenheten volt som man kanskje til å begynne med kunne tro, fordi den ladningsenheten som benyttes for å definere en volt, av hi­ storiske grunner er forskjellig fra og meget større enn et elektron. 43

Strøm inn til motstanden

Strømmen flyter som følge av en spenning tstanden

Motstand

Strøm ut fra motstanden

Fig. 4. En motstand er en innretning som frembyr elektrisk motstand eller friksjon overfor strømgjennomgang. For å få strømmen til å flyte må en spenning påtrykkes motstandens endepunkter. Omvendt, når en strøm tvinges gjennom en motstand utvikles en spenning over dens endepunkter.

Det tredje begrep som skal introduseres, er elektrisk mot­ stand (fig. 4). Denne er et mål for den motstand eller frik­ sjon som mediet yter mot elektronstrømmen. Den er kvan­ titativt definert ved den berømte Ohms lov: strømmen I er lik spenningen V dividert med motstanden R, eller mate­ matisk I = 1Z/R. Vi skal forklare hvor viktig dette er fra vårt synspunkt. Hvis vi lar strøm flyte gjennom en krets som inneholder en dårlig leder, en motstand, finner vi at det oppstår et spenningsfall mellom motstandens endepunkter. Når strømmen varierer, finner vi at spenningsfallet endres proporsjonalt. Dets momentane verdi v kan beregnes ved å omarrangere Ohms lov til v = i'R, der i er strømmens momentanverdi, og da R er konstant, ser vi at v avspeiler i nøyaktig; de to holder følge fra det ene øyeblikk til det neste. Dette er et forhold som er uhyre anvendelig. Et ek­ sempel er omregning av «billedstrømmen» fra fjernsyns­ kameraet til den tilsvarende «billedspenning» som bekvemt kan forsterkes og overføres i ledninger og kabler. Motstandsmekanismen varierer fra stoff til stoff, men i alminnelighet kan vi betrakte den som en slags elektrisk friksjon. Alltid når et elektron med bevegelsesenergi pas­ serer nær et annet ladd legeme, f. eks. et ion, vil det reagere med det og tape energi ved prosessen. Ved de mange gjen44

tagelser av denne prosessen utføres arbeid ved å tvinge elektronene gjennom mediet. Med andre ord: det er et grad­ vis spenningsfall langs den veien elektronene flyter. BORTENFOR OHMS LOV

Bevæpnet med spenningens sverd og motstandens skjold kan vi nå driste oss inn i de faste stoffers verden og betrakte elektronenes hvileløse skjebne. Fra elektrisk synspunkt kan faste stoffer deles i to generelle kategorier — isolatorer som ikke tillater elektronstrømmer gjennom seg og ledere som tillater strømgjennomgang. Her er likevel bare tale om en gradsforskjell. Fra de beste isolatorer (som porselen og gummi) i den ene ytterkant går man via mellomliggende stoffer (som menneskets kroppsvev) til utmerkede ledere (f. eks. metaller) som den andre ytterlighet. Det som gjør et fast stoff til en bedre leder enn et annet, er naturligvis for-

Fig. 5. Når to atskilte atomer nærmer seg hverandre, påvirker deres energitrakter hverandre som vist midt på tegningen. Elektroner som går i baner innenfor det skraverte feltet kan bevege seg fritt mellom atomene, men de kan likevel ikke unnslippe fra det systemet atomene danner tilsammen.

45

skjellen i elektronkonfigurasjonene, men i dette tilfellet er forholdet atskillig mer komplisert enn for et enkelt atom slik vi hørte det i forrige kapitel. Kanskje det vil være best først å undersøke hva som hen­ der når to isolerte atomer nærmer seg hverandre. Ved en bestemt avstand mellom kjernene begynner de to feltene å påvirke hverandre. Figur 5 viser hvordan de individuelle energitraktenes innadvendte vegger til en viss grad brytes ned hvis det skjer en kombinasjon av atomer slik at et molekyl dannes. Elektroner med energinivåer innen det sorte, skraverte området kan nå bevege seg fritt mellom de to atomer, men de kan ikke unnslippe helt fra systemet. Slike elektroner sies å innta molekylarbaner i stedet for atombaner. I et stykke metall har vi ikke bare to, men et enormt antall atomer, som påvirker hverandre gjensidig, og som er sammenbundet i det vi kaller et krystallgitter. Det er omkring 3 x 1023 kobberatomer i et metallstykke på stør­ relse med en to-øre (ca. en halv cm3). Her er da det samme antall energitrakter bundet sammen. Noen av elektronene er frie, og kan bevege seg hvor som helst innen det faste stoffets grenser. De er i virkeligheten ikke lenger bundet til individuelle atomer. Dette er grunnen til at vi kan be­ trakte atomene i et fast stoff som permanent ioniserte og bidragsytende til en pulje ledningselektroner. Ordet «pulje» passer ganske godt, da vi for de fleste elektriske tilfelle kan glemme eksistensen av de enkelte energitrakter med sine bundne elektroner. Energidiagrammet ligner en grunn dam, hvor ledningselektronene kan bevege seg uten hindringer. Naturligvis flyter ikke elektronene oppå metallet i bok­ stavelig forstand. De gjennomtrenger hele stoffet og kolli­ derer stadig med ioner og med hverandre. Når en spenning kobles til mellom motsatte ender av en metalltråd, aksellereres ledningselektronene mot den posi­ tivt ladde ende. Gjentatte ganger forekommer elastiske støt med ioner, som da bremser elektronene. Men mellom 46

1 ampere inn

1 ampere ut

Snitt tilsvarende en to-øres tykkelse (3 • 1023 elektroner tilstede)

i 6 • 1018 elektroner_______ n Vl_______ 6 • 1018 elektroner inn hvert sekund \ // r ut hvert sekund

Elektronenes nettoforskyvning pr. sekund tilsvarer omtrent 2 -----------av to-ørens tykkelse 100000 Fig. 6. En strøm på i ampere flyter gjennom en kobberstang med tverrsnitt omtrent som en to-øre. Skjønt et uhyre antall elektroner passerer et gitt tverrsnitt hvert sekund, er det så mange atomer i sta­ ven at elektronene selv bare flytter seg en brøkdel av en millimeter i samme tidsrom. Ikke desto mindre beveger alle elektronene seg sam­ tidig og strømmen flyter ut av stangen omtrent i samme øyeblikk den flyter inn i motsatt ende.

to kollisjoner aksellereres de igjen. På denne måten foregår en bevegelse av elektroner i tråden, dvs. at en elektrisk strøm flyter. Men det er viktig å innse at strømmen beveger seg svært meget hurtigere i tråden enn elektronene. Elek­ tronenes driftshastighet — deres bevegelse i tråden — er i virkeligheten langsommere enn kald sirups! For å klargjøre dette vil vi utføre en omtrentlig beregning. I figur 6 betrak­ ter vi en strøm på en ampere som går gjennom en kobber­ stang med tverrsnitt omtrent som en to-øre, ca. 3 cm2. Vi har allerede hørt at en to-øre inneholder omtrent 3 x 1023 atomer. Om nå alle disse atomene er ionisert, er det like mange ledningselektroner pr. to-øre. Vi vet også at 6 x io18 elektroner passerer et gitt tverrsnitt av lederen pr. sekund når strømstyrken er en ampere. Hvis vi tenker oss alle elek­ tronene i to-øren bevege seg som én gruppe, må den av­ 47

stand, i forhold til to-ørens tykkelse, som er nødvendig å tilbakelegge for å oppnå tilstrekkelig strømningshastighet, 6 x io18 simpelthen være-------- —= 2 X 10 • 5 eller en femtitusen3 x dedel av tykkelsen. Med andre ord: Nettobevegelse av elek­ tronene i et sekund er mindre enn tykkelsen av det tynneste papir! Og enda kan signaler forplantes med hastighet som nær­ mer seg lysets, dvs. 3 x io8 meter pr. sekund. Hvordan kan man forklare denne uoverensstemmelse? Svaret er at vi nok en gang står overfor en slags bølgebevegelse. Som ved alle bølgebevegelser er bølgens egen hastighet ganske annerledes enn forplantningsmediets bevegelseshastighet. Meget grovt kan vi tenke oss at elektronet beveger seg ned­ over under spenningspåvirkning og puffer bort i naboen som igjen skubber til sin nabo lenger fremme langs tråden osv. Som et rykte kan løpe fortere enn de personer som setter det ut, så forplanter energien seg hurtigere langs trå­ den enn elektronene som formidler den. Det er puffingen som forplanter seg med lyshastighet, eller — når millioner elektroner oppfører seg likt — området der elektronene er tettere sammenpakket enn normalt. Igjen vil det hjelpe om vi uttrykker oss mer konkret. La oss betrakte en spenning som varierer som på figur 7; den slås vekselvis av og på hvert tusendedels sekund. Vi setter denne spenningen på en ledning som er 900 km lang, og undersøker så de elektronforstyrrelser som oppstår. Mot slutten av det første tusendedels sekund, akkurat når spen­ ningen slås av, har forstyrrelsesfronten beveget seg 3 x io8 ----------- meter i 000 eller 300 km, og nådd punkt Px — en tredjedel av hele ledningslengden. Alle elektroner i den første tredjedelen (A) vil ha blitt forstyrret, om enn i varierende grad. Således vil elektronet e ha nådd sin maksimale forskyvning, mens elektronet ex så vidt har begynt å bevege seg. I løpet av 48

Fig. 7. Hvordan elektrisk strøm forplanter seg i en lang ledning (ca. 900 km lengde). En spenning påtrykkes til venstre på ledningen i-----i 000

sekund, avbrytes så —-— sekund og slåes så på igjen det neste-----i 000 i 000 sekund. Ved slutten av første periode (øverst i bildet) har den elektro­ niske forstyrrelsen passert langs seksjon A i ledningen til punkt Px omtrent —av ledningens lengde. I løpet av neste periode (midt på 3 figuren) fortsetter forstyrrelsen langs seksjon B til punkt P2, mens det er ingen forstyrrelse i seksjon A, idet spenningen da er avslått. I løpet av tredje periode (nederst) vandrer en ny forstyrrelse langs seksjon A, og den opprinnelige forstyrrelsen har passert seksjon C og nådd fram til ledningens endepunkt, til høyre.

det neste tusendedels sekund forstyrres trådens midtre tredjedel (B), og mot slutten vil ha fullført sin forskyv­ ning og e2 skal nettopp til å starte. Men ingen elektronbevegelser foregår nå i del A eller C. Den opprinnelige forstyrrelsen vil ennå ikke ha nådd C, og det er i øyeblikket ingen spenning fra kilden som kan påvirke A. I løpet av det tredje tusendedels sekund vil en ny forstyrrelse utgå fra spenningskilden som igjen er slått på, og den vil nå Px som før. Den opprinnelige forstyrrelsen vil passere ledningstykket C og nå ledningens endepunkt. Midtseksjonen vil være uforstyrret. Omtrent slik forplanter strøm seg i en ledning. En vekselspenning er en spenning som først virker i den ene retning og så i den andre. Dette frembringer en veksel­ 4 — Fjernsynets fysikk.

49

strøm der elektronene ikke lenger bidrar til en total for­ flytning i en og samme retning, men i stedet svinger om­ kring en middelverdi. Energi forbrukes likevel for å over­ vinne motstanden i ledningen. Antall vekslinger pr. se­ kund kalles frekvens. Frekvensen på vårt vanlige, elektriske lysnett er 50 perioder pr. sekund, eller 50 Hertz. Frekven­ sen for de strømmer som for eksempel brukes i fjernsynets kanal 11, er omkring 220 Mega-Hertz. Det betyr at elektronstrømmen veksler 220 millioner ganger hvert sekund! Det er bare på grunn av sin ytterst beskjedne masse at elek­ tronene er i stand til å foreta så kompliserte svingninger, og skifte retning med denne nesten ufattelige hurtighet. STRØMMER I GASSER OG VAKUUM

I gasser er situasjonen om mulig enda mer komplisert. Vi har allerede berørt dette i forbindelse med linjespektra (side 31), og det som følger nå er til en viss grad gjen­ tagelse av det som er fortalt der. Ved atmosfæretrykk er alle gasser dårlige ledere. Hvorfor? For det første er ato­ mene eller molekylene i en gass normalt ikke ionisert. Det er derfor ingen frie elektroner til stede, og for å bli frigjort, må de løftes opp i energitraktens fulle høyde, fordi atomene eller molekylene er isolert fra sine naboer. Med mindre vi vil varme opp gassen til ubehagelig høye temperaturer, kan den nødvendige energi bare skaffes ved den fotoelek­ triske effekt, eller ved en spenning mellom to elektroder i gassen. Selv om noen få ioner virkelig produseres, vil de være utsatt for stadige kollisjoner med ikke-ioniserte gassmolekyler, miste energi og heller gjenforenes med foreldreatomene før de når fram til elektrodene. For å få strøm til å flyte lettere gjennom en gass, må vi enten øke det elektriske feltet (som er en funksjon både av spenningen og elektrodenes form og innbyrdes avstand), eller minske antall tilstedeværende gassmolekyler. I første tilfelle vil ionene aksellereres mer mellom hver kollisjon, i annet til­ 50

felle vil selve kollisjonsfrekvensen avta. Så snart en strøm eller utladning har tatt til, vil de positive ioner, som an­ kommer til den negative elektroden eller katoden, drive ut elektroner fra dens overflateatomer. Disse trekkes så mot den positive elektroden eller anoden, sammen med andre elektroner som opprinnelig kommer fra gassatomene. Situa­ sjonen er meget komplisert, og vi er glade for at vi kan fortsette med de enklere forhold vi har i et vakuum eller i et radiorør. I et vakuum er det ingen strømbærer tilgjengelig, siden det ikke finnes noe medium. Alle ladde legemer eller par­ tikler som skal transporteres fra den ene elektroden til den andre, må komme fra elektrodene selv. Vårt kjennskap til atomer lar oss ikke i tvil om at det vil være langt lettere å løsrive et elektron fra en metallelektrode enn et ion. Der­ for fraktes strømmer i vakuum, som i metaller, uteluk­ kende av elektroner. Om vi nå konsentrerer vår oppmerksomhet om over­ flaten av en metallelektrode i et radiorør, finner vi at der er tre måter vi kan overtale et elektron til å forlate sine faElektroner flyter inn her

Elektronemitterende overflate

Anode (positiv)

o o Glødetråd

► °„O --

°o-----

Romladning Oppvarmet katode (negativ)

Elektroner tiltrekkes av anoden

Elektroner flyter ut her

Fig. 8. Strømgjennomgang i et radiorør. Når katoden varmes opp blir en del elektroner energirike nok til å unnslippe fra dens overflate. De danner en sky, eller romladning som hindrer andre elektroner i å løsrives fra katoden. Når en positiv spenning legges på anoden i rørets annen ende, tiltrekkes de frie elek­ troner av den og derved fjernes romladningen delvis slik at flere elek­ troner løsrives fra katoden. Den kontinuerlige vandring av elektroner fra katode til anode utgjør strømmen i røret.

51

Fig. 9. Temperaturens innflytelse på strømmen i et radiorør. Ved temperatur T2 tildeles elektronene i katoden tilstrekkelig energi til at et gitt antall kan unnslippe pr. sekund, representert ved strømmen Iv Anodespenninger større enn V gir ikke større strøm. Ved høyere temperaturer T2 og T3 blir stadig flere elektroner energirike nok til å forlate katoden og strømmen øker til I2 og I3, respektive. Når alle de tilgjengelige elektronene er trukket over til anoden, kan strømmen ikke økes mer ved økning av anodespenningen. Dette fremgår av kurvene.

miliære omgivelsers hygge og sikkerhet, og styrte seg ut på en romreise. Den første er bombardement med fotoner (fotoelektrisk emisjon). Den annen (feltemisjon) er å frem­ bringe et meget sterkt felt nær overflaten, slik at elektronet ikke lenger merker den normale tiltrekningskraft tilbake mot metallegemet. Dette kan gjøres ved å forme elektro­ dene på bestemt måte, f. eks. gjøre dem spisse, slik at de unnslupne elektroner tiltrekkes av så få ioner som mulig, og så tilføre høy positiv spenning på en nærliggende anode. Temmelig høye spenninger trenges for å frigjøre elektro­ ner på denne måten. Den tredje metoden er å varme opp katoden. Ved å øke elektronenes bevegelser og uroe dem på denne måten, 52

oppstår termoelektrisk emisjon, helt uten påvirkning av et ytre elektrisk felt. Prosessen er analog med fordampning av molekyler fra en væskeoverflate. I mangel av et ytre elektrisk felt samles hurtig en sky av elektroner tett om­ kring katodeoverflaten. Denne elektronskyens felles fra­ støtende negative ladning kalles en romladning, og forhind­ rer flere elektroner i å «koke over». Situasjonen ligner me­ get på den dynamiske likevekt som er til stede mellom molekylene over og under en væskeoverflate. Bare når en spenning gjør anoden positiv i forhold til katoden, vil romladningselektronene feies over mot anoden og dermed til­ lates en kontinuerlig unnslipningsprosess (figur 8). En ty­ pisk sammenheng mellom elektronstrøm og anodespenning er vist på figur 9. Det må bemerkes at termoelektrisk emisjon bare kan gi likestrøm, altså strøm som ikke veksler retning. Hvis vekselspenning påtrykkes røret, vil den oppvarmede elektro­ den emittere elektroner i de tidsintervall den er negativ, katode. Når den andre elektroden blir katode, vil ingen emisjon kunne foregå, da elektroden er kald, og derfor kan ikke elektronstrømmen reverseres. STRØMMER OG MAGNETISME

Vi har nå fullført vår oversikt over strømmer i de tre forskjellige medier, og vi vil avslutte disse forberedelser med å berøre den elektriske strøms to viktigste virkninger, nemlig varme og magnetisme. På grunn av mediets elektriske motstand, vil energi for­ brukes i form av varme. Vi har sett hvordan et elektron vil forandre feltet som omgir et atom eller ion, når elektronet passerer forbi. I det viktigste tilfellet — ved faste stoffer — forandres atomets eller ionets vibrasjon. Prosessen fører til forbruk av energi, og det faste stoff blir dermed varmet opp. Den viktigste praktiske bruk av strømmens varmevirkning for fjernsynformål, er oppvarming av glødetrå-

Fig. io. Det magnetiske felt som frembringes av elektrisk strøm i en ledning, kan påvises ved utslag på en kompassnål i nærheten.

dene i de mange nødvendige radiorør (men la oss ikke glemme de varme glødetrådene i studiobelysningenl). Strømmens magnetiske virkning er noe vårt utrenede instinkt har vanskeligere for å gripe tak i. De faktiske for­ hold er i korthet følgende: Når en konstant likestrøm flyter i en ledning, vil en nærliggende kompassnål slå ut (som vist på figur io). Dette må bety at en kraft virker på kom­ passnålens to poler. Denne kraften er av magnetisk natur. På samme måte som vi har introdusert idéen om et tyngde­ felt og et elektrisk felt, kan vi også tegne inn de magnetiske krefters intensitet og retning omkring en ledning i form av et magnetisk felt. Dette er vist på figur n, som illustrerer en viktig ting: Kraften i et gitt punkt P står loddrett på strøm­ mens retning. Vi vil ofte måtte bruke denne kjensgjerning, og vi kaller den av praktiske grunner lov nr. i. Hvis en ladning i bevegelse påvirker en nærliggende magnetpol, vil da også det motsatte gjelde? Vårt instink­ tive ønske om symmetri i naturen fremtvinger dette spørs­ mål, som har mye for seg. Det var Michael Faraday som i 1822 først bekreftet at det forholdt seg slik. Han viste at en magnet faktisk påvirker ladninger i bevegelse i nær54

Magnetiske kraftlinjer

Fig. ii. Et magnetfelts nærvær er representert ved kraftlinjer. Kraf­ tens retning står alltid 90° på retningen til den strøm som er årsak til magnetfeltet.

heten. Magneten vil i virkeligheten få hele tråden som strømmen flyter i til å bevege seg. La oss kalle dette lov nr. 2. De kan selv prøve den virkning en magnet har på en stråle av fri elektroner ved å holde magneten i nærheten av Deres fjernsynmottakers billedskjerm. Når vi nå har sett den felles påvirkning mellom en mag­ net og en strømleder, er det naturlig å spørre hva som skjer når en magnet bringes i nærheten av en leder som ikke er strømførende. Svaret er at ingenting skjer. Det spiller ingen rolle hvor nær magneten er, heller ikke om lederen vikles flere ganger rundt magneten. Straks magneten beveges i nær­ heten av en sluttet strømkrets, vil imidlertid en strøm bh indusert i lederen. Dette er lov nr. 3. Strømmen fortsetter å flyte så lenge magneten og lederen er i bevegelse i forhold til hverandre. Jo hurtigere den relative bevegelse er, jo større blir den induserte strøm. Siden vi nå har oppdaget at en strøm alltid «går omkring med» sitt eget magnetfelt, kan vi benytte en annen strøm­ førende leder til å reprodusere det felt som opprinnelig stammet fra magneten. Hele situasjonen er sammenfattet på enkleste måte i figur 12. Når det i lederen P flyter en konstant såkalt primærstrøm, genereres et magnetisk felt 55

Ledning P (transforma­ torens primærvikling)

Ledning S (transforma­ torens sekundærvikling)

Fig. i2. Indusert elektrisk strøm. En konstant strøm i primærviklingen induserer bare strøm i sekundærviklingen når de to viklinger beveges i forhold til hverandre. Dette prinsipp benyttes i en elektrisk generator. Er de to viklingene stasjonære som i en trans­ formator, induseres bare en sekundærstrøm når primærstrømmen vari­ erer. Derfor virker transformatorer bare for vekselstrøm og ikke like­ strøm.

(lov nr. i). Om nå lederen P beveges i nærheten av lederen S, vil S utsettes for et varierende magnetfelt, og dette indu­ serer en såkalt sekundærstrøm i S (lov nr. 3). Om de to ledere holdes i ro i forhold til hverandre, kan det samme varierende magnetfeltet genereres ved å sende vekselstrøm i P i stedet 56

for likestrøm. Produksjon av elektrisk strøm i en leder ved hjelp av strøm i en annen kalles gjensidig induksjon. Til slutt kan vi finne den induserte sekundærstrøms ret­ ning ved hjelp av en lov oppdaget av den tyske fysiker H. F. E. Lenz (1804-65). Sekundærstrømmen kan, som en­ hver annen strøm, utføre arbeid.. Derfor må arbeid utføres for å indusere den. Denne arbeidsbyrde må bæres av de krefter som induserte sekundærstrømmen, og følgelig må den induserte strøms retning være slik at dens magnetfelt vil hindre og vanskeliggjøre den virksomhet som produ­ serte strømmen. Dette er lov nr. 4, og vi skal benytte den i forbindelse med et annet viktig tilfelle av induksjon i slut­ ten av dette kapitel. Dette var de eksperimentelle kjensgjerninger om magnet­ isme forårsaket av elektrisk strøm. Vi kan sammenfatte dem ved hjelp av elektronene igjen. Et magnetfelt oppstår all­ tid* når elektroner beveger seg på ordnet måte. Det kan enten være i en kontinuerlig strøm i en metallstav eller gjen­ nom et vakuum — en materiell leders nærvær eller ikke er uten betydning — eller når elektronene sirkler rundt i en spole av elektrisk ledning eller i sine baner rundt atom­ kjernen. I alle tilfelle oppstår den samme magnetiske virk­ ning. En jernstangs magnetiske egenskaper er i realiteten bare summen av de enkelte jernatomers egenskaper. I mag­ netisert jern er de fleste elektronbaner blitt orientert i samme retning, slik at deres virkninger forsterker hver­ andre. Magnetisme er Uke viktig enten vår målestokk er det enkelte atom, eller hele vår jord. STYRING AV ELEKTRONER

La oss nå se hvordan noe av det vi har lært om elektroner kan brukes i praksis. Det er et antall grunnleggende opera­ sjoner vi må være i stand til å utføre før vi kan smi det manglende mellomledd i fjernsynkjeden. Først må vi kunne fokusere og styre en elektronstråle. Vi har allerede antydet 57

hvordan denne strålen blir brukt til å male et fluorescerende bilde på ^ernsynskjermen, og vi vil også trenge en lig­ nende stråle i kameraets billedrør for å «avlese» informa­ sjonen i det elektroniske bildet (side 38). Så føres denne elektriske informasjon fra kameraet i form av en strøm, hvis intensitet varierer sporadisk. Topper representerer lyssterke billedpunkter, og daler lyssvake. Vi må kunne for­ sterke denne såkalte billedsignalstrømmen for å beskytte dens fine detaljer fra farer som stadig truer med å ødelegge den. Vi må i virkeligheten forsterke signalet gjentatte gan­ ger. Forsterkning betyr multiplikasjon av elektronstrømmen uten å forandre det grunnleggende mønsteret. Uten forsterkning ville hverken lydradio eller fjernsyn være mu­ lig. Dernest, siden det er umulig å kringkaste det forster­ kede billedsignal alene (av grunner som forklares senere), trenger vi en såkalt bærebølge, på hvis rygg billedsignalet vil bli lastet. Denne «bæreren» er simpelthen en meget høy­ frekvent vekselstrøm, men vi må vite hvordan man ge­ nererer en slik bærebølge og hvorledes billedsignalet kan preges inn på den. Denne prosessen, modulasjonen introdu­ sert i kapitel 1, kan sammenlignes med å skrive et brev på et blankt ark før det sendes i posten. Til slutt har vi på mottakersiden to problemer til å løse, nemlig avstemning som sørger for at brevet blir levert til riktig adresse, og deteksjon eller lesning av de ord som er skrevet på arket. Det siste er det motsatte av modulasjon og består i å løs­ gjøre billedsignalet fra bærebølgen. Vi kommer ikke til å klare å løse alle disse problemene i dette forberedende kapitlet. Spesielt vil modulasjon og de­ teksjon (eller demodulasjon) utstå til kapitel 5. Men de øvrige problemer kan vi forsøke oss på i lys av den kunn­ skap vi har ervervet oss hittil. For det første — hvordan kan vi fokusere og styre en elektronstråle i et lufttomt rør? Det er klart at vi trenger en ekvivalent til det linsesystem som brukes f. eks. til å fokusere lysstrømmen i et optisk instrument. Glasslinser 58

Fig. 13. Magnetismens anvendelse i et billedrør. En elektronstråle laget i en elektronkanon sendes gjennom et magnetfelt frembragt av magnetspoler på hver side av rørhalsen. Elektronene tvinges derved til å bevege seg vinkelrett på kraftlinjene, og strålen avbøyes tvers over billedskjermen og tegner derved en linje i bildet.

er naturligvis ikke brukbare, like lite som ethvert annet fast stoff som bare vil holde igjen eller spre elektronene med det vanlige resultat, varme og fluorescens. Vi kan imidlertid benytte magnetiske linser i en elektronkanon (figur 13). Dernest må vi styre strålen. Omkring halsen på det lufttomme røret — det kan f. eks. være mottakerens billed­ rør — anbringer vi en todelt elektrisk spole, en over og en under (også vist på figur 13). Om nå strøm sendes gjennom spolen, genereres et magnetfelt langs dens akse, dvs. tvers gjennom rørhalsen (lov nr. 1, side 54). En elektronstråle som passerer halsen på vei til billedskjermen, vil oppføre seg som en elektrisk strøm som skjærer tvers gjennom de magnetiske kraftlinjer og vil derfor avbøyes (lov nr. 2). Avbøyningens retning viser seg ikke bare å stå loddrett på magnetfeltet, men også på elektronenes bevegelsesretning. Med andre ord: Strålen vil feies til siden, og avbøyningen avhenger av størrelsen på den strøm som sendes gjennom avbøyningspolene. Om vi nå arrangerer et lignende spolepar loddrett på det første, kan vi også avbøye elektronene opp og ned. Ved passende justering av de to spolestrømmene kan vi kombinere sideveis- med opp-og-ned-avbøy59

ning, slik at elektronstrålen treffer hvilket som helst ønsket punkt på billedskjermen, omtrent som man angir et vil­ kårlig valgt punkt i et todimensjonalt koordinatsystem ved å oppgi x- og y-koordinatene. Det får være nok om prin­ sippet bak vårt første problem, men vi blir nødt til å disku­ tere billedavsøkingens finere detaljer i neste kapitel. FORSTERKNING AV STRØMMER

Så til det neste problemet — hvordan forsterker vi billedstrømmen (eller enhver annen varierende strøm for den saks skyld)? Her benytter vi igjen et lufttomt rør, men rø­ rets geometri eller form er annerledes. Vi kaller dette røret et radiorør, skjønt dette naturligvis ikke influerer på hoved­ prinsippene i dets virkemåte. Som vist på figur 14 er katoden nå plasert i sentrum. Den består av en hul metallsylinder. Dens ytre overflate er dekket med et belegg av barium- og strontiumoksyder, som emitterer elektroner særlig godt. Katoden blir indirekte oppvarmet av en glødende wolframtråd som ligger inne i sylinderen. Glødetråden er elektrisk, men ikke termisk isolert fra katoden ved hjelp av en kera­ misk strømpe. Anoden er også sylindrisk og omgir katoden og blir som vanlig holdt på et positivt potensial i forhold til katoden. Vi kaller denne spenningsforskjellen for anodespenningen. Rørets hovedkomponent, som forsterkningen avhenger av, er en tynn tråd plasert i spiralform (som vist på figuren) mellom den indre og ytre sylinder, altså i rommet mellom katoden og anoden. Denne spiralen kalles ofte et gitter, og det blir også holdt på en spenning forskjellig fra katodens. Hensikten med spiralen er å påvirke elektronstrømmen som passerer gjennom den fra katoden til anoden. Siden spiraltrådenes diameter er liten i forhold til avstan­ den mellom dem, utgjør gitteret som helhet et beskjedent hinder for elektronstrømmen. Dette kan vises ved å koble fra gitterbatteriet. Elektronstrømmen kan hindres eller på60

Forsterket spenning fremkommer her

Spenning som skal forsterkes tilkobles her

Fig. 14. De viktigste elementer i et radiorør. Batteri 1 gjør den ytre sylinder positiv og de negativt ladde elektroner som er frigjort fra den indre sylinders overflate, strømmer til den ytre sylinder. For å nå dit må de passere gjennom gitteret, en spiral av tynn tråd viklet omkring den indre sylinderen. Batteri 2 gjør gitteret negativt og noen av elektronene som ellers ville nådd anoden, støtes tilbake. Hvis vi nå påtrykker en varierende spenning mellom gitteret og katoden, oppstår en forsterket utgave av denne spenningen mellom indre og ytre sylinder, altså mellom katode og anode. Siksaklinjene er symboler for motstander (se fig. 4). Denne fundamentale forsterkervirkningen er nøkkelfunksjonen for hele den elektroniske vitenskap.

skyndes ved hjelp av endringer i gitterspenningen. Om git­ teret f. eks. gjøres negativt i forhold til katoden, er det klart at det vil frastøte elektronene og forsøke å drive dem til­ bake. Omvendt vil et positivt ladd gitter nærmest påskynde elektronstrømmen ved å feie elektronene vekk fra om­ rådene omkring katodens overflate og over mot anoden. Men da gitteret er meget nærmere katoden enn anoden, vil virkningen av dets ladning være forholdsvis sterkere. Med andre ord, en gitt endring i gitterspenningen vil ha en me­ get større virkning på elektronstrømmen enn en lignende 61

endring av anodespenningen. Spesielt hvis anodespenningen holdes konstant, vil elektronstrømmen nøyaktig av­ bilde enhver forandring i gitterspenningen. Et slikt radio­ rør kalles en triode fordi det har tre elektroder. La oss nå ta billedstrømmen som kommer fra kameraet og sende den gjennom en motstand. Ifølge Ohms lov pro­ duseres da en spenningsforskjell mellom motstandens ende­ punkter, og denne kommer da i stedet for gitterbatteriet. Spenningen vil dessuten presist følge billedstrømmens varia­ sjoner, og vi kan derfor kalle den billedspenningen. Om nå denne påtrykkes mellom katoden og gitteret i trioden, blir den resulterende strøm gjennom røret igjen en eksakt etter­ ligning av billedstrømmen. Har vi da bare laget en uinteres­ sant kopi av originalen? Nei, fordi strømmen gjennom rø­ ret — om enn modifisert av billedspenningen — i første omgang stammer fra anodespenningskilden, og den kan økes og dermed produsere en strøm som er meget større enn den opprinnelige billedstrøm. Vi har således multipli­ sert elektronstrømmen mens dens hovedmønster er be­ holdt. Vi har med andre ord forsterket den. Nok en gang er det bare fordi elektronet har så liten masse at trioden med nesten utrolig hastighet trofast kan følge alle signalstyrkevariasjonene som foregår. Den kan lett greie hundre millioner forandringer i sekundet.

EN ELEKTRONISK PENDEL

Vi forlater nå forsterkingspørsmålet. Vårt tredje problem var å generere den høyfrekvente vekselstrøm som trenges for å produsere radiobølger. Heldigvis er vår generator allerede for hånden — nemlig trioden! La oss imidlertid først se litt nærmere på elektriske svingningers natur, og introdusere forestillingen om at en gitt strømkrets kanskje har en «na­ turlig frekvens» omtrent som en pendel har. For å gjøre det, må vi begynne med den meget enkle krets (vist på fi­ gur 15) som består av en kondensator C, en spole L og en 62

Elektronstrøm

Elektronene samles her Kondensator - to sett metaliplater bladet i hverandre

Tap av elektroner gjør denne platen positivt ladd Strøm Fig. 15. Når en spole og kondensator kobles sammen med en bryter S, oppstår en vekselstrøm, idet elektronene flyter gjennom spolen vek­ selvis fra det ene kondensator-platesett til det andre. Vekselstrømmens frekvens bestemmes av spolens induktivitet L og kondensatorens ka­ pasitet C; det er den frekvens ved hvilken de to reaktanser er like store.

bryter S. En typisk kondensator består av to sett ledende, parallelle plater adskilt av et isolasjonslag, enten luft eller et passende fast stoff. Elektroner kan her ikke strømme fra et platesett til et annet. Det første man skal notere seg er der­ for at likestrøm ikke kan flyte gjennom en slik kondensator selv om en passende spenning er til stede, fordi kretsen er brutt i det isolerende mellomlegg. Elektroner ville bare samle seg på det ene kondensatorplatesettet inntil deres negative ladning var blitt så stor at den frastøtte de øvrige elektroner som nærmet seg, og det omvendte ville skje på det andre platesettet. Den maksimale ladning Q som på denne måten kan opptas av en kondensator, avhenger både av ladespenningen V og av kondensatorens såkalte kapasitet C. Matematisk er Q = CV, og dette er ligningen for kapa­ siteten. Men om en likestrøm ikke kan flyte, så kan vekselstrøm. Det er intet til hinder for at elektroner kan samles og der­ etter spres igjen på hvert platesett etter hverandre. Virk­ ningen av en slik forflytning vil bli at elektronene i forbindelsesledningene og i spolen farer fram og tilbake i stadig forsøk på å komme først. En slik prosess ville være en 63

elektrisk svingning (eller oscillasjon) og ville foregå hvis vi startet med fulladet kondensator og så slo på bryteren S. Der er naturligvis visse faktorer som forsøker å hindre slik hektisk sosial aktivitet. Vi skal behandle dem i tur og orden. Først er det motstanden i kretsen. Skjønt det ikke er vist noen egen motstand på figuren, har både ledningene og spolen en bestemt motstand. Vi har nettopp sett (på side 6z) at spenningen over hvilken som helst del av denne motstanden holder presist følge med strømvariasjonene, ifølge Ohms lov. For øyeblikket kan vi imidlertid se bort fra kretsmotstanden og bare notere oss at arbeid må utføres for å overvinne den, og den tilsvarende energi forbrukes som varme. Dette virker dempende på svingningene (fi­ gur 16) med mindre ny energi tilføres kretsen utenfra for å holde dem i gang. Kondensatoren er nummer to. Så rart det enn kan synes byr denne også motstand mot en oscillerende strøm. Dette kan uttrykkes med en størrelse kjent som kapasitiv reaktans XC) som inntar en plass analogt med motstanden i en lig­ ning som svarer til Ohms lov. Således er V = X?I> der V er spenningsfallet over kondensatoren og I er strømmen. Det kan bevises at Xr =------- — eller med andre ord: For z- fC en gitt kondensator er reaktansen omvendt proporsjonal med strømmens svingningsfrekvens. En kondensator byr større motstand mot lavere frekvenser enn mot høyere. Spolen er så nummer tre. Vi har allerede diskutert feno­ menet gjensidig induksjon mellom to spoler— hvordan en varierende strøm i den ene (via dens varierende magnet­ felt) produserer en varierende spenning i den andre. Her­ fra er det et kort trinn til forståelsen av selvinduksjon. Primærspolens magnetfelt skjærer ikke bare tvers igjennom sekundærspolen, men også primærspolen selv. En vari­ erende spenning blir således produsert i primærspolen så vel som i sekundærspolen — ja, den produseres selv om der 64

i

milliontedels meter

1

Plansje II. Det synlige spektrum (A), med frekvenser og bølgelengder for de forskjellige farger. Når lys sendes gjennom et stoff som f. eks. glass, avtar forplantningshastigheten. Dets frekvens forblir den samme, mens bølgelengden avtar proporsjonalt med hastighetsendringen. Kurven (B) viser at vshastiøhetcn c i virkeligheten er antall bøløelen øder som Ivset bevexrer seø i_ett «rkiinrl dve

Bolgelengde

Linje fra bildet (markert med den hvite linjen)

lledstrøm

g

Øye Neserygg Ansikt \ ' Kinnben __ prfM "f

\ Po]r]ej- '

I

Mørke ,

. . i teppet

/ \v

/

Hår

Hodeskygge på veggen ~

C. Utflyting

D. Oversving

Tid

E. Støy

ansje III. Et typisk fjernsynbilde (A) med en linje fjernet. B viser denne ijen og den tilhørende videokurveform. n del av kurven som representerer modellens ansikt er gjentatt i C, D og for å antyde forvrengningstypene utflyting, oversving og støy.

I

Plansje IV. Når radiobølgene forlater senderantennen og brer seg utover i rommet, danner den utstrålte energien i ethvert øyeblikk en bølgefront som kan sammenlignes med overflaten i en stadig voksende såpeboble. Bølgen blir hurtig svakere under reisen, idet energien spres ut over et stadig større areal.

Strøm

Tid

Fig. 16. Når bryteren S på fig. 15 lukkes, forårsaker den oppsamlede ladning på kondensatoren en kraftig vekselstrøm. Men ved hver svingning tapes energi i form av varme når strømmen flyter gjennom de motstander som finnes i spolen, i sammenkoblingsledningene og i kondensatoren. Derfor avtar svingningenes størrelse jevnt som vist på figuren.

ikke finnes noen sekundærspole. Dessuten — siden den induserte spenning alltid virker mot de krefter som er år­ sak til induksjonen (lov nr. 4, side 57), vil den forsøke å motarbeide den spenning som driver strøm gjennom spo­ len. Dette er grunnen til at en spole forsøker å hindre en oscillerende strøm i å passere selv når vi ser bort fra dens motstand. Denne tilleggsmotstand kalles induktiv reaktans, XL. Igjen er V = og denne gang kan det bevises at XL — att fL, der L er en konstant for spolen sammenlign­ bar med en kondensators kapasitet. For en gitt spole er reaktansen direkte proporsjonal med strømmens svingningsfrekvens. En spole byr større motstand overfor en høyere frekvens enn en lav. 5 — Fjernsynets fysikk.

65

Av dette fremgår at spolens og kondensatorens reaktanser arbeider mot hverandre — den ene øker med fre­ kvensen og den andre avtar. Men de er i opposisjon på fler enn en måte. Det viser seg også at det er en forskjell i det som kalles fase. Dette er ikke så alarmerende som det høres ut. Figur 17 viser en grafisk fremstilling av den vanligste form for strømsvingninger, den såkalte sinusbølge. Både spolen og kondensatoren motsetter seg en slik strøm ved å generere en motspenning hvis ligninger vi nettopp har sett. Bortsett fra deres rent numeriske verdier kan det vises at spenningen over f. eks. kondensatoren ligger en kvart peri­ ode etter strømmen. Som en dårlig elev i en skiklasse snur den alltid et annet sted enn instruktøren. Om vi betrakter et vilkårlig tidspunkt i en periode, er det ikke vanskelig å se hvorfor det er slik. I figur 17 A for eksempel er strøm­ men null og nettopp i ferd med å snu retning i samme øye­ blikk som kondensatoren er blitt fullt oppladet, og spen­ ningen har sin maksimumsverdi. Strømmen er maksimal nettopp idet ladningene på kondensatorplatene har utjevnet seg og spenningen er null. Forholdet med spolen er akkurat omvendt. Her vil den selvinduserte spenning komme foran strømmen med en lignende verdi (figur 17 B). Om vi kombinerer de to dia­ grammene, ser vi at de to spenninger fra kondensator og spole motvirker hverandre i egentlig forstand — ja, de opphever hverandre faktisk nøyaktig når de er like i stør­ relse. Under disse forhold er det intet i kretsen som mot­ setter seg strømmens svingninger (bortsett fra likestrømsmotstanden). Når er så disse størrelser like?

Xc=----27C

fC I

— air fL. Derfor vil Xc og X£ være I

like når ----- —— = 2.71 f L eller når f — 2.T. fC 2I en gitt krets vil strømmen derfor forsøke å svinge med denne frekvens, kretsens såkalte naturlige frekvens eller resonansfrekvens. Denne svarer helt til en pendels naturlige 66

A. Kondensator

B. Spole

Fig. 17. Når vekselstrømmene og vekselspenningene avbildes grafisk som funksjon av tiden, antar de en kurveform som kalles en sinussvingning. Strømmen gjennom en kondensator er alltid i utakt (ikke i fase) med spenningen over kondensatoren, siden strømmen er null når kondensatoren er helt oppladd, og strømmen er maksimal akkurat idet begge platesettene har samme ladning (null spenning). Den selvinduserte spenning i spolen som vist nederst på tegningen, er maksi­ mal når strømendringen foregår hurtigst, dvs. idet strømmen går gjen­ nom null. Strømmen og spenningen er altså ikke i fase i dette tilfelle heller. Den relative tidsforskyvning av strøm og spenning er imidler­ tid den motsatte sammenlignet med hva den er for kondensatoren.

svingeperiode, og matematikere vil legge merke til at endog svingningsligningene er analoge. På grunn av bl. a. luftmotstand vil en pendel litt etter litt stanse sine svingninger, med mindre det gis regelmes­ 67

sige puff fra en ytre kilde. På lignende måte vil motstanden i strømkretsen dempe de elektriske svingningene, med mindre energi tilføres utenfra for å oppveie den som tapes. Men nettopp som det å skyve til pendelen på galt tidspunkt vil drepe svingningen, så vil de elektriske svingningene best holdes vedlike ved å tilføre energi av samme frekvens som — eller nær — kretsens naturlige frekvens. Bare da vil kretsen være i resonans. La oss nå gå tilbake til problemet med produksjon av vekselstrøm med den frekvens vi måtte ønske. Vi må da konstruere en krets som har denne som sin naturlige fre­ kvens, og så tilføre energi fra en passende kilde. Denne kilden kan som tidligere nevnt være en triode. I figur 18 kan vi få en varierende strøm til å flyte gjennom røret ved å variere spenningen på gitteret. La oss kalle denne spen­ ningen inngangssignalet. Vi kan også trekke ut av kretsen en varierende spenning ved å bruke en sekundærspole eller transformator T, som vi kaller utgangen. Utgangsspenningen kan være stor eller liten, avhengig av antall viklinger på sekundærspolen, men dens frekvens er alltid lik hovedkretsens. Det eneste problemet er hvordan vi kan være sikre på at inngangssignalet og utgangsspenningen har samme frekvens. Hvorfor ikke «mate» utgangssignalet tilbake til inngangen? Det ville automatisk løse problemet. I praksis har vi en opptransformering av spenningen, og bare en liten del av utgangssignalet behøver å føres til­ bake. Resten er da tilgjengelig som netto utgangssignal. Det er ikke en gang nødvendig med energi utenfra for å starte oscillatoren, siden enhver plutselig forandring av strømkretsens elektriske konstanter eller slutning av batteribryteren vil frembringe en spenningsimpuls som hurtig bygger opp en konstant svingning. Kretser av denne type kan konstrueres (i forskjellig fysikalsk form) for frekven­ ser opp til i ooo MHz og med effekter på mange tusen watt. Men bruken av svingekretsen er ikke uttømt med dette ene eksemplet. Det er bare begynnelsen. En slik krets er 68

Strømmen i den øvre spolen frembringer en spenning over dem nedre

Fig. 18. Produksjon av vekselstrøm ved hjelp av radiorør. Batteriene i og 2 har samme oppgave som i fig. 14. En vekselspenning over den nedre spolen i transformatoren forsterkes av røret og fremkommer som en forsterket strøm i den øvre spolen. Denne strømmen induserer så i den nedre spolen en spenning som virker i samme retning som (er i fase med) den opprinnelige og forsterker således denne, og pro­ sessen gjentar seg i denne strømkretsen omtrent som en hund som biter seg selv i halen. Ved å endre antall viklinger i transformatorspolene eller størrelsen av kondensatorene, kan vi generere veksel­ strøm av hvilken som helst frekvens, opp til hundrer av millioner perioder pr. sekund. Den vekselstrømseffekt som genereres i kretsen, er tilgjengelig over tilkoblingsklemmene for den tredje spolen.

selve grunnlaget for avstemning. Vi har nettopp betraktet en prosess der vi med hensikt matet inn i kretsen en enkelt frekvens, nemlig den kretsen var konstruert for. Dette er den mest effektive måte å produsere svingninger på, men den er ikke den eneste. Hvis vi tilfører kretsen en hel del forskjellige frekvenser samtidig, vil den velge den frekvens som kan gi resonans, og den skjelner frekvensene like godt som en gourmet velger retter fra et bugnende koldt69

Mottakerantenne

Den strøm som slipper gjennom > til mottakerens øvrige kretser, skriver seg fra den stasjon som sender på frekvensen

♦ Justerbar spole (induktivitet L)

2itl

LC

Justerbar kondensator (kapasitet C)

Fig. 19. Avstemning av en mottaker. Vekselstrømmer flyter fram og tilbake mellom antennen og primærspolen P. På grunn av transformatorvirkningen induseres lignende strømmer i sekundærspolen S. Tvers over S er kondensatoren C an­ brakt. Ved å justere kondensatoren eller spolen, kan vi endre deres reaktanser inntil de er like for den ønskede stasjons frekvens. Spolen og kondensatoren danner da en resonanskrets og strømmen er maksi­ mal ved denne frekvensen. Andre stasjoner på andre frekvenser har relativt liten virkning, slik at kretsen «velger» den ønskede stasjon og «avviser» de andre.

bord. Arrangementet på figur 19 viser hvordan energi ma­ tes inn i avstemningskretsens sekundærspole S ved gjen­ sidig induksjon fra antennestrømmen som flyter i primærspolen P. Ved å forandre enten spolen eller kondensatoren kan vi justere kretsens resonansfrekvens slik at den faller sammen med frekvensen for den radiobølge vi søker. I dette kapitlet har vi lært å kjenne ledningselektronene, hvordan de presses av elektrisk trykk eller spenning til å bevege seg på ordnet måte sammen med naboelektronene, og blir til elektrisk strøm. Vi vet hvordan strøm som flyter i en elektrisk motstand forårsaker oppvarming av mot­ standen, og hvorledes den produserer — over motstandens endepunkter — en spenning som holder nøyaktig følge med enhver forandring i strømmen. Vi vet at elektrisk strøm i virkeligheten er en handling med motto: «Puff til naboen» eller «la ansvaret gå videre!», og at elektronene selv beveger seg betraktelig langsommere enn sirup i ja­ nuar. Vi har gjenoppdaget den spennende forbindelse mel70

lom elektrisk strøm og magnetisme og har lært våre fire lover. Dette grunnleggende fysikalske verktøy blir naturligvis brukt i alle grener av den elektro-tekniske vitenskap. Her har vi sett verktøyet brukt til å forme og styre elektronstråler, forsterke signalstrømmer, generere vekselstrømmer og til å avstemme eller velge ut en frekvens blant mange. Og nå er vi endelig klar til å komme tilbake til denne boks hovedemne — hvilken rolle den grunnleggende fysikk spiller for fjernsynet. Vi kan så i neste kapitel vende oss mot de grunnleggende funksjoner i fjernsynkameraet og billedrøret, hvor lys (kapitel 2) kodes til elektrisitet (kapitel 3) og elektrisitet dekodes til lys igjen.

4

Fra lys til elektrisitet og omvendt

Et enestående trekk ved fjernsynet er den praktisk talt momentane omforming av et komplisert visuelt bilde til en varierende elektrisk strøm og omvendt. Bortsett fra disse to trinn er resten av overføringsprosessen meget lik (og like merkverdig som) gammel god lydradio. Det er disse terminaltrinn vi skal se mer detaljert på i dette kapitlet. Kanskje er det så selvfølgelig at det ikke engang behøver nevnes at to elektriske strømmer blander seg når de sen­ des i samme ledning, omtrent som to væsker som helles i samme flaske. Alle elektroner er identiske, slik at to likestrømmer på 10 og 5 ampere vil utgjøre en strøm på 15 ampere når de flyter sammen i en ledning. Når vi betrakter strømmer som ikke er konstante, finner vi at utbrudd eller impulser av elektroner adderer seg på lignende måte. Av denne grunn er det umulig å overføre alle detaljene i bil­ det samtidig. Selv om vi har en innretning som omformer enhver liten individuell billeddel til en strømpuls hvis stør­ relse svarer til den respektive lysstyrke, ville disse impul­ sene blandes til én stor puls hvis vi sendte alle sammen i en enkelt ledning samtidig. Pulsens størrelse ville da bli proporsjonal med den lysmengde som faller på bildet som helhet. Naturligvis kan vi teoretisk overføre hver enkelt puls i sin private ledning, og det er også riktig at innviklede elektriske strømkretser kan konstrueres for overføring av mange strømmer samtidig (omtrent på samme måte som flere radioprogrammer kan sendes «på luften» samtidig). 72

Men omkostninger og vanskelighetsgrad for begge disse løsninger er så store at de ikke er praktiske til fjernsynsbruk. TELEFOTO OG FILM

På den annen side — om vi mater pulser inn i ledningen, den ene etter den andre, vil de komme fram til den andre enden i samme rekkefølge med hver enkelt puls’ individua­ litet i behold. Det vil derfor være fullt ut mulig å sende opplysninger om hvert enkelt billedpunkts lysstyrke i tur og orden, og så sette bitene sammen igjen på mottaker­ stedet. Denne idéen er som vi forstår nær forbundet med ideen om skandering eller «avs øking», som ble kort om­ talt mot slutten av første kapitel. Ja, elektrisk overføring av bilder ved avsøkingsmetoden ble forsøkt før den ameri­ kanske borgerkrig, og var utviklet til praktisk bruk da stille bilder ble overført fra London til New York så tidlig som 1924. I dette telefotosystemet blir bildet som skal sendes, fes­ tet på en roterende trommel. Når trommelen roterer, blir en tynn lysstråle fokusert på den samtidig som strålen be­ veger seg langsomt langs trommelens akse. Derved avsøker strålen hele billedoverflaten i spiralform. I ethvert øyeblikk er lyset som reflekteres fra papiroverflaten proporsjonal med lysstyrken i det respektive billedpunkt. Det reflek­ terte lyset samles på en fotocelle som omformer det til en billedspenning. På mottakerstedet aktiviserer billedspenningen en såkalt modulatorlampe, som ganske enkelt er en diode som inne­ holder gass under lavt trykk, vanligvis helium eller neon. En lav spenning ioniserer noen gassatomer og eksiterer andre (side 28) og får derved gassen til å lyse, og denne lysstyrken varierer meget for små endringer i den påtrykte spenning. Røret omformer billedspenningen tilbake til lys igjen på en effektiv måte. Lyset fokuseres til en bitte liten flekk på en fotografisk film som er viklet rundt en roterende 73

trommel identisk med den på senderstedet. Om nå de to tromlene er korrekt synkronisert, vil lysstrålen avsøke fil­ men, eksponere den og reprodusere det originale bildet. Denne metodes hastighet er stor nok til å utkonkurrere brevduen, men kanskje ikke jetflyet! I alle tilfelle er den alt­ for liten for fjernsyn. For å kunne overføre kontinuerlig bevegelige bilder må hele avsøkingsprosessen være avsluttet innenfor et tidsrom bestemt av det menneskelige syns etterlysningstid. Vi så i kapitel i at dette betyr mindre enn i/io sekund. Film proji­ seres på lerretet i et antall av 24 bilder pr. sekund. I praksis passer det bedre å avsøke fjernsynsbilder en tanke hurtigere — nemlig 25 ganger pr. sekund. Dette tallet har sammen­ heng med lysnettfrekvensen, som er 50 perioder pr. sekund — en kjensgjerning som muliggjør visse forenklinger i fjernsynmottakerne og derved reduserer prisen. Analogien med film er imidlertid ufullstendig. På kino projiseres 24 stille bilder, det ene etter det andre, med mel­ lomliggende mørkeperioder mens filmen kjøres fram til neste bilde. I fjernsyn er avsøkingsprosessen kontinuerlig. Innen avsøkingen er nådd bildets nederste høyre hjørne er resten av bildet allerede forandret. I tillegg brukes det man kaller mellomlinjering til ytterligere å redusere flimring. Avsøkingsstrålen tegner annenhver linje og overfører halve bildet hvert 1/50 sekund. Så returnerer den for å fylle inn de mellomliggende linjer og fullføre det annet halvbildet, slik at de to halvbilder avsøkes i løpet av 1/25 sekund. Det totale antall billedpunkter som skal avsøkes, er gan­ ske imponerende, som vi tidligere har sett (kapitel 1). Gren­ sene for det menneskelige syns oppløsningsevne nødvendig­ gjør et minimum av ca. 400 horisontale linjer og et tilsvar­ ende antall vertikale elementer. De forskjellige land benyt­ ter forskjellig linjetall i sine fjernsynsystemer. Tallene er 525 linjer for USA og hele Nord-Amerika for øvrig, 405 i Eng­ land, 625 i de fleste land i Europa og i Russland, og så høyt som 819 i Frankrike og Belgia. 74

Vi skal for øyeblikket konsentrere oss om 62 5-linjers sy­ stemet. Når man har tatt tilbørlig hensyn til den kjensgjer­ ning at noen linjer er skjult av rammen rundt billedrøret og at en del billeddetaljer vil bre seg over to linjer, vil en rimelig vertikal oppdeling av bildet bestå av 350 billed­ elementer. Ifølge det rektangulære billedformat trenger vi ca. 460 elementer langs hver horisontale linje for å oppnå samme grad av billedoppløsning horisontalt som vertikalt. (Denne oppløsning er god nok for betraktningsavstander på to å tre meter, men utilstrekkelig ved vanlig leseavstand, ca. 30-40 cm.) Enkel multiplikasjon gir oss det totale antall billedbiter som utgjør hele bildet, nemlig 625 X 460 eller omtrent 300 000. Om vi nå avsøker bildet 25 ganger i se­ kundet, blir antall billedelementer avsøkt pr. sekund = 25 X 300 000, eller 7,5 millioner. Dette er den imponerende hastighet fjernsynsystemet må overføre strømpulser med. I løpet av en times program blir våre øyne utsatt for at­ skillige milliarder lysintensitetsendringer. Vi har sett at elektroniske strømkretser med letthet kan behandle endog så store antall hurtige endringer på grunn av elektronenes beskjedne masse. Men det vil nå også være klart hvorfor tidligere forsøk med mekanisk avsøking ved hjelp av roterende skiver var dømt til å mislykkes når det gjaldt å produsere et akseptabelt detaljert bilde. Bare elek­ troner er raske nok på foten til å kunne mestre en slik situa­ sjon, og fjernsynets utbredelse måtte avvente opprinnelsen av en elektronisk avsøkingsmetode. ET ELEKTRONISK KAMERA

Billedoverføringens problemer faller i tre deler. Først (i kameraet) må vi finne ut nøyaktig hvordan de elektroner som utløses for hvert billedelement kan registreres som en billedspenning. Omvendt (i mottakeren) må vi undersøke i detalj hvordan billedspenningen kan bringes til å kon­ trollere fluorescensintensiteten på et enkelt punkt på skjer­ 75

men. For det tredje må vi (både i kamera og mottaker) sørge for at avsøkingen under sitt løp over billedflaten begge steder er nøyaktig i takt med hverandre til enhver tid. Når man skal registrere lysstyrken i vårt kamerabilde elektrisk, er det første trinn å la lyset falle på en lysfølsom (fotoelektrisk emitterende) overflate eller exi fotokatode. Der­ ved frigjøres elektronene og kan da samles opp av en posi­ tivt ladet anode i nærheten. Strømmen av frigjorte elek­ troner er proporsjonal med intensiteten av det lys som faller på den lysfølsomme overflaten. Ved å sende den opp­ samlede elektronstrøm gjennom en motstand kan vi frem­ bringe et spenningsfall over dens endepunkter. Denne spenning er proporsjonal med strømmen og gir oss den ønskede billedspenning. Imidlertid er denne spenningen uheldigvis bare et mål for det totale antall emitterte fotoelektroner, dvs. det totale antall fotoner som treffer fotokatoden fra hele bildet på en gang. Herfra kan vi bare komme tilbake til lysets gjennomsnittsintensitet for hele bildet. Det er noe ganske annet vi ønsker — nemlig regi­ strering av de forskjellige intensiteter for hvert enkelt billed­ element individuelt. Det er klart at en eller annen metode må finnes som isolerer hvert enkelt element fra naboene. Denne isolasjon kan oppnås ved å forme bitte små dråper av en lysfølsom sølv-cæsiumforbindelse på en plan flate av ikkeledende glimmer. La oss nå konsentrere oss om en slik liten dråpe — et billedelement. Vi kan enten forsøke å manipulere de fotoelektroner som emitteres fra den eller vi kan nyttiggjøre den kjensgjerning at et tilsvarende antall metallatomer i hver dråpe vil bli etterlatt positivt ionisert. Begge idéer ser like lovende ut. Den siste var den som ble benyttet i det første vellykkede elektroniske kamera, V. K. Zworykins ikonoskop. Teoretisk kan vi tenke oss at hver enkelt liten dråpe har sin egen ledning som elektroner kan flyte i for å omdanne cæsium- og sølvionene til nøytrale atomer igjen. I praksis 76

Signalplate Glimmer

Fig. 20. Zworykin*s ikonoskop, det første praktiske fjemsynkamerarør. Scenen som skal sendes fokuseres på en flat glimmerplate som er dekket med bitte små dråper av lysfølsomt cæsium-sølv. Disse emit­ terer fotoelektroner og et elektrisk bilde dannes. Elektronstrålen, som kommer fra rørets sidearm, avsøker det elektriske ladningsbilde og når den passerer dråpene i tur og orden, utlades de og bringes tilbake i elektrisk likevekt. Ladningsendringen for hver dråpe induserer en strøm i metallbelegget («signal-platen») på glimmerets bakside, og denne varierende «billedstrøm» representerer lys og skygger langs hver linje i bildet.

er dette naturligvis umulig fordi dråpene er så bittesmå. Om vi forbinder dem alle til en ledning, er vi tilbake der vi be­ gynte — vi har bare en total gjennomsnitts billedstrøm. Denne tilsynelatende hindring er overvunnet ved arrange­ mentet vist på figur 20. På baksiden av det omtalte glimmerdielektrikum ligger et tynt metallbelegg som kalles signalplaten. Hver lille dråpe kan da betraktes som den ene platen i en bitteliten kondensator, den andre platen — sig­ nalplaten — er felles for alle. Når fotoelektroner emitteres 77

fra vår utvalgte lille dråpe, ioniseres et tilsvarende antall atomer. Dette vil forårsake en proporsjonal negativ lad­ ning i signalplaten. Men hermed er vi ennå ikke klar av alle skjær, fordi alle de andre smådråpene gjør det samme, slik at den totale ladning på den felles signalplaten vil bli summen av alle enkeltladningene og nok en gang bare gi oss et mål for gjennomsnittlig lysintensitet. La oss anta at denne ladningen holder seg konstant i 1/25 sekund — den tid som er valgt for én hel billedavsøking. Hvis vi kunne finne en metode til å utlade de ioniserte ato­ mer i vår ene dråpe, ville vi i tilsvarende grad minske den induserte ladning på signalplaten. Går vi så videre til neste lille dråpe, kan vi utlade dens ioner og igjen minske lad­ ningen på signalplaten like meget. I løpet av 1/25 sekund vil derfor den induserte ladning på signalplaten avta trinnvis (figur 21 A). Dessuten vil de utladede punkter som ligger i kjølvannet etter hver avsøkte linje, lades opp igjen med konstant hastighet da signalplaten hele tiden eksponeres med konstant belysning. Virkningen av dette er at signalplatens totale ladning varierer omkring en middelverdi (figur 21 B). Utladningen av de enkelte billedelementer oppnås ved å bombardere dem med en elektronstråle fra en elektronkanon arrangert som vist på figur 20. Strålen søker langs en linje og passerer over punktene på linjen i rask rekkefølge, returnerer hurtig for så å avsøke neste linje og så videre. Ved å forbinde signalplaten med strømkretsen gjennom en motstand får vi en varierende spenning over motstanden, Fig. 21. Den induserte elektriske ladning på ikonoskopets signalplate endres på to måter: ved fortløpende utladning av smådråpene etter som de avsøkes av elektronstrålen og ved kontinuerlig ladning av alle dråpene av det innfallende lyset fra fjernsynscenen. Utladningsvirkningen er vist ved A, og summen av de to påvirkninger ved B. B viser at ladningen på signalplaten varierer omkring en middelverdi, og avviket fra middelet representerer lys og skygger fortløpende av­ søkt i hver billedlinje.

78

Ladning A

Tid

79

Tid

'Negativ billedstrøm

B

Fig. 22. Billedstrømmen varierer på to måter: Den ene er en hurtig endring fra billedelement til element og denne representerer de fine detaljer i bildet, vist ved A. Den andre er en meget langsommere variasjon og representerer endringene i bildets totale lysstyrke som vist ved B i en gradvis økning av intensiteten for bildet som helhet. De hurtige variasjoner foregår i løpet av mindre enn et milliontedels sekund; de langsomme variasjonene kan ta flere sekunder. Ved billedoverføringen må vi derfor benytte kretser som arbeider like godt hurtig som langsomt.

80

og denne spenningen vil være en kopi av figur 21 B. Går vi nå til det neste 1/25 sekund og antar at det alminnelige belysningsnivå til da har antatt en ny verdi, vil vi få de samme hurtige punkt-til-punkt variasjoner mens avsøkingsprosessen gjentas, men disse variasjoner vil ha en annen middelverdi (figur 22). Naturligvis vil ikke den alminnelige belysning variere på en så hurtig, trinnvis måte — likevel gjelder det generelt at man kan betrakte billedspenningen som underlagt to forskjellige slags variasjoner: først en langsom fluktuasjon som avhenger av større endringer i bakgrunnen eller av gjennomsnittsbelysningen i det bildet som overføres, dernest meget hurtigere variasjoner på grunn av den suksessive avsøking av de enkelte billed­ elementer. Vi skal snart se hvordan det blir nødvendig å overlagre nok en type variasjoner i billedspenningen, de såkalte synkroniseringsimpulser eller bare synkpulser, for å sørge for at elektronstrålenes avsøking både i kamera og mottaker løper i takt (er synkronisert). Hvordan disse tre komponenter adskilles igjen eller selektivt elimineres, vil vi utsette og forklare i neste kapitel. ET FORBEDRET KAMERA: BILLEDORTIKONET

I mellomtiden kan vi kanskje se på en annen type fjernsynkamera som i alminnelighet er ikonoskopet overlegent og arbeider etter noe forskjellig prinsipp. Der er to alvor­ lige svakheter med ikonoskopet: for det første forårsaker avsøkingsstrålen en spredning av overflødige elektroner som vi hittil har ignorert. Disse faller på andre nabodråper og slår elektroner ut av atomer som ikke tidligere var ioni­ sert. Siden det ikke spiller noen rolle hvordan elektronene tapes fra de lysfølsomme smådråpene, men bare hvor mange, vil denne ekstra-utsprøyting av elektroner i tillegg til de opprinnelig fotoemitterte gi feilaktige informasjoner til overføringssystemet og forvrenge lysintensitetsfordelingen i bildet. Dernest er ikonoskopets lysfølsomhet såpass Eten 6 — Fjernsynets fysikk.

81

at de opptredende vil lide under den intense varme som ut­ stråles av de kraftige lyskasterne. Kamerarøret som over­ vinner begge disse svakheter, er billedortikonet, og dette røret er nå nærmest blitt standardutrustning for alle fjernsynsformål unntatt sending av film i fjernsyn (figur 25

og 24)La oss først konsentrere oss om fotoelektronene i billed­ ortikonet. Lys fokuseres på fotokatoden som før, men denne er nå halvgjennomsiktig. Cæsium-sølv-forbindelsen er sprøytet på inner-overflaten, slik at fotoelektronene sendes bort fra lyskilden og inn mot kameraets hjerte. Fri elek­ troner forsøker å unnslippe i rett vinkel mot overflaten. Disse elektroner tar derfor vare på billedmønsteret når de reiser i rommet — deres innbyrdes stilling forblir den samme. Som den ene løper overtar etter den andre i stafett, tar elektronene midlertidig over frakten av bildet etter fotonene som frigjorde dem. Neste overtagelse skjer når de fremstormende fotoelek­ tronene stoppes av target eller målplaten, en meget tynn glassplate, omtrent to å tre tusendedels millimeter tykk (det betyr at det trenges nesten 50 slike plater stablet oppå hverandre for å oppnå samme tykkelse som papiret i denne boken). Når fotoelektronene treffer glasset, slår de løs andre elektroner — sekundærelektroner — fra glassatomene. Fordi fotoelektronene har blitt aksellerert av en ytre spen­ ning under reisen mot glassplaten, ankommer hvert elek­ tron til platen med nok energi til å slå løs flere sekundærelektroner. På denne måten multipliseres antall brukbare elektroner. (I filmspråket svarer dette til en øking av kamerarørets tilsvarende «filmhastighet» til 1 000 ASA eller mer.) Når sekundærelektronene har utført sitt oppdrag, Fig. 23. Billedortikonet, fjernsynkamerarøret som brukes til praktisk talt alle studio- og reportasjesendinger. For å forstå virkemåten, føl­ ges numrene. Denne bemerkelsesverdige elektroniske oppfinnelse er en av de mest lysfølsomme elektron-optiske omformere vitenskapen kjenner.

82

83

3.

platen

Elektroner strømmer

til målplaten

/

retninger

bilde dannes på målplaten

4. Forsterket elektrisk

stråle av elektroner

fremkommer her

B

A Lysfølsom overflate

Lysfølsom overflate

Frigjorte

Frigjorte elektroner

Lysstråle Sterk lysstråle Svak lysstråle

Lysstråler

Sekundærelektroner frigjort ved kollisjon

Billedelement i elektrisk bilde

Elektroner treffer glass-målplaten

Returelektronstrålen varierer med ladningene på målplaten

Avsøkningslinje

Kollisjonssted på glass-målplaten

Del av elektronstrålen vender til­ bake fra målplaten

Konstant elektronstråle rettet mot målplaten (fra elektronkanonen)

Fig. 24. Elektroniske detaljer i billedortikonrøret. A, de innfallende lysstråler frigjør fotoelektroner fra den lysfølsomme overflaten. B, elektronene treffer glass-målplaten. C, på målplaten er hvert innkom­ mende elektron skyld i at flere sekundærelektroner forlater målplaten, slik at den positive ladning i hvert punkt på målplaten øker og der­ med også intensiteten i det elektriske bilde. D, atter andre elektroner fra kanonen «utforsker» målplatens bakside under avsøkingen av det elektriske ladningsbilde, linje for linje. Noen av stråle-elektronene vender ved målplaten; antallet avhenger av størrelsen av den positive ladning i hvert punkt i det elektriske bilde. Returstrålen utgjør billedstrømmen.

feies de vekk av et meget finmasket gitternett som har en liten positiv ladning i forhold til glasset. Vi kan nå glemme sekundærelektronene og konsentrere oss om det ionebildet de har etterlatt på glassplaten. Siden glasset er meget tynt, passerer denne ladningen gjennom glasset ved elektrisk ledning og *er derfor tilgjengelig på målplatens bakside. Dette er likt det bildet som var etter­ latt i cæsiumdråpene på ikonoskopets fotokatode, og be­ vares på samme måte fordi glasset er en god isolator langs overflaten. Dette ladningsbildet avsøkes som i ikonoskopet 84

av en stråle fra en elektronkanon plasert på motsatt side av målplaten lenger bak i kamerarøret. Ut over dette er resten forskjellig fra ikonoskopet. Elektronstrålen i billedortikonet har nemlig lav hastighet. Elektronene bremses ned av et elektrostatisk felt når de nærmer seg glassplaten, slik at de ikke rekker fram når det ikke sendes noe bilde inn i røret. De blir så aksellerert av det samme feltet igjen tilbake mot kanonen, men hindres og samles opp av en anode som lig­ ger i veien. Når et bilde imidlertid sendes, vil de punkter på glasset som er blitt etterlatt med en positiv ladning, gripe tak i elektroner fra avsøkingsstrålen når den passerer over dem. De «mørke» deler av bildet gjør det ikke, da de ikke har noen positiv ladning. Den returnerende elektronstråles in­ tensitet på vei til anoden vil derfor endres kontinuerlig eller moduleres av målplatens ionebilde som den har av­ søkt, og den varierende strømmen som anoden har samlet opp, gir oss billedsignalet på vanlig måte. Her foreligger ingen kondensatorvirkning som i ikonoskopet. Glasspla­ tens atomer blir bare deionisert av elektronene i strålen og er øyeblikkelig klare til å ta imot et nytt positivt ladningsbilde som samler elektroner som sist under avsøkingstrålens neste passering. MOTTAKEREN: LYSSTYRKE OG KONTRAST

Og her forlater vi kameraet og går over til mottakeren. Hvordan kan den gjenskape en lysflekk av passende lysstyrke fra informasjonene i billedspenningen? I forrige ka­ pitel undersøkte vi elektronkanonens funksjoner, og i annet kapitel hørte vi at termoelektronene fra billedrørets elek­ tronkanon forårsaket fluorescens. Intensiteten av det fluore­ scerende lys, som emitteres fra billedskjermen, er proporsjo­ nalt med antall bombarderende elektroner. Så når vi ønsker en lyssterk flekk i bildet, gjør vi bare elektronstrålen mer intens når den avsøker det bestemte stedet. Det er altså 85

Oksydbelegg - Elektroner frigjøres fra denne overflaten

Elektriske tilkoblingsklemmer Billedsignal påtrykkes her Fig. 25. Elektronkanonen i et billedrør. Antall elektroner som slipper gjennom hull A bestemmes av billedspenningen. Alle elektronene som kommer videre fokuseres slik at de treffer et punkt på billedskjermen der de frembringer en lysflekk.

klart at vi da må få billedspenningen til å modulere elektronstrålens intensitet. Denne intensitet avhenger av spen­ ningsforskjellen mellom katode og anode, men enda mer følsom er den overfor spenningsforskjellen mellom katode og gitter som ved trioden (side 61). Den beste måten å intensitetsmodulere elektronstrålen på, er derfor å påtrykke billedspenningen direkte til en kontrollåpning like foran den varme katoden før strålen passerer gjennom de sylin­ driske anodene, som også virker som fokuseringslinser (figur 25). I tillegg til billedspenningen har gitteret også en juster­ bar, negativ spenning, en såkalt forspenning, i forhold til katoden. Hensikten med den er følgende: Forspenningen virker som en ventil som kontrollerer strålestrømmens størrelse, og den åpnes og lukkes ved hjelp av knappen merket lysstyrke på fjernsynapparatet. I en alminnelig mot­ taker er en negativ forspenning på rundt 60 volt nok til å frastøte alle termoelektronene og sende dem tilbake til ka­ toden — dvs. å lukke ventilen helt. Billedskjermen er da

86

Ukorrekt forspenning (bildet for lyst)

Detaljer over linjen går tapt

Skjermen . helt

Ukorrekt forspenning Detaljer under denne linjen reproduseres ikke (bildet for mørkt)

Skjerm helt mørk

Fig. 26. To spenninger påtrykkes billedrørets elektronkanon. Billed­ spenningen som representerer billedinnholdet er som vist ovenfor overlagret en konstant forspenning fra mottakerens lysstyrkekontroll. Ved å justere denne forspenningen, bestemmer vi den totale lysstyrke på billedskjermen.

helt mørk. Ved å skru ned lysstyrken økes den regulerbare forspenning så meget at ikke en gang spissene av den overlagrede videospenning (figur 26), er i stand til å presse elek­ troner gjennom ventilen og lyse opp skjermen. Omvendt minskes forspenningen ved å skru lysstyrken opp inntil så mange elektroner strømmer gjennom ventilen at hele skjer­ men er lys, selv når billedspenningen forsøker å sette in­ tensiteten ned. Lysstyrkekontrollen påvirker således, via den negative forspenning, hele bildets totalintensitet. Ved en bestemt mellomliggende stilling av lysstyrkekontrollen får billedspenningsvariasjonene de enkelte billedpunkters lysstyrke til å variere omkring en middelverdi bestemt av lysstyrkekontrollens stilling. Men vi er også interessert i å kontrollere bildets kon­ trast eller forskjellen mellom de positive og negative spis­ ser i billedsignalet, dvs. å kontrollere forsterkningen. Kontrastknappen er koblet til et forsterkertrinn som billed­ signalet må passere før det når billedrøret. Figur 27 og 28 viser hvordan billedrøret virker. 87

88

Strøm for opp - ned bevegelse (langsom)

o co

co C