Diagrama em corte de um tubo de raios catódicos a cores, com deflexão eletromagnética, utilizado em televisores e monitores.Diagrama de um tubo de raios catódicos com deflexão eletrostática, utilizado em osciloscópios.
O tubo de raios catódicos (TRC; do inglês Cathode Ray Tube, CRT), também conhecido como cinescópio em aplicações de televisão, é um dispositivo eletrônico a vácuo que produz imagens por meio de um feixe de elétrons dirigido a uma superfície revestida de material fosforescente. Quando os elétrons atingem essa superfície, parte de sua energia é convertida em luz visível.
Os tubos de raios catódicos foram utilizados principalmente em televisores, monitores de computador, osciloscópios e outros equipamentos de visualização. Dependendo da aplicação, o feixe de elétrons pode ser direcionado por campos elétricos ou magnéticos. Nos televisores e monitores convencionais, o feixe percorre repetidamente a superfície da tela para formar a imagem; nos osciloscópios, pode representar graficamente a variação de um sinal elétrico.
Uma versão importante do dispositivo foi desenvolvida pelo físico alemão Karl Ferdinand Braun em 1897. No mesmo ano, o físico Joseph John Thomson publicou estudos que contribuíram decisivamente para demonstrar que os raios catódicos eram constituídos por partículas de carga negativa, posteriormente identificadas como elétrons.
Funcionamento
Um tubo de raios catódicos convencional é composto por um invólucro de vidro evacuado, um ou mais canhões de elétrons, eletrodos de aceleração e focalização, um sistema de deflexão e uma tela revestida internamente com material fosforescente.
O funcionamento pode ser descrito pelas seguintes etapas:
Emissão de elétrons: em muitos tubos, um filamento aquece o cátodo, que libera elétrons por emissão termiônica.
Aceleração e focalização: diferenças de potencial elétrico aceleram os elétrons e os eletrodos formam um feixe concentrado.
Controle da intensidade: a corrente do feixe pode ser modulada para variar o brilho do ponto atingido na tela.
Deflexão: campos elétricos ou magnéticos alteram a trajetória do feixe e determinam a posição em que ele atinge a tela.
Emissão de luz: ao atingir a camada fosforescente, os elétrons transferem energia ao material, que emite luz por um processo denominado catodoluminescência.
A imagem é formada pela combinação entre o movimento do feixe e a modulação de sua intensidade. Nos sistemas de varredura usados em televisores e monitores, o feixe percorre a tela segundo uma sequência de linhas, repetida rapidamente para produzir a percepção de uma imagem contínua.
Deflexão eletrostática e eletromagnética
A deflexão eletrostática utiliza campos elétricos produzidos por eletrodos, geralmente placas posicionadas no interior do tubo. A diferença de potencial entre essas placas altera a trajetória dos elétrons. Esse sistema é particularmente adequado a instrumentos como osciloscópios, nos quais o deslocamento do feixe pode representar diretamente a variação de um sinal elétrico.
A deflexão eletromagnética utiliza campos magnéticos produzidos por bobinas instaladas ao redor do pescoço do tubo. Essas bobinas, frequentemente reunidas em um conjunto denominado conjunto defletor, controlam o movimento do feixe nas direções horizontal e vertical. Esse método foi amplamente utilizado em televisores e monitores de computador.
Tubos monocromáticos e a cores
Os tubos monocromáticos utilizam uma tela que emite luz de uma única cor. O brilho de cada região depende da intensidade do feixe de elétrons que a atinge.
Nos tubos a cores convencionais, são utilizados três feixes de elétrons associados às cores primárias aditivas: vermelho, verde e azul (RGB, do inglês red, green, blue). A superfície interna da tela contém elementos fosforescentes que emitem essas cores. A combinação das emissões permite representar uma ampla variedade de cores.
Em muitos tubos a cores, uma máscara de sombra é instalada entre os canhões de elétrons e a tela. Trata-se de uma chapa metálica perfurada que limita a trajetória dos feixes, ajudando a direcionar cada um para os elementos fosforescentes correspondentes. O alinhamento entre os canhões, a máscara e a tela é importante para preservar a pureza das cores exibidas.
História
As pesquisas que conduziram ao desenvolvimento dos tubos de raios catódicos ocorreram durante o século XIX, em estudos sobre descargas elétricas em tubos com gases rarefeitos. Esses experimentos permitiram investigar os chamados raios catódicos e suas propriedades.
Em 1897, Joseph John Thomson publicou experimentos nos quais estudou a deflexão dos raios catódicos por campos elétricos e magnéticos. Seus resultados forneceram evidências de que esses raios eram constituídos por partículas de carga negativa menores do que os átomos conhecidos à época. Essas partículas passaram a ser identificadas como elétrons, contribuindo para o desenvolvimento da física atômica.
Também em 1897, Karl Ferdinand Braun desenvolveu um tubo que utilizava uma tela fluorescente para tornar visível o impacto dos raios catódicos. Conhecido como tubo de Braun, o dispositivo permitia observar o deslocamento de um ponto luminoso em resposta a sinais elétricos. Essa construção constituiu um marco no desenvolvimento dos instrumentos eletrônicos de visualização.
No início do século XX, pesquisadores começaram a empregar tubos de raios catódicos em sistemas experimentais de televisão. Em 1907, o inventor russo Boris Rosing apresentou um pedido de patente para um sistema que utilizava um tubo de raios catódicos como receptor de imagem. O sistema combinava a exibição eletrônica com mecanismos de exploração da imagem no lado transmissor e constituiu uma etapa inicial na história da televisão.
Ao longo do século XX, os tubos de raios catódicos passaram a ser utilizados em televisores, monitores, radares, osciloscópios e outros instrumentos eletrônicos. A evolução da tecnologia permitiu a produção de tubos maiores, mais luminosos e capazes de exibir imagens a cores.
A partir do final do século XX, os tubos de raios catódicos começaram a ser substituídos em muitas aplicações por tecnologias de tela plana, como os displays de cristal líquido (LCD) e os displays de plasma. O declínio da procura por tubos novos também modificou as possibilidades de reaproveitamento e reciclagem de seus componentes.
Fabricação
A fabricação de um tubo de raios catódicos envolve a preparação das partes de vidro, a produção da tela fosforescente, a montagem do sistema de deflexão e dos componentes eletrônicos e a criação do vácuo no interior do invólucro. Os processos específicos variam de acordo com o tipo de tubo, suas dimensões e a aplicação prevista.
Fabricação da máscara de sombra
Nos tubos a cores que utilizam máscara de sombra, uma fina chapa metálica é perfurada por processos industriais que podem envolver fotolitografia e ataque químico. A chapa é conformada e fixada a uma estrutura de suporte para manter sua posição em relação à tela. A geometria e o posicionamento das aberturas são projetados para que os feixes atinjam as regiões fosforescentes apropriadas.
Preparação da tela fosforescente
A superfície interna do painel de vidro recebe revestimentos que formam a tela. Nos tubos a cores, os materiais fosforescentes são dispostos em padrões correspondentes às cores primárias utilizadas pelo sistema. Processos fotoquímicos podem ser empregados para determinar a posição desses elementos, de modo que o padrão da tela corresponda à máscara ou à estrutura de seleção de cores utilizada no tubo.
Em determinadas construções, é aplicada também uma matriz escura entre as regiões fosforescentes. Essa camada reduz a reflexão de luz ambiente e pode aumentar o contraste percebido da imagem. Uma camada de alumínio pode ser depositada sobre o revestimento interno da tela, contribuindo para refletir a luz em direção ao observador e para as propriedades elétricas do conjunto.
Montagem do invólucro e criação do vácuo
O tubo possui, em geral, um painel frontal, uma região intermediária alargada e um pescoço estreito onde fica instalado o canhão de elétrons. As partes de vidro são unidas por processos industriais de selagem. Depois da instalação dos componentes internos, o ar é removido para que o feixe de elétrons possa percorrer o interior do tubo sem sofrer as colisões que ocorreriam em um gás à pressão atmosférica.
A fabricação também pode incluir a aplicação de revestimentos condutivos, a instalação de elementos de proteção mecânica e o acabamento das conexões elétricas. A integridade do invólucro e a manutenção do vácuo são essenciais para o funcionamento do dispositivo.
Ajuste final
Após a montagem, o conjunto defletor é posicionado em relação ao pescoço do tubo e ajustado conforme os requisitos do equipamento. Em tubos a cores, os ajustes mecânicos e elétricos ajudam a obter uma distribuição adequada dos feixes na tela. O alinhamento entre o sistema de deflexão, a máscara e a superfície fosforescente influencia a geometria da imagem e a reprodução das cores.
Descarte e reciclagem
Os tubos de raios catódicos contêm diferentes tipos de vidro e componentes metálicos. A composição varia conforme o fabricante, a época de produção e o tipo de tubo. Em muitos modelos, o vidro da região do funil contém óxido de chumbo, enquanto o painel frontal pode utilizar vidro com composição diferente. Essa variedade de materiais dificulta o processamento e a reciclagem de tubos descartados.
O chumbo é um metal tóxico cuja liberação no ambiente pode representar riscos à saúde humana e ao meio ambiente. Por essa razão, o manuseio do vidro de tubos descartados deve levar em consideração a composição dos materiais e os procedimentos de segurança aplicáveis. A quebra do invólucro também pode produzir fragmentos de vidro, e o tubo não deve ser desmontado por pessoas sem formação e equipamentos adequados.
Historicamente, o vidro de tubos de raios catódicos podia ser reciclado para fabricar novos tubos. Entretanto, a redução da produção de equipamentos com essa tecnologia diminuiu a procura por vidro destinado a esse uso. Entre os desafios da reciclagem estão a separação dos diferentes tipos de vidro, o controle dos materiais que contêm chumbo e a disponibilidade de aplicações adequadas para o material recuperado.
Quando o reaproveitamento do equipamento não é viável, a alternativa é encaminhá-lo para sistemas de coleta de resíduos eletroeletrônicos e operadores que disponham de condições apropriadas para seu tratamento. O descarte em locais não preparados pode aumentar o risco de quebra, abandono e liberação inadequada de materiais. Os procedimentos e as obrigações legais variam conforme a jurisdição; por isso, devem ser observadas as orientações das autoridades e dos serviços de gestão de resíduos locais.
12Smith, George E. (24 de dezembro de 1997). «J. J. Thomson and The Electron: 1897–1899 An Introduction». The Chemical Educator (em inglês). 2 (6). doi:10.1333/s00897970149a
123Herat, S. (2008). «Recycling of cathode ray tubes (CRTs) in electronic waste». CLEAN – Soil, Air, Water (em inglês). 36 (1): 19–24. doi:10.1002/clen.200700082
Nota: "CRT" redireciona para este artigo. Para a extinta companhia telefônica do Rio Grande do Sul, veja Companhia Riograndense de Telecomunicações.
