docFyzika 9
download 
Stížnost Transkript
Fyzika 9
Karel Rauner, Václav Havel, Miroslav Randa Fyzika 9 učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia Nakladatelství Fraus 2007 FYZIKA 9 učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia Autoři: Doc. Dr. Ing. Karel Rauner – hlavní autor Doc. PaedDr. Václav Havel, CSc. RNDr. Miroslav Randa, Ph.D. (kolektiv autorů katedry obecné fyziky Fakulty pedagogické ZČU v Plzni) Odborní poradci: Mgr. Vladislav Kvapil Ing. Štěpánka Podlenová Mgr. Václav Kohout Recenzenti: RNDr. Irena Koudelková PaedDr. Václav Heller Zdeňka Kamarádová Ilustrace: Tomáš Javorský Bohdan Štěrba Fotografie: uvedeny na straně 134 Odpovědní redaktoři: Redaktor obrazové části: Návrh obálky, grafická úprava: Sazba: Jazyková korektura: Doc. Dr. Ing. Karel Rauner, RNDr. Miroslav Randa, Ph.D. Dagmar Metlická Jana Šrámková Marek Novotný Mgr. Martina Hovorková Součásti díla: Učebnice ISBN 978-80-7238-617-8 Pracovní sešit ISBN 978-80-7238-619-2 Příručka učitele ISBN 978-80-7238-618-5 Doložka MŠMT: Schválilo MŠMT č. j. 10895/2007-22 dne 29. 06. 2007 k zařazení do seznamu učebnic pro základní školy jako součást ucelené řady učebnic pro vzdělávací obor fyzika s dobou platnosti šest let. Vydalo Nakladatelství Fraus, Goethova 8, 301 31 Plzeň Printed in the Czech Republic 1. 2. 3. 4. 5. (první čísla označují pořadí 2007 2008 2009 2010 2011 a rok tisku) Výhrada práv: Všechna práva vyhrazena. Reprodukce a rozšiřování díla nebo jeho částí jakýmkoli způsobem jsou bez písemného souhlasu nakladatele zakázány, s výjimkou případů zákonem výslovně povolených. Copyright: © Nakladatelství Fraus, Plzeň 2007 1. vydání ISBN 978-80-7238-617-8 9 OBSAH Úvod .................................................................. Opakování 8 ........................................................ 5 6 E L E K T R O D Y N A M I K A ......................................... 7 Působení magnetického pole na vodič ...................... Vzájemné působení vodičů ..................................... Magnetická indukce .............................................. Elektromagnetická indukce .................................... Generátory elektrického napětí .............................. Vlastnosti střídavého proudu ................................. Kondenzátor a cívka ............................................. Transformátory .................................................... Třífázové napětí .................................................. Elektromotory ...................................................... Elektromagnetické kmity ....................................... Elektromagnetické vlny ......................................... Bezpečnost práce s elektrickými spotřebiči ............... 8 10 13 15 18 20 22 25 28 31 33 35 38 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH .................. 41 Elektrony a díry ................................................... Vliv příměsí v polovodiči ....................................... PN přechod ......................................................... Diody a světlo ..................................................... Spínání tranzistorem ............................................ Tranzistor jako zesilovač ....................................... Integrované obvody .............................................. Využití polovodičových součástek ........................... Jak pracuje rádio a televizor .................................. 42 44 46 49 51 53 55 58 60 ATOMY A ZÁŘENÍ.................................. 63 Historie objevu atomu a jeho struktury .................... Bohrův model atomu ............................................. Záření z elektronového obalu ................................. Jádro atomu ........................................................ Jaderné síly ........................................................ Radioaktivita ...................................................... Využití radioaktivity ............................................. Ochrana před zářením ........................................... Jaderné reakce .................................................... 64 66 69 71 73 75 77 80 82 3 9 OBSAH Řetězová reakce .................................................. Jaderný reaktor ................................................... Jaderná elektrárna ............................................... Termonukleární reakce .......................................... 84 86 88 90 ASTRONOMIE........................................ 93 Čím se zabývá astronomie ..................................... Slunce ................................................................ Kamenné planety ................................................. Plynné planety .................................................... Malá tělesa ......................................................... Keplerovy zákony ................................................. Vznik a vývoj hvězd .............................................. Zánik hvězd ........................................................ Galaxie .............................................................. Sluneční a hvězdný čas ......................................... Souhvězdí ........................................................... 94 96 99 102 106 109 111 114 116 120 123 VÝVOJ FYZIKY ..................................... 127 REJSTŘÍK POJMŮ .................................. 131 FOTOGRAFIE A CITACE .......................... 134 RÁMCOVÉ VZDĚLÁVACÍ PROGRAMY ........ 135 4 9 ÚVOD Proč se učím fyziku? … dozvím se, že podobně jako vodič působí na magnet, i magnet působí na vodič … pochopím, jak pracuje reproduktor, mikrofon, zapalování v automobilech, … … porozumím činnosti generátorů elektrického napětí i elektromotorů … dozvím se, k čemu slouží transformátory a jak se přenáší elektrická energie … zjistím, že nás celým životem provází využití elektromagnetických vln … dozvím se, jak je veden elektrický proud v polovodičích a jak se toho využívá … seznámím se s využitím tranzistorů v počítačích i zesilovačích … porozumím základům činnosti rádia a televize … získám přehled o historii zkoumání atomu … pochopím, že z obalu atomu může vycházet světelné a rentgenové záření … budu vědět, z čeho se skládá atomové jádro a jak se z něj dá uvolnit obrovská energie … seznámím se s radioaktivitou, jejím využitím i s nebezpečím, kterým je pro život … dozvím se o jaderných reakcí a o využití štěpení jader v jaderných elektrárnách … zjistím mnoho nových informacích o naší nejbližší hvězdě – o Slunci … poznám vlastnosti planet sluneční soustavy a dozvím se i o jejich měsících … dokážu vypočítat oběžnou dobu planety … pochopím, jak vznikají a zanikají hvězdy, i to, do jakých celků se seskupují … zopakuji si poznatky o souhvězdích Symboly užívané v učebnici: zamysli se zajímavost souvislosti v praxi pozor vysvětlení pokus shrnutí domácí úkol otázky a úkoly K rychlé orientaci můžete využít i rejstřík na str. 131–133. 5 9 OPAKOVÁNÍ 8 Co už umím z fyziky Už tři roky se učíš fyziku. Z minulého ročníku víš, jaké jsou vztahy mezi prací, energií, silou a výkonem. Umíš rozeznat použití jednoduchých strojů (páky, kladky, kola na hřídeli, nakloněné roviny a šroubu) v zařízeních, která tě obklopují. Bezpečně rozeznáš skupenské přeměny. Dokážeš vysvětlit činnost tepelných motorů. Dovedeš popsat zvýšení vnitřní energie tělesa dodáváním tepla a konáním práce. Znáš popis kmitavého pohybu a umíš popsat vlnění. Poznal jsi, co je to zvuk, jak vzniká a jaké jsou jeho vlastnosti. Z Ohmova zákona dokážeš počítat veličiny v elektrickém obvodu. Naučil ses zapojovat rezistory i zdroje elektrického napětí. Vypočítáš elektrickou energii a výkon. Pamatuješ si však opravdu všechno? Zkus odpovědět na tyto otázky. • Jak spolu souvisí síla a práce? • Uveď alespoň čtyři případy, ve kterých se mění energie polohová na pohybovou a naopak. • V jakých nástrojích v domácnosti se používá páka? • Proč utažený šroub či vrut tak pevně drží? • Jak souvisí vnitřní energie s pohybem molekul v tělese? • Které látky vedou dobře teplo? • Jak jinak než vedením se teplo může šířit? Uveď příklady. • Najdi alespoň tři odlišnosti zážehového a vznětového motoru. • Vyjmenuj skupenské přeměny a u každé uveď alespoň jeden příklad. • Jak poznáš kmitavý pohyb? • Čím se liší podélné a příčné vlnění? 6 • Uveď alespoň čtyři způsoby, jak vzniká zvuk. • Uveď alespoň jeden jev, který se může využít k měření elektrického proudu. • Jaký způsobem se častěji zapojují zdroje elektrického proudu? • Co je to elektrický odpor? • Jak se vypočítá výkon elektrického proudu? ELEKTRODYNAMIKA Transformátory různých provedení jsou důležitou součástí elektrické rozvodné sítě. 7 ELEKTRODYNAMIKA Působení magnetického pole na vodič Kdo poprvé objevil magnetické účinky elektrického proudu? Kdy to bylo? Z minulých ročníků již víš, že elektrický proud ve vodiči ovlivňuje chování magnetky. Působí také magnet na vodič? Vzpomeň si, jak pracuje reproduktor a některé druhy ampérmetrů. Magnetické pole Země je velmi důležité pro život na Zemi. Chrání nás totiž před proudem rychlých nabitých částic, které k nám přicházejí ze Slunce. Souvisí to nějak s polární září? Na demonstrační stavebnici sestavíme obvod ze stejnosměrného zdroje, vypínače a volně pohyblivého vodiče ve tvaru písmene U. Vodič je zavěšen mezi póly magnetu. Sepneme-li spínač a obvodem začne protékat proud ve směru žluté šipky, vychýlí se vodič vlevo (červená šipka). Při přepólování zdroje by protékal proud opačným směrem a vodič by se vychýlil na druhou stranu. O tom, že magnetické pole působí na vodič, jsme se mohli přesvědčit již při Oerstedově pokusu s magnetkou. Působí-li na magnetku síla, musí k této síle existovat reakce. Ta by měla pootočit vodičem v opačném směru. Vodič je ovšem při Oerstedově pokusu upevněn v těžkých držácích. Sílu, kterou působí magnet na vodič, proto můžeme pozorovat jen tehdy, bude-li vodič lehký a pohyblivý. Vysvětlíme tento jev pomocí magnetických indukčních čar. Na obrázku a je znázorněna vodorovná část vodiče z našeho pokusu. Proud jím prochází směrem do papíru (značí se křížkem), to odpovídá žluté šipce z fotografie. Indukční čáry magnetického pole vodiče jsou soustředné kružnice. Zobrazené části indukčních čar magnetu jsou úsečky. Tam, kde mají čáry stejnou orientaci, se čáry výsledného magnetického pole zhustí. Při opačné orientaci se naopak čáry zředí. Tak dostaneme obrázek b. Faraday, který zavedl pojem elektrického a magnetického pole, si představoval magnetické indukční čáry jako tenká gumová vlákna. Taková vlákna se snaží zaujmout co nejkratší délku. Proto v obrázku b vytlačují vodič a b směrem doleva. Na internetu najdi základní životopisná data Michaela Faradaye [majkla feredeje]. Vzpomeň si, že magnetické indukční čáry vystupují ze severního pólu magnetu. Směr vychýlení vodiče určujeme častěji pomocí pravidla levé ruky. Položíme-li levou ruku na vodič tak, aby magnetické indukční čáry vstupovaly do dlaně a prsty mířily ve směru proudu, palec ukazuje směr síly. I N F S příklad použití pravidla levé ruky 8 ELEKTRODYNAMIKA Jak se změní výchylka vodiče, když při pokusu zvýšíme proud? Jak by se změnila výchylka vodiče, kdybychom při pokusu použili silnější magnet? Na základě silového působení magnetu na vodič je založena většina reproduktorů, některé ampérmetry a voltmetry a hlavně elektromotory. • Na vodič, kterým protéká proud, působí v magnetickém poli síla. • Síla působící na vodič je tím větší, čím je větší proud procházející vodičem. • Síla působící na vodič je tím větší, čím je silnější magnetické pole. Síla působící na vodič je také tím větší, čím delší část vodiče je v magnetickém poli. Síla závisí i na úhlu, který svírá vodič s indukčními čarami. Největší síla působí na vodič, který je kolmý k indukčním čarám. Je-li vodič rovnoběžný s indukčními čarami, je působící síla nulová. Elektrický proud ve vodiči je uspořádaný pohyb volných elektronů. Může být silové působení magnetického pole na vodič důsledkem jeho působení na pohybující se nabité částice? V 19. století fyzici zkoumali katodové paprsky. Ty vznikají v trubici se dvěma elektrodami, ve které je vakuum. Takové trubici říkáme katodová trubice. Jestliže se k elektrodám připojí vysoké napětí, katodové paprsky vycházejí ze záporné elektrody (katody). Dopadají-li paprsky na vhodnou látku, vyvolávají světélkování. Později bylo dokázáno, že katodové paprsky jsou rychle se pohybujícími elektrony. Ke zdroji vysokého napětí připojíme katodovou trubici. Trubice je doplněna šikmým stínítkem pokrytým látkou, která po dopadu elektronů modře světélkuje. Objeví se svítící úsečka (obrázek a). a znázornění trajektorie elektronů v magnetickém poli b trajektorie elektronů bez magnetického pole (vlevo) a v magnetickém poli (vpravo) Jestliže přiblížíme magnet, trajektorie elektronů se zakřiví. To se projeví změnou tvaru svítící stopy (obrázek b). Síly, kterými působí magnetické pole na nabité částice, se využívají v urychlovačích částic. Magnetické působení udržuje částice na stálých kruhových trajektoriích. Vlétne-li nabitá částice do magnetického pole, působí na ni síla, která je kolmá k rychlosti. Taková síla zakřivuje trajektorii částice. • Je-li rychlost kolmá k indukčním čarám, je trajektorií kružnice. • Má-li rychlost stejný směr jako indukční čáry, je síla nulová. Trajektorií částice je přímka. • V ostatních případech je trajektorií šroubovice. F trajektorie elektronů v magnetickém poli, jehož indukční čáry vystupují z papíru 9 ELEKTRODYNAMIKA Vysvětli směr působící síly na obrázku s trajektoriemi elektronů pomocí pravidla levé ruky. Dej pozor na to, že proud ve vodiči má opačný směr, než je směr rychlosti elektronů. Nabité částice přicházejí k Zemi ze Slunce a z kosmického prostoru. Pro život na Zemi by mohly být nebezpečné. Země má však magnetické pole, jehož indukční čáry vystupují poblíž magnetických pólů. Trajektoriemi nabitých částic jsou šroubovice podél indukčních čar zemského magnetického pole. Proto částice vstupují do atmosféry poblíž pólů. Narážejí na molekuly ve vzduchu a způsobují světelné záření – polární záři. Když je Slunce aktivní a vysílá veliký počet nabitých částic, vidíme polární záři i od nás. polární záře pozorovaná z družice Ve starých televizních obrazovkách s katodovými paprsky jsou elektrony vychylovány cívkami, kterými protéká časově proměnný proud. Vznikající magnetické pole vychyluje elektrony tak, že dopadají do správných míst na stínítku obrazovky. vychylovací cívky televizoru Shrnutí Na vodič, kterým protéká proud, působí v magnetickém poli síla. Síla působící na vodič je tím větší, čím je větší proud procházející vodičem a čím je silnější magnetické pole. Směr síly určíme pomocí pravidla levé ruky: Položíme-li levou ruku na vodič tak, aby magnetické indukční čáry vstupovaly do dlaně a prsty mířily ve směru proudu, palec ukazuje směr síly. I na nabité částice pohybující se v magnetickém poli působí síla. Otázky a úkoly 1 Jak se změní síla působící na vodič v magnetickém poli, když se změní směr magnetických indukčních čar na opačný a zároveň se změní směr proudu ve vodiči? 2 Působí zemské magnetické pole na vodiče vysokého napětí, mají-li směr východ–západ? 3 Jakým směrem působí síla na měděnou tyčinku na vedlejším obrázku? – + Vzájemné působení vodičů André-Marie Ampère (1775–1836) Slavný francouzský fyzik André-Marie Ampère se celý život cítil být matematikem. Svoji slávu však získal díky elektromagnetismu, přestože se jím zabýval pouze osm let. Jeho zájem probudily pokusy dánského fyzika Hanse Christiana Oersteda. Ampère se zabýval především silovým působením mezi vodiči, kterými protékají elektrické proudy. Navrhl a provedl velké množství pokusů s různým uspořádáním vodičů a studoval síly mezi nimi. Objevem těchto sil a zákonem, který je popisuje, založil novou oblast fyziky – elektrodynamiku. Na Ampèrovu radu sestavil francouzský fyzik Arago první elektromagnet, v roce 1822 pak sám Ampère sestrojil první solenoid. 10 ELEKTRODYNAMIKA Vodič, kterým protéká proud, vytváří ve svém okolí magnetické pole. Na vodič, kterým protéká proud, působí v magnetickém poli síla. Co se stane, když umístíme dva pohyblivé vodiče blízko sebe? a Ze vzájemného působení vodičů vychází i definice ampéru: „Prochází-li proud 1 A dvěma vodiči, které jsou rovnoběžné, nekonečně dlouhé a umístěné ve vakuu ve vzdálenosti 1 m od sebe, působí na 1 m vodiče síla 0,2 µN.“ b Dva proužky alobalu zavěsíme na stojan tak, aby byly vzdáleny asi 1–2 cm. Nejprve je zapojíme vedle sebe do obvodu s plochou baterií (obrázek a). Proužky se přitahují. Potom je zapojíme za sebou (obrázek b). Proužky se odpuzují. x a b průběhy indukčních čar dvou rovnoběžných vodičů Na obrázku jsou nakresleny indukční čáry obou vodičů. V obrázku a je směr proudů ve vodičích souhlasný, proto jsou stejně orientovány indukční čáry. V obrázku b protékají proudy opačným směrem, indukční čáry mají opačnou orientaci. V obou obrázcích jsou místa, ve kterých mají čáry od obou vodičů stejnou orientaci. V těchto místech se čáry výsledného magnetického pole zhustí. Při opačné orientaci se naopak čáry zředí. Výsledné magnetické pole je znázorněno na obrázku dole. Připomeňme si, že výsledné indukční čáry se chovají jako pružná gumová vlákna. Tato vlákna budou zaujímat takový tvar, aby jejich délka byla co nejkratší. Na levém obrázku jsou proto vodiče k sobě přitahovány, na pravém obrázku se naopak odpuzují. Síly jsou vyznačeny červenými šipkami. x indukční čáry výsledného magnetického pole 11 Dvěma rovnoběžnými trubicemi naplněnými elektrolytem procházejí elektrické proudy. Víme, že tyto proudy jsou tvořeny pohybem kladných a záporných iontů. Bude se kolem trubic vytvářet magnetické pole? Budou na sebe trubice působit? Síla mezi vodiči závisí také na úhlu, který svírají. Největší síla působí mezi rovnoběžnými vodiči (úhel 0 °). ELEKTRODYNAMIKA Protéká-li rovnoběžnými vodiči elektrický proud stejným směrem, vodiče se přitahují. Když je směr proudu ve vodičích opačný, vodiče se odpuzují. Ampérův zákon pro sílu mezi dvěma rovnoběžnými vodiči, kterými protékají proudy I1, I2, můžeme zapsat pomocí vzorce I ⋅I F = k ⋅ 1 2 ⋅d , r kde d je délka vodičů, r je jejich vzdálenost a k je konstanta. • Síla působící na vodiče je tím větší, čím jsou větší proudy procházející vodiči. • Síla působící na vodiče je tím větší, čím jsou vodiče delší. • Síla působící na vodiče je tím větší, čím je vzdálenost vodičů menší. Jsou síly, kterými se přitahují vodiče na levém obrázku na předcházející straně, stejně velké? Který základní fyzikální zákon to objasňuje? Podle zákona akce a reakce jsou síly, kterými na sebe navzájem působí dvě tělesa, stejně velké, opačného směru. Každá z těchto sil působí na jiné těleso (vodič), a proto se neruší. Zákon akce a reakce platí bez ohledu na to, zda jsou síly elektrické, gravitační, magnetické či jiné. Síly mezi vodiči se nazývají elektrodynamické síly (na rozdíl od elektrostatických sil, kterými na sebe působí nehybné náboje). Celá část fyziky, zabývající se vzájemným působením elektrických a magnetických polí, se nazývá elektrodynamika. Z definice ampéru lze vypočítat konstantu k: Do vztahu pro sílu dosadíme I1 = I2 = 1 A, F = 0,2 µN, r = 1 m, d = 1 m, dostaneme µN k = 0,2 2 . A Jsou síly, kterými se v prvním pokusu přitahují vodiče, stejně velké jako síly, kterými se ve druhém pokusu vodiče odpuzují? Uvědom si, že v prvním případě jsou vodiče zapojeny vedle sebe a ve druhém za sebou. V praxi jsou elektrodynamické síly využívány ve wattmetrech, přístrojích k měření elektrického výkonu. Základem wattmetru jsou dvě cívky. Jednou prochází proud, který prochází spotřebičem, druhou proud, který je úměrný napětí na spotřebiči. Síla působící mezi cívkami je úměrná součinu napětí a proudu – výkonu. Shrnutí Protéká-li rovnoběžnými vodiči elektrický proud stejným směrem, vodiče se přitahují. Když je směr proudu ve vodičích opačný, vodiče se odpuzují. Síly mezi vodiči se nazývají elektrodynamické síly. Otázky a úkoly 1 Jak by se pohybovaly vodiče, kterými by protékal stejným směrem přerušovaný proud? 2 Prvním vodičem protéká proud I1, druhým proud I2. Jak se změní elektrodynamická síla, když se proudy vymění (prvním vodičem bude procházet proud I2 a druhým proud I1)? 3 Jak na sebe působí dva vodiče, kterými je spotřebič připojen ke zdroji napětí? rtuť Na obrázku je Petřinova spirála. Kdysi sloužila jako automatický přerušovač proudu. Objasni činnost spirály. 12 ELEKTRODYNAMIKA Magnetická indukce Fyzika je exaktní věda. Po celou dobu své existence se snaží popsat pozorované jevy pomocí veličin. Veličiny dokážeme měřit a poznáváme jejich vzájemné vztahy. Veličinu, která by popisovala magnetické pole, jsme dosud nepoznali. Abychom mohli takovou veličinu zavést, musíme si vybrat, které účinky magnetického pole využijeme. V první kapitole jsme poznali, že magnetické pole působí na vodič silou. Sílu i elektrický proud již měřit umíme. Toho můžeme využít k zavedení veličiny popisující magnetické pole. Sestavíme pokus, kterým bude možné zjistit závislost mezi proudem procházejícím vodičem a silou, kterou na něj působí magnetické pole. Na stativ zavěsíme podle obrázku obdélníkovou cívku s několika závity měděného siloměr izolovaného vodiče. Vodiče v dolní části cívky jsou umístěny uprostřed mezery mezi póly magnetu a jsou kolmé k magnetickým indukčním čarám. Prochází-li cívkou proud, působí na její dolní část síla, kterou měříme siloměrem. Změříme délku l části cívky, která je mezi póly magnetu. Proud měříme ampérmetrem a pro každou hodnotu změříme sílu. Výsledky zapíšeme do tabulky. Příklad naměřených hodnot: délka l = 7 cm = 0,07 m, počet závitů n = 20. V prvním sloupci tabulky je proud I1 procházející obvodem. Celkový proud procházející mezi póly je I = n · I1. Ve třetím sloupci je naměřená síla. I1 A I A F N 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 0 0,42 0,86 1,20 1,65 2,10 Závislost síly na proudu je na vedlejším grafu. Je vidět, že síla je přímo úměrná proudu. F N Kdybychom provedli pokus s jinými délkami l, zjistili bychom, že síla není úměrná jen proudu, ale součinu proudu a délky I · l. Kdybychom vydělili sílu součinem I · l, dostali bychom ve všech řádcích tabulky přibližně stejnou hodnotu. Pro jiný magnet by byl podíl F jiný, ale opět stejný ve všech řádcích. I ⋅l Je tedy jasné, že tento podíl popisuje magnetické pole. 2 1,5 1 0,5 0 20 40 60 80 100 I A Magnetické pole popisujeme veličinou magnetická indukce. Označujeme ji B a měříme ji v jednotkách tesla (T). 13 Magnetická pole byla před objevem elektrodynamických sil určována tak, že se porovnávala se zemským magnetickým polem. Indukční čáry obou polí se složily, směr výsledných indukčních čar byl zjišťován pomocí přesné magnetky. Z pootočení magnetky se pak určilo, kolikrát je měřené pole silnější než zemské magnetické pole. Nikola Tesla (1856–1943), srbský fyzik, jeden z největších objevitelů v oblasti elektrodynamiky. Jedním z jeho vynálezů je Teslův transformátor, zařízení, které je schopno vytvořit napětí až několika milionů voltů. ELEKTRODYNAMIKA Název magnetická indukce se ve fyzice používá nejen k označení veličiny, ale také k označení jevu, který známe z dřívější výuky: v blízkosti magnetu se železné předměty stávají dočasnými magnety. F V našem pokusu i v řadě jiných případů je magnetická indukce B rovna podílu . I ⋅l B Magnetická indukce je podobně jako síla veličinou, která má nejen velikost, ale i směr. Podobně jako sílu ji znázorňujeme orientovanou úsečkou (úsečkou se šipkou). Má vždy směr tečny k magnetické indukční čáře, jak je to znázorněno na obrázku. Indukční čáry zemského magnetického pole míří v České republice šikmo dolů k severu. Svírají s vodorovným směrem úhel, kterému se říká inklinace. V České republice je inklinace asi 65 °. Na kterých místech Země je inklinace rovna 90 °? Kde jsou indukční čáry zemského magnetického pole přibližně vodorovné? Magnetickou indukci můžeme měřit přístroji, kterým říkáme teslametry. Jednotka tesla je velká. Proto v praxi užíváme také jednotek menších: militesla (mT), mikrotesla (µT). Hodnoty magnetické indukce jsou pro několik příkladů uvedeny v následující tabulce. zemské magnetické pole v ČR povrch Slunce sluneční skvrna povrch školního magnetu silný elektromagnet B 48 µT 10 –100 µT 0,1– 0,2 T 0,1– 0,4 T 2T militeslametr s několika sondami Jestliže vodičem o délce l umístěném v magnetickém poli s indukcí B prochází proud I, působí na vodič síla F = B · I · l. Tento vzorec platí, jen když jsou magnetické indukční čáry kolmé k vodiči. cívka To, že síla je úměrná proudu, se využívá v reproduktoru. Vodičem je zde cívka, umístěná v malé mezeře válcového magnetu. Cívka je spojena s pružně upevněnou membránou (obrázek). Čím větší proud prochází cívkou, tím větší síla působí na membránu. Membrána stlačuje okolní vzduch, vzniká zvuk. Některé moderní přístroje umožňují měřit magnetickou indukci s ohromnou přesností. Je možno změřit i magnetické pole vytvářené proudy, které protékají v mozku. N S + 14 S N membrána magnet Přímá úměrnost proudu a síly se využívá také u ampérmetru, kterému se říká magnetoelektrický. Vodičem je opět cívka, která je navinuta na válečku podle obrázku. Pokud cívkou neprotéká proud, je váleček udržován v poloze, ve které připevněná ručka ukazuje na nulu. Při průchodu proudu cívkou působí na boční vodiče cívky dvojice sil (síly znázorňují červené šipky). Váleček se otočí do jiné polohy, ve které je moment sil vyrovnán momentem síly deformované pružiny. Ručka ukazuje velikost proudu. ELEKTRODYNAMIKA Shrnutí Magnetické pole popisujeme veličinou, která se nazývá magnetická indukce. Označuje se B, jednotkou je tesla (T). Síla působící na vodič v magnetickém poli je úměrná proudu. To se využívá u reproduktoru a magnetoelektrického ampérmetru. Otázky a úkoly 1 Vypočítej magnetickou indukci v pokusu popsaném na začátku kapitoly. 2 Jak se zvětší síla působící na vodič v magnetickém poli, když proud vodičem zvětšíme na trojnásobek? 3 *Vodičem vysokého napětí protéká proud 500 A. Vodič má směr východ–západ. Jak velká síla působí na vodič vlivem zemského magnetického pole mezi dvěma stožáry vzdálenými 100 m? Elektromagnetická indukce B Se vznikem elektrického proudu pohybem vodiče v magnetickém poli jsme se setkali v minulém ročníku v úkolu z pracovního sešitu. V kapitole o záznamu a reprodukci zvuku jsme se přesvědčili, že reproduktor může pracovat jako mikrofon. Při stlačování membrány protékal obvodem elektrický proud. Ověřili jsme si, že velikost proudu závisí na rychlosti, kterou membránu stlačujeme. Víme již také, že membrána je spojena s cívkou umístěnou v silném magnetickém poli. V tomto pokusu dochází k přeměně mechanické energie na elektrickou. směr proudu Oerstedův pokus prokazuje, že průchodem proudu vzniká v okolí vodiče magnetické pole. Když se s tímto pokusem seznámil Faraday, začal hledat způsob, jak naopak pomocí magnetického pole vytvořit elektrický proud. Usuzoval asi takto: když elektrický proud vytváří magnetické pole, měla by také existovat možnost magnetickým polem vytvořit elektrický proud. Cívku s 1 200 závity připojíme k voltmetru s nulou uprostřed stupnice. V různých místech cívky umisťujeme magnet. Dokud je magnet v klidu, voltmetr neukazuje výchylku, napětí je nulové. Jakmile magnetem pohybujeme, v cívce vzniká elektrické napětí různých polarit a velikostí. Při velmi pomalém pohybu je napětí malé. Největšího napětí dosáhneme při rychlém pohybu magnetu poblíž otvorů cívky. Stejného výsledku dosáhneme, když bude magnet nehybný a budeme pohybovat cívkou. Záleží jen na vzájemném pohybu cívky a magnetu. Běžně užívané teslametry jsou založeny na vlastnostech elektronické součástky, které říkáme Hallova sonda. Je to destička zhotovená z polovodiče. Pokud jí protéká stejnosměrný proud, vzniká na protilehlých stranách destičky napětí. Toto napětí je úměrné magnetické indukci B. V Vzniku elektrického napětí způsobenému změnou magnetického pole říkáme elektromagnetická indukce. Napětí a proud, které vznikají při elektromagnetické indukci, se nazývají indukované napětí a indukovaný proud. Elektromagnetickou indukci objevil v roce 1831 Michael Faraday. 15 Elektromagnetické indukce se využívá při magnetickém záznamu zvuku a obrazu. Feromagnetický pásek se při záznamu zmagnetovává zesíleným signálem z mikrofonu. Při přehrávání se pásek pohybuje přes snímací hlavu. To je cívka, ve které se pohybem zmagnetovaných částí pásku indukuje napětí s průběhem odpovídajícím původnímu zvuku. ELEKTRODYNAMIKA Elektromagnetickou indukci využívají svítilny, ve kterých se elektrická energie vytváří „třepáním“. Uvnitř svítilny je cívka, v jejíž dutině se pohybuje silný magnet. Napětím indukovaným v cívce se nabíjí malý akumulátor. N S Naopak pohyb cívky v magnetu se využívá u mikrofonů. Zvukové vlnění dopadá na membránu a rozkmitává ji. Rozkmitává tím i cívku, která je k membráně připevněna. V cívce se indukuje napětí. Poznatek, že indukované napětí je vždy takové, aby působilo proti změně, která je vyvolává, se nazývá Lenzovo pravidlo. Pokus se dvěma cívkami ve zjednodušené podobě provedl jako první Faraday a objevil tak elektromagnetickou indukci. Když se magnetické pole mění uvnitř kovového tělesa, vznikají tam i při malých indukovaných napětích velké elektrické proudy. Říkáme jim vířivé proudy. Tyto proudy mají všechny účinky, které známe. Tepelnými účinky se kovové těleso zahřívá. Vířivé proudy mají i magnetické účinky. Kdybychom cívku z pokusu zkratovali vodičem, vyvolalo by indukované napětí v cívce i ve vodiči velký proud a vodič i cívka by se nepatrně zahřály. Odkud se vzala potřebná energie? Ze zákona zachování energie je zřejmé, že ruka při pohybování magnetem F musela konat práci. Musela proto působit silou. Magnet a cívka se tedy odpuzovaly. Proud induS N kovaný v cívce měl takový směr, že jím vytvořené magnetické pole působilo proti pohybu N S magnetu. Situace je znázorněna na obrázku. Indukované napětí je vždy takové, aby působilo proti změně, která je vyvolává. Změnu magnetického pole nemusí vyvolat pouze pohyb magnetu nebo cívky. Další možností je měnit magnetické pole tak, že měníme proud v jiném (blízkém) vodiči. Sestavíme obvody podle schématu. První obvod je tvořen cívkou se 600 závity, spínačem, ampérmetrem a zdrojem stejnosměrného proudu. Druhý obvod je tvořen cívkou s 1 200 závity, která je připojena k voltmetru s nulou uprostřed stupnice. Obě cívky mají společnou osu. Na začátku pokusu je spínač sepnut, prvním obvodem protéká proud. Voltmetr ve druhém obvodu ukazuje nulové indukované napětí. Rozpojíme-li spínač, voltmetr ukáže výchylku. Po chvilce klesne výchylka voltmetru na nulu. To znamená, že na druhé cívce vzniklo indukované napětí a obvodem prošel indukovaný elektrický proud. Zapamatujeme si, na kterou stranu ukazuje ručka voltmetru při vypnutí proudu. Když spínačem opět sepneme proud v prvním obvodu, ručka voltmetru se znovu vychýlí, ale na opačnou stranu. Když první cívkou procházel proud, existovalo v okolí této cívky magnetické pole. Jeho indukční čáry procházely zčásti i druhou cívkou. Při vypnutí proudu magnetické pole v obou cívkách prudce pokleslo – došlo ke změně magnetického pole. Druhá cívka se chovala tak, jako kdyby z ní byl rychle vytažen magnet. Indukovalo se v ní elektrické napětí. 16 ELEKTRODYNAMIKA Podobně při sepnutí proudu v obou cívkách prudce vzrostlo magnetické pole. Pro druhou cívku to znamenalo podobný děj, jako kdyby se do ní zasunul magnet. Indukovalo se napětí opačné polarity než při vypnutí. Obvod, který způsobuje změnu magnetického pole, se nazývá primární obvod. Sekundární obvod je obvod, ve kterém vzniká indukované napětí. Do cívek z předchozího pokusu vložíme feromagnetické jádro. O feromagnetických látkách již víme, že zesilují magnetické pole. Výrazně se proto zvýší magnetická indukce v obou cívkách. Při sepnutí i při vypnutí spínače je indukované napětí i proud mnohem větší. Místo spínání a vypínání můžeme proud plynule zvyšovat nebo snižovat regulovatelným zdrojem. Když budeme proud měnit velice pomalu, bude voltmetr ukazovat malé napětí. Při rychlé změně bude napětí větší. Bude však nižší než při vypínání a zapínání. Kdyby se do cívek vkládalo plné jádro, vznikaly by v něm velké vířivé proudy a většina energie z primárního obvodu by se přeměnila v teplo. Je proto nutné používat jádra z izolovaných plechů. Indukované napětí závisí na velikosti změny magnetického pole i na rychlosti jeho změny. Kdybychom místo cívky s 1 200 závity zapojili do sekundárního obvodu cívku s 300 závity, bylo by indukované napětí asi čtyřikrát menší. Můžeme z toho usoudit, že indukovaná napětí v jednotlivých závitech se sčítají podobně jako napětí sériově zapojených zdrojů. Když má cívka v sekundárním obvodu mnohonásobně větší počet závitů než cívka v primárním obvodu, dosahuje indukované napětí velikých hodnot (několika tisíc voltů). Toho se využívá k zapalování směsi v zážehových motorech automobilů a motocyklů. Spínání a vypínání proudu v primárním obvodu zajišťuje přerušovač. Vysoké napětí je přivedeno speciálními kabely na svíčky. zapalovací svíčka zapalovací cívka Do cívky se 60 závity je nasazeno feromagnetické jádro z plechů. Na něm je navlečen hliníkový prstenec. Cívka je přes spínač připojena k akumulátoru. Po sepnutí spínače prstenec vyskočí. Sekundární obvod tvoří nyní jediný závit (prstenec) zapojený do zkratu. Protože je odpor prstence velmi malý, vzniká obrovský indukovaný proud, přestože je indukované napětí malé. Indukovaný proud má opačný směr než směr proudu v cívce, proto se cívka a prstenec začnou odpuzovat. Cívka je nehybná, prstenec vyskočí. Kdybychom hliníkový prstenec nahradili plastovým, nevyskočil by. I v plastovém prstenci se indukuje napětí. Odpor prstence je však tak veliký, že elektrický proud prstencem neprochází. Elektrické napětí znamená přítomnost elektrického pole. Protože ale zdrojem tohoto pole nejsou elektrické náboje, siločáry elektrického pole jsou uzavřené. 17 Bez elektromagnetické indukce by nehrály elektrické kytary. Pod každou strunou je cívka, ve které se při chvění struny indukuje napětí. Podle Lenzova pravidla má magnetické pole prstence vyvolané indukovaným proudem opačný směr než magnetické pole cívky. Cívka a prstenec se tedy chovají jako magnety obrácené k sobě souhlasnými póly. ELEKTRODYNAMIKA Každá změna magnetického pole vyvolá vznik elektrického pole. Indukované elektrické pole vzniká i v nevodičích, tedy i ve vzduchu a ve vakuu. Shrnutí Elektromagnetická indukce je jev, při kterém vzniká elektrické napětí změnou magnetického pole. Napětí a proud, které vznikají při elektromagnetické indukci, se nazývají indukované napětí a indukovaný proud. Indukované napětí závisí na velikosti změny magnetického pole i na rychlosti jeho změny. Otázky a úkoly 1 Do cívky, která je připojena k ampérmetru, zasouváme rukou magnet. Obvodem prochází velký elektrický proud, který vodiče zahřívá. opiš přeměny energie při celém ději až po teplo, které vodiče zahřívá. 2 Najdi v literatuře nebo na internetu, k čemu slouží a jak pracuje Ruhmkorffův induktor. Generátory elektrického napětí Na počátku 19. století byly jedinými dostupnými zdroji elektrického napětí galvanické články a jejich baterie. Nejznámější je Voltův sloup. Nevýhodou článků je jejich omezená životnost, případně nutnost výměny chemických látek. Po Faradayově objevu elektromagnetické indukce se konstruktéři zaměřili na hledání zdroje, který by elektrickou energii získával přeměnou mechanické energie. Na obraze předvádí Volta Napoleonovi v roce 1801 svůj zdroj elektrického napětí. Generátory elektrického napětí jsou stroje, které přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Využívají k tomu elektromagnetickou indukci. Před cívku se 1 200 závity a s jádrem postavíme magnet otáčivý kolem svislé osy podle fotografie. K cívce připojíme voltmetr s nulou uprostřed stupnice. Když zvolna otáčíme magnetem, zjistíme voltmetrem, že v cívce se indukuje napětí. Toto napětí se plynule mění a jeho polarita se stále střídá. Voltův sloup Při dokonalejším uspořádání magnetu a cívky by časový průběh indukovaného napětí odpovídal grafu dole. Znaménkem plus je označeno napětí, které vychyluje ručku z nulové polohy vpravo, znaménkem minus napětí, které vychyluje ručku z nulové polohy vlevo. U mV 150 100 50 0 –50 –100 –150 18 0 1 2 3 4 t s ELEKTRODYNAMIKA Když míjí severní nebo jižní pól magnetu cívku, je změna magnetického pole v cívce největší. V cívce se proto indukuje velké napětí. Jak se pól od cívky vzdaluje, indukované napětí klesá. Když je magnet kolmo k ose cívky, magnetické pole v cívce se nemění, indukované napětí je nulové. Jak se k cívce začne přibližovat opačný pól, indukované napětí opět vzrůstá, má ale opačnou polaritu. Křivka popisující harmonický časový průběh se nazývá sinusoida, je-li počáteční hodnota nulová, případně kosinusoida, je-li počáteční hodnota maximální. Na podobném principu pracuje zdroj elektrického napětí, který se používal pro osvětlení jízdních kol. Na ose malého kolečka, které se dotýká pneumatiky, je magnet obklopený cívkami. Magnet se otáčí, v cívkách se indukuje napětí. Cívky jsou připojeny k žárovce, kterou protéká indukovaný proud. Kde ses setkal s podobným časovým průběhem? generátor elektrického proudu jízdního kola V kapitole o kmitání jsme se zabývali časovým průběhem výchylky závaží na pružině. Takto plynulý průběh se nazývá harmonický. Napětí, u kterého se pravidelně mění polarita, se nazývá střídavé napětí. Proud s obdobným časovým průběhem se nazývá střídavý proud. V minulé kapitole jsme poznali, že nezáleží na tom, zda se pohybuje magnet, či cívka. Indukované napětí je v obou případech stejné. Kdyby se však otáčela cívka, vodiče vedoucí od ní k voltmetru by se překroutily. Přesto lze i tento problém vyřešit. Princip stroje, ve kterém se otáčí cívka v magnetickém poli, je naznačen na vedlejším obrázku. Problém s přívody je vyřešen pomocí kartáčků P1, P2. To jsou pružné plíšky, které jsou přitlačovány ke kovovým kroužkům K1, K2. Kroužky jsou vodivě spojeny s vývody cívky. C Největší indukované napětí vzniká, když je cívka ve svislé poloze. Tři dvojice šipek na obrázku naznačují směr indukovaného proudu. S K1 D K2 Alternátoru u jízdního kola se často chybně říká dynamo. A B N Generátor střídavého elektrického napětí se P1 P2 nazývá alternátor. Nejčastěji se s alternátorem setkáváme v autě, v elektrárnách pracují velké alternátory s výkonem několika stovek megawattů. U velkých alternátorů se magnetické pole vytváří pomocí elektromagnetu, který se otáčí. Nazývá se rotor. Napětí se indukuje v pevných cívkách, které tvoří stator. alternátor z automobilu generátor v Temelíně 19 Ve starých automobilech bylo generátorem elektrického napětí dynamo. Jeho výroba však byla náročná a komutátor se musel ošetřovat, aby nevznikaly poruchy. U nových automobilů se používají alternátory a vznikající střídavý proud se usměrňuje polovodičovými diodami. ELEKTRODYNAMIKA Některá dynama mají větší počet cívek, a proto je i komutátor rozdělen na více částí. Kolik cívek má dynamo, ze kterého je tento komutátor? U některých spotřebičů je důležité, aby jimi procházel stejnosměrný proud. Generátor stejnosměrného elektrického napětí se nazývá dynamo. S Princip dynama je naznačen na vedlejším obrázku. Konce cívek jsou připojeny k jedinému kroužku rozříznutému na dvě poloviny. Říká se mu komutátor. Komutátoru se na opačných stranách dotýkají kartáčky K1, K2. Komutátor zajišťuje přepínání konců cívky ke kartáčU kům tak, že mezi karmV táčky je napětí se stále 150 N stejnou polaritou. 100 Vzniká proto stej50 nosměrné napětí. 0 Časový průběh napětí je na grafu vlevo. 0 1 2 3 4 t + K1 K2 s Protože se každá cívka připojuje jen v nejvýhodnějším okamžiku, napětí neklesá na nulu. Na obrázku je průběh napětí dynama se třemi cívkami. Shrnutí Generátory elektrického napětí jsou stroje, které přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Využívají k tomu elektromagnetickou indukci. Generátor střídavého elektrického napětí se nazývá alternátor. Generátorem stejnosměrného elektrického napětí je dynamo. Otázky a úkoly U V 150 1 Jak závisí napětí alternátoru na rychlosti otáčení rotoru? 2 Velké alternátory mají rotor tvořený elektromagnetem. Může být cívka elektro- 100 50 0 0 10 20 magnetu v rotoru napájena střídavým proudem? Proč? 3 Najdi na internetu, jaký výkon mají generátory jaderné elektrárny Temelín. t ms Vlastnosti střídavého proudu Televizor, počítač, video a některé jiné domácí spotřebiče potřebují ke své činnosti stejnosměrný proud. Další spotřebiče, jako je vařič, žárovka, vysavač, myčka, pračka, chladnička, by pracovaly stejně dobře se stejnosměrným i se střídavým proudem. Jen velmi málo spotřebičů pracuje lépe se střídavým proudem (pistolová páječka, cirkulárka, míchačka, …). Proč se tedy do domácností rozvádí střídavý a ne stejnosměrný proud? Jak vypadá časový průběh stálého stejnosměrného napětí? O tom, zda napětí či proudy jsou střídavé nebo stejnosměrné, rozhoduje jejich časový průběh. Střídavé napětí i střídavý proud stále mění svoji velikost i směr. Příklady časových průběhů různých střídavých napětí jsou na následujících obrázcích. U mV U V U V 300 30 30 200 20 20 100 10 10 0 0 –100 0 20 40 60 80 0 t ms –10 10 20 30 40 0 0 t ms –10 –200 –20 –20 –300 –30 –30 20 10 20 30 40 t ms ELEKTRODYNAMIKA Všimni si podobnosti časových průběhů střídavých napětí a časových průběhů výchylky při kmitavých pohybech. U Z časového průběhu můžeme rozhodnout, zda V je střídavé napětí periodické. V tomto případě 300 se průběh pravidelně opakuje. Nejkratší doba, 200 za kterou se průběh opakuje, se nazývá perioda a označuje se T. Zvláštním případem perio- 100 dického střídavého napětí je harmonické 0 0 10 20 30 40 t napětí. Vedlejší obrázek ukazuje časový průms –100 běh harmonického napětí v domovní zásuvce. –200 Podobně jako u kmitavého pohybu určujeme i zde frekvenci f. Frekvence je počet period za –300 1 jednu sekundu, platí proto f = . Nejvyšší okamžitá hodnota napětí je amplituda napětí. T Podobně lze určit periodu, frekvenci a amplitudu u harmonického proudu. Z časového průběhu harmonického napětí urči periodu, frekvenci a amplitudu napětí. Kolik celých period je na grafu? I lidskými smysly se můžeme přesvědčit o tom, že elektrický proud protékající světelnými spotřebiči je střídavý. Ve světle zářivky pohybujeme rychle tenkým předmětem nad bílým papírem. Pohyb se nám zdá trhaný. Je to způsobeno tím, že zářivka se rozsvítí vždy pouze při dostatečné hodnotě napětí a pak opět zhasne. Znamená to, že při frekvenci 50 Hz zářivky blikají stokrát za sekundu. Jak to, že se uvádí napětí v zásuvce 230 V, když je z časového průběhu vidět, že amplituda je větší než 300 V? Představme si, že ke střídavému harmonickému napětí s frekvencí 50 Hz připojíme tepelný spotřebič. Výkon se stále mění, stokrát za sekundu je dokonce nulový. Na tepelném spotřebiči to ale nepoznáme. Nestačí tak rychle vychladnout a jeho teplota je po určité době stálá. Znáš to z vařiče nebo ze žehličky. Stejný spotřebič připojíme ke stejnosměrnému zdroji. Najdeme napětí tohoto zdroje takové, aby teplota spotřebiče byla stejná. Toto napětí je 230 V. Stejnosměrný zdroj s napětím 230 V má stejné tepelné účinky jako zdroj síťového střídavého napětí. Střídavý zdroj harmonického napětí není vhodné popisovat amplitudou napětí, ale napětím nižším, označovaným jako efektivní napětí. Efektivní napětí zdroje střídavého napětí je napětí, které by měl stejnosměrný zdroj se stejnými tepelnými účinky. Efektivní napětí souvisí s amplitudou napětí podle vzorce Uef = 0,7 · Umax. Podobně se zavádí efektivní proud Ief = 0,7 · Imax. Vztah mezi maximálním a efektivním napětím nezávisí na frekvenci. Platí ale jen pro harmonické napětí či proud. Najdi vztah mezi maximálním a efektivním napětím pro obdélníkové střídavé napětí (je na třetím obrázku v této kapitole). Všechny ampérmetry a voltmetry pro střídavý proud ukazují efektivní proud a efektivní napětí. Ověř, že amplitudě napětí z grafu Umax = 330 V odpovídá efektivní napětí Uef = 230 V. Platí Uef = 0,7 · Umax = 0,7 · 330 V =· 230 V. Amplitudě napětí 330 V odpovídá efektivní napětí 230 V. 21 Podívej se na štítek některého tepelného spotřebiče. Vypočti maximální proud, který spotřebičem protéká. ELEKTRODYNAMIKA V rozvodu střídavého proudu v bytech, ve školách, úřadech a jiných budovách bývá v zásuvce na pravé straně nulový vodič, který je uzemněn. Na levé straně je vodič fázový. Okamžité napětí mezi fázovým a nulovým vodičem se mění s harmonickým časovým průběhem. Kolík bývá v nových rozvodech uzemněn samostatným ochranným vodičem. Časové průběhy střídavých proudů a napětí nelze zjišťovat stejnosměrnými ampérmetry a voltmetry. Ručky analogových přístrojů mají příliš velkou setrvačnost a po připojení takového přístroje se ručka jen nepatrně chvěje kolem nuly. U digitálních přístrojů bychom nestačili sledovat rychlé změny číselných údajů. Proto se časové průběhy zobrazují na zvláštních přístrojích – osciloskopech. V poslední době se stále častěji využívají počítače. časový průběh střídavého napětí na osciloskopu časový průběh střídavého napětí na monitoru počítače Shrnutí Střídavé napětí i střídavý proud stále mění svoji velikost i směr. Nejkratší doba, za kterou se průběh opakuje, se nazývá perioda. Počet period za jednu sekundu je frekvence. V praxi se nejčastěji setkáme s harmonickým střídavým napětím a proudem. Nejvyšší okamžitá hodnota napětí je amplituda napětí Umax. Efektivní napětí Uef je hodnota, kterou by měl stejnosměrný zdroj se stejnými tepelnými účinky. Platí Uef = 0,7 · Umax. Otázky a úkoly 1 Zdroj harmonického střídavého napětí s časovým průběhem podle grafu na straně 21 je připojen ke spotřebiči s odporem 50 Ω. Nakresli časový průběh proudu a vypočítej efektivní proud. 2 Výkon topné spirály je 1 200 W. Urči efektivní proud, je-li spirála připojena k síti, ve které je efektivní napětí 230 V. Kondenzátor a cívka U některých typů kondenzátorů je nutné dodržet polaritu napětí. Svorky takových kondenzátorů bývají označeny +, –. Tyto kondenzátory nelze jednoduše zapojit do obvodu se střídavým proudem. Když se podíváme do schémat obvodů se střídavým proudem, vidíme kromě známých schematických značek (rezistorů, zdrojů, spínačů, …) pravidelně i značky jiných elektrických prvků. Někteří poznají značky kondenzátorů a cívek. Jaký význam mají tyto součástky v obvodech se střídavým proudem? Proč jsme se s nimi nesetkali v obvodech se stejnosměrným proudem? Kondenzátor je tvořen dvěma elektrodami, které jsou od sebe odděleny vrstvou dobrého izolantu. S kondenzátorem jsme se již setkali: kondenzátorem je i leidenská láhev. V elektrostatice slouží tato součástka k hromaschematická značka dění elektrického náboje. kondenzátoru 22 elektrody izolant struktura deskového kondenzátoru ELEKTRODYNAMIKA Vzpomeňme si na vodní analogii. Elektrický náboj je v ní přirovnáván k množství vody, elektrické napětí se přirovnává k výšce hladiny. Kondenzátor je v této analogii válcová nádoba na vodu. Každá nádoba má určitou plochu dna a určitou výšku. Objem V vody v nádobě se dá vypočítat jako součin plochy S dna nádoby a výšky h vody v ní: V = S · h. Fyzikální veličinou, která popisuje nejdůležitější vlastnost kondenzátoru, je kapacita. Označuje se velkým písmenem C a její jednotkou je 1 F (farad). Kapacita je veličina podobná ploše dna ve vodní analogii. Plocha dna nádoby určuje výšku hladiny při nalití určitého množství vody. Je-li například plocha dna 0,001 m2, po nalití 1 litru vody bude výška hladiny 10 cm. Podobně kapacita kondenzátoru určuje napětí na elektrodách kondenzátoru při uložení určitého náboje. Uložíme-li do kondenzátoru s kapacitou 1 F (farad) náboj 1 C (coulomb), napětí na elektrodách kondenzátoru dosáhne 1 V. h S vodní analogie kondenzátoru Každý kondenzátor je určen pro napětí pouze do jisté hodnoty. Ta bývá na některých kondenzátorech uvedena jako maximální napětí. Při jejím překročení by mohlo dojít ke zničení kondenzátoru. I tato skutečnost má vodní analogii: Když nalijeme do nádoby více vody, než je objem nádoby, voda přeteče. skutečné provedení kondenzátorů Označíme-li napětí na elektrodách kondenzátoru U a náboj na elektrodách Q, platí Q = C · U. Farad je velká kapacita. Proto v praxi používané kondenzátory mají kapacity, které se nejčastěji vyjadřují v mikrofaradech (µF), nanofaradech (nF), nebo dokonce v pikofara+ dech (pF). Elektrickou energii nabitého kondenzátoru vypočítáme podle vzorce Zapojíme obvod podle schématu vpravo. Použijeme kondenzátor s velkou kapacitou (několik set mikrofaradů). Po sepnutí spínače se žárovka rozsvítí a zvolna zhasíná, proud procházející obvodem postupně klesá na nulu. 1 E = ⋅C ⋅ U 2 . 2 Situace v obvodu po sepnutí spínače připomíná ve vodní analogii napouštění vody do nádoby. Hladiny se vyrovnávají, proud spojovací trubicí klesá. Když se hladiny vyrovnají, proud klesne na nulu. Podobný děj v elektrickém obvodu se nazývá nabíjení kondenzátoru. Proud obvodem postupně klesá, až napětí na kondenzátoru dosáhne napětí zdroje. Říkáme, že kondenzátor je nabitý. S Vyměníme zdroj z předchozího pokusu za zdroj střídavého napětí. Po sepnutí spínače svítí žárovka stále. Moderní technologie umožnily vyrobit i kondenzátory s kapacitou několika faradů. Je-li kondenzátor nabitý, může se na něm náboj udržet dlouhou dobu a po náhodném dotyku obou svorek můžeme dostat nepříjemnou (někdy i nebezpečnou) ránu. U obvodu se zdrojem střídavého napětí nemůžeme použít vodní analogii, protože hladina vody nemůže klesnout pod nulu (pod dno). Je-li na horní svorce zdroje kladný pól, kondenzátor se nabíjí, proud prochází. Nestačí se však nabít, než dojde k přepólování zdroje. Nyní je horní svorka záporná a kondenzátor se postupně vybíjí a nabíjí s opačnou polaritou. Děj se neustále opakuje. Obvodem stále prochází proud. 23 ELEKTRODYNAMIKA Stejnosměrný proud kondenzátorem neprochází, střídavý proud kondenzátorem prochází. S cívkou jsme se již seznámili. Může mít válcový tvar, může mít více schematická značka cívky s jádrem schematická značka cívky bez jádra vrstev a může mít také feromagnetické jádro. Navíjí se nejčastěji z měděného vodiče. V magnetismu se tato součástka používá k vytváření magnetického pole. V předchozích obvodech zaměníme kondenzátor cívkou s uzavřeným feromagnetickým jádrem. Výsledky pokusů budou zcela jiné. V obvodu se stejnosměrným napětím bude žárovka svítit trvale a poměrně silně. V obvodu se střídavým napětím svítí žárovka jen velmi slabě. Kdybychom mohli měnit frekvenci zdroje, zjistili bychom, že čím je frekvence větší, tím menší proud prochází cívkou. Stejnosměrný proud cívkou prochází, střídavý proud prochází cívkou jen částečně. Protéká-li stejnosměrný proud cívkou, je v jejjím okolí magnetické pole. Při přerušení proudu nemůže magnetické pole okamžitě zmizet. Jeho pokles vyvolává elektromagnetickou indukci. Protože cívka již není součástí obvodu, kterým by mohl procházet proud, na cívce vznikne vysoké napětí. Může to být až několik tisíc voltů. Toho se využívá u některých přístrojů k získávání vysokého napětí. Na rozdíl od rezistorů a kondenzátorů se cívky nevyrábějí jako univerzální součástky. Je na ně kladeno příliš velké množství dalších požadavků (tloušťka drátu, tvar cívky, druh jádra, …). Navíc je měď drahá a cívky mají velké rozměry. Proto se v moderních přístrojích prakticky nevyskytují. Shrnutí Kondenzátor je tvořen dvěma elektrodami, které jsou od sebe odděleny vrstvou dobrého izolantu. Stejnosměrný proud kondenzátorem neprochází, střídavý proud kondenzátorem prochází. Veličina popisující kondenzátor je kapacita. Její jednotkou je farad. Cívkou stejnosměrný proud prochází, střídavý proud prochází cívkou jen částečně. Otázky a úkoly 1 Elektrody vyráběných kondenzátorů mohou mít i jiný tvar než desky. Najdi v literatuře nebo na internetu některé další tvary. 2 Na obrázcích a a b jsou schémata dvou obvodů, ve kterých kondenzátor a cívka oddělují stejnosměrné a střídavé napětí. Ve kterém z obrázků protéká žárovkou pouze střídavý proud? Jaký proud bude procházet žárovkou ve druhém obvodu? a 24 b ELEKTRODYNAMIKA Transformátory Jmenuj některé spotřebiče, které ke své činnosti potřebují transformátor. Jednou z hlavních výhod střídavého napětí je možnost měnit velikost napětí. Mnoho elektrických spotřebičů potřebuje ke své činnosti napětí jiné než napětí sítě 230 V. Zařízením k přeměně velikosti střídavého napětí je transformátor. Transformátory se využívají nejen v domácnosti, ale i při výrobě a přenosu elektrické energie. Transformátor je zařízení umožňující měnit velikost střídavého napětí. Jeho činnost je založena na elektromagnetické indukci. Skládá se obvykle z feromagnetického jádra a několika cívek. Cívka, ke které přivádíme střídavé napětí, které chceme změnit (transformovat), se nazývá primární cívka. Ostatní cívky se nazývají sekundární cívky. Sestavíme jednoduchý transformátor podle obrázku. Na jedno rameno jádra ze soupravy školního rozkladného V1 V2 transformátoru nasadíme cívku s 1 200 závity a na druhé cívku s 600 závity. 1 200 závitů 600 závitů K oběma cívkám připojíme střídavé voltmetry. Ze střídavého zdroje připojujeme na první cívku postupně napětí 2, 4, …, 12 V. Napětí na obou voltmetrech zapisujeme do tabulky. Pokus zopakujeme pro jinou dvojici cívek. Transformátory, které mají několik sekundárních cívek, mohou být zdrojem několika různých napětí. Používá se transformátor v automobilu? Jaký proud se užívá v automobilu? Získáme například takovéto tabulky: N1 = 1 200 závitů, N2 = 600 závitů N1 = 300 závitů, N2 = 600 závitů U1 V U2 V U2 U1 U1 V U2 V U2 U1 2 4 6 8 10 12 0,9 2,0 3,0 3,9 5,0 6,1 0,45 0,50 0,50 0,49 0,50 0,51 2 4 6 8 10 12 3,9 8,0 11,9 16,0 19,8 24,0 1,95 2,00 1,98 2,00 1,98 2,00 Ve třetím sloupci obou tabulek je podíl napětí Obvody se síťovým napětím jsou nebezpečné i při dotyku jednou rukou. Je to způsobeno tím, že nulový vodič je spojen se zemí. Při práci na přístrojích napájených síťovým napětím se proto používají oddělovací transformátory. Mají transformační poměr roven 1. Sekundární napětí je také 230 V, ale není žádným pólem spojeno se zemí. Proto dotyk jednou rukou není nebezpečný. U2 . Přesvědčíme se, že platí: U1 U2 N2 Podíl napětí na cívkách transformátoru je stejný jako podíl počtu jejich závitů . U1 N1 N2 Podíl se nazývá transformační poměr. N1 U 2 N2 = U1 N1 25 ELEKTRODYNAMIKA Když pomocí transformátoru napětí zvyšujeme, hovoříme o „transformaci nahoru“, když napětí snižujeme, jde o „transformaci dolů“. malý transformátor pro elektronické přístroje Kdybychom měřili výkon střídavého proudu na primární i sekundární cívce transformátoru, zjistili bychom, že příkon na primární cívce je jen o málo větší než výkon odevzdaný spotřebiči sekundární cívkou. Znamená to, že účinnost transformátoru je vysoká. U kvalitně vyrobených transformátorů je to až 98 %. Zanedbáme-li rozdíl mezi příkonem a výkonem, můžeme psát I1 U 2 = U1 · I1 = U2 · I2 , neboli . I 2 U1 Pro podíl proudů cívkami transformátoru platí K svařování elektrickým obloukem jsou třeba proudy několik set ampérů. Proto u svařovacích transformátorů mívá sekundární vinutí málo závitů tlustého drátu. Transformátor pro „transformaci dolů“. Používá se pro drobné elektrické spotřebiče. I1 N 2 = . I 2 N1 Výkon je součinem napětí a proudu. Jestliže je výkon rovný příkonu a transformátorem zvyšujeme napětí, musíme se smířit se zmenšením proudu. Naopak při zmenšení napětí dosáhneme velkých proudů. Následující pokusy smí provádět jen vyučující. Sestavíme transformátor s primární cívkou se 1 200 závity a sekundární cívkou se 6 závity. Do svorek sekundární cívky upevníme silnější hřebík. Tento „spotřebič“ má tak malý odpor, že by pro většinu jiných zdrojů představoval nebezpečný zkrat. K primární cívce připojíme síťové napětí N2 6 1 = = 230 V. Transformační poměr je . N1 1200 200 230 Na sekundární cívce bude napětí V 1 V . Proud, který bude protékat hřebíkem, 200 však bude dvěstěkrát větší než proud, který odebírá ze sítě primární cívka. Hřebík se tak velkým proudem rozžhaví jako na fotografii. Zvláštním případem transformátoru je Teslův transformátor. Primární cívka má velmi málo závitů, sekundární jich může mít několik tisíc. Na sekundární cívce tak vzniká velmi vysoké napětí. Frekvence, se kterou pracuje Teslův transformátor, není běžných 50 Hz, ale několik set kilohertzů. Tento transformátor nemusí mít feromagnetické jádro. Transformátor bude tentokrát tvořit primární cívka se 1 200 závity, sekundární cívkou bude jediný závit, zapojený do zkratu. Tvoří jej hliníkový žlábek ve tvaru prstence (obrázek). Proud, který bude protékat hliníkovým žlábkem, bude po připojení síťového napětí k primární cívce tak obrovský, že se žlábek zahřeje na vysokou teplotu. Pokud do něj dáme vodu, voda velmi rychle začne vařit. V žlábku lze dokonce tavit olovo. I v průmyslu se využívá tepelných účinků proudu v jediném závitu sekundární cívky. Tento jediný závit je tvořen kovem, který chceme tavit. Kov se v tomto zařízení – v indukční peci – roztaví. Tavenina se neznečistí uhlíkem, jak k tomu obvykle dochází v pecích vyhřívaných koksem. 26 ELEKTRODYNAMIKA Primární cívkou bude nyní cívka se 600 závity, sekundární cívka bude mít 12 000 závitů. Trans12 000 formační poměr je = 20. Po připojení 600 síťového napětí na primární cívku bude na vývodech sekundární cívky napětí 230 · 20 V = 4 600 V. Tak velké napětí již dokáže vyvolat jiskrový výboj ve vzduchu. Mezi elektrodami ve tvaru písmene V vznikne jiskrový výboj. Tento výboj zahřívá vzduch a stoupá s ním vzhůru. Proudění vzduchu podporuje plamen svíčky. Tím se ale výboj dostává do míst, kde je vzdálenost elektrod stále větší a větší. Při dosažení určité délky zhasne. Ihned vznikne nový výboj v nejužším místě mezi elektrodami a děj se opakuje. Jevu, který ukazuje předchozí pokus, se využívá v bleskojistkách, které můžete někdy vidět na stožárech vysokého napětí. Když dojde k výboji mezi sousedními vodiči, například při bouřce, výboj stoupá do rozšířených míst a zhasne. V minulém ročníku jste se učili o výrobě a přenosu elektrické energie. Dozvěděli jste se, že je výhodné přenášet elektrickou energii na větší dálky vedením velmi vysokého napětí. Je možné rozsvítit žárovku na 230 V s příkonem 60 W pomocí přívodních vodičů, které tvoří provázky namočené do slané vody? Při přímém připojení by samozřejmě žárovka nesvítila. Provázky (i když jsou namočené do slané vody) mají tak velký odpor, že proud v obvodu by na rozsvícení žárovky nestačil. Pokud ale využijeme transformaci na vysoké napětí a zpět pomocí dvou transformátorů, žárovka svítí. Transformátory musí mít opačné transformační poměry. Při dálkovém přenosu elektrické energie jsou ztráty tím menší, čím větší je napětí. Přenos elektrické energie od generátoru ke spotřebiči se uskutečňuje obvykle takto: Na výstupu generátoru v elektrárně je střídavé napětí několik tisíc voltů. To je pro přenos na dlouhou vzdálenost malá hodnota. Proto se transformátorem napětí zvýší, například na 400 kV. Vedením tohoto velmi vysokého napětí se energie přenáší do blízkosti místa spotřeby – do blízkosti měst nebo továren. V rozvodně se napětí sníží na hodnotu 23 kV. Při tomto napětí se energie přivádí k jednotlivým vesnicím nebo městským částem. Tam se dalším transformátorem napětí sníží na napětí spotřebitelské sítě – 3 x 400 V nebo 230 V. Na obrázku je schéma přenosové sítě od generátoru ke spotřebiči. 400 000 V Napětí na sekundární cívce Teslova transformátoru může být několik stovek tisíc i několik milionů voltů. Protože elektrický proud s tak velkými frekvencemi má malé účinky na živý organizmus, je možné provádět s Teslovým transformátorem efektní pokusy: zářivka svítí v ruce, blesky o délce několika desítek centimetrů vstupují do lidského těla bez následků, žárovka zapojená do zkratu svítí, … Transformátory, které pracují s vysokým napětím, mají vývody izolovány porcelánovými nebo skleněnými izolátory. 23 000 V 230 V / 400 V V jiných státech používá přenosová síť ještě vyšší napětí než 400 kV. 6 000 V elektrárna rozvodna místní transformátor domácnost 27 ELEKTRODYNAMIKA Shrnutí U velkých transformátorů je poměrně silné magnetické pole i v jejich okolí. Proto by do jejich blízkosti neměli chodit lidé, kteří mají kardiostimulátor. To se týká i vedení vysokého napětí. Transformátor je zařízení umožňující měnit velikost střídavého napětí. Jeho činnost je založena na elektromagnetické indukci. Transformátor se skládá obvykle z feromagnetického jádra a několika cívek. Cívka, ke které přivádíme střídavé napětí, které chceme změnit (transformovat), se nazývá primární cívka. Ostatní cívky se nazývají sekundární cívky. Má-li sekundární cívka mnohem více závitů než cívka primární, získáváme vysoké napětí. Naopak velmi vysoké elektrické proudy je možné získat pomocí transformátorů s malým počtem závitů sekundární cívky. Při dálkovém přenosu elektrické energie jsou ztráty tím menší, čím větší je napětí. Napětí z generátoru se transformátorem zvyšuje na 400 kV. Na místě spotřeby se napětí dalšími transformátory opět snižuje. Otázky a úkoly 1 Transformátor snižuje napětí z 230 V na 6 V. Primární cívka má přitom 1 200 závitů. Kolik závitů má sekundární cívka? Které vinutí je asi zhotoveno z tlustšího drátu? 2 Proč se pistolové páječce také říká transformátorová? Jak asi pracuje? Třífázové napětí Kdy probíhala elektrifikace v našich zemích? K čemu se používal elektrický proud v této době? Který vědec měl na elektrifikaci českých zemí největší zásluhu? Zjisti na internetu, zda měl Nikola Tesla nějaký vztah k Čechám. Před více než sto lety začala ve vyspělých zemích probíhat elektrifikace. Nejprve se využíval stejnosměrný proud – byl vyráběn dynamy a rozváděn do nejbližšího okolí. Aby měli spotřebitelé k dispozici dostatečný příkon, musely vedením protékat velké proudy. Tím vznikaly na vedení velké ztráty. Kromě toho se stejnosměrné napětí jen obtížně měnilo a změny vedly k dalším ztrátám. Tyto nevýhody nemělo střídavé napětí. Bylo možno jej pomocí transformátorů podle potřeby snižovat nebo zvyšovat, a to s malými ztrátami. Přesto se zavedení střídavého proudu neprosadilo hned. Rozhodujícím předělem bylo vytvoření třífázové soustavy a Teslův vynález jednoduchého a velice levného elektromotoru. Tři stejné cívky (například s 1 200 závity) s feromagnetickými jádry položíme na stůl podle obrázku. Ke každé cívce připojíme voltmetr s nulou uprostřed stupnice. Do středu umístíme magnet otáčivý kolem svislé osy a zvolna jím rovnoměrně otáčíme. Ručky voltmetrů budou kmitat s periodou odpovídající periodě otáčení magnetu. V každé cívce vzniká střídavé napětí. Máme tedy tři zdroje střídavého napětí. Nazýváme je fáze. Časový průběh napětí fází je posunut vždy o jednu třetinu periody. Graf na další straně znázorňuje časový průběh při dokonalejším uspořádání magnetu a cívek. Takové napětí označujeme jako třífázové napětí. 28 120° 120° B ELEKTRODYNAMIKA Ověř, že součet napětí v čase 8,5 s (vyznačen černou úsečkou) je nulový. V čase 8,5 s jsou napětí jednotlivých fází rovna 2,7 V, –0,3 V a –2,4 V. Součet všech tří napětí je nulový. Stejný výsledek bychom dostali i v jiných okamžicích. U V 3 V pokusu se otáčí magnet v blízkosti cívek. Bude napětí vznikající v cívkách záviset na frekvenci otáčení magnetu? Vzpomeň si, na čem závisí indukované napětí. 2 1 0 –1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 t s –2 –3 Součet napětí všech tří fází je v každém okamžiku nulový. Urči z časových průběhů napětí fází periody a amplitudy. Jaká jsou napětí dvou zbývajících fází v časovém okamžiku, kdy má jedna fáze nulové napětí? Kdybychom z každé cívky vedli dva vodiče, jak je vyznačeno na schématu, musel by se třífázový rozvod uskutečňovat pomocí šesti vodičů. To by bylo příliš nákladné. Spojíme proto začátky všech tří cívek. K přenosu pak stačí čtyři vodiče místo šesti. Takovému zapojení říkáme zapojení do hvězdy. Jeho schéma je na levém obrázku. Uf Us Us fázový vodič fázový vodič Uf fázový vodič Us Us střední vodič Uf Us fázový vodič Us fázový vodič fázový vodič zapojení do hvězdy zapojení do trojúhelníku Protože součet napětí všech tří fází je v každém okamžiku nulový, můžeme cívky zapojit i tak, že spojíme vždy konec jedné cívky se začátkem další. Vznikne tak zapojení do trojúhelníku. Jeho schéma je na obrázku vpravo. V tomto případě vystačíme se třemi vodiči. Společný vodič v zapojení do hvězdy se nazývá střední (neutrální) vodič a bývá spojen se zemí (uzemněn). Ostatní vodiče označujeme jako fázové vodiče. Napětí mezi středním vodičem a vodičem fázovým se nazývá fázové napětí (Uf ). Generátory v elektrárnách pracují na stejném principu jako v popsaném pokusu. Cívky jsou mohutné a jsou součástí statoru. Rotorem je elektromagnet, který se otáčí s frekvencí 50 Hz. Po transformacích a rozvodu do domácností je efektivní hodnota fázového napětí 230 V. Jeho amplituda je 330 V. Napětí mezi libovolnými dvěma fázovými vodiči je sdružené napětí (Us ). Jaký je časový průběh a efektivní hodnota sdruženého napětí v našem pokusu? 29 Jak se změní napětí v tomto pokusu, když použijeme cívky s vyšším počtem závitů? V praxi je důležité, aby byly všechny tři fáze stejně zatížené. Proto jsou spotřebiče využívající fázové napětí v domácnostech i v průmyslových podnicích napájeny z různých fází. V bytě se k různým fázím připojují lustry a zásuvky. ELEKTRODYNAMIKA Sdružené napětí je rozdílem dvou fázových napětí. To můžeme zjistit jednoduše pomocí časových průběhů fázových napětí. Zvolíme si časové průběhy z minulé strany označené červenou a zelenou barvou. Jejich rozdíl najdeme tak, že postupně v jednotlivých okamžicích určíme z grafu (například pomocí měřítka) obě napětí včetně znaménka a zapíšeme jejich rozdíl do tabulky. V technické praxi označujeme fázové vodiče černou, hnědou a modrou barvou. Střední vodič má zelenožlutou barvu. t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 s Us 5,2 4,2 1,6 –1,6 –4,2 –5,2 –4,2 –1,6 1,6 4,2 5,2 4,2 1,6 –1,6 –4,2 –5,2 V Z tabulky nakreslíme časový průběh sdruženého napětí. Dostaneme graf vpravo. Sdružené napětí má stejně jako fázová napětí harmonický průběh a stejnou periodu. Liší se amplitudou, která je 1,73krát větší. Efektivní hodnota je proto také 1,73krát větší. Us V 6 4 2 0 –2 0 5 10 15 –4 Efektivní hodnota sdruženého napětí roz–6 váděného do průmyslových podniků · a domů je 230 · 1,73 V = 398 V = 400 V. Třífázové napětí se často označuje 3 × 400 V. Zatím není patrná žádná výrazná výhoda třífázového napětí. Tu odhalil Nikola Tesla koncem 19. století. Objevil, že s využitím třífázového napětí pracují jednoduché a levné elektromotory. Když přehodíme mezi sebou dvě fáze, bude se magnetka točit na druhou stranu. To je další výhodou třífázového napětí. Sestavíme opět tři cívky jako v prvním pokusu a spojíme je do hvězdy. Magnet ve středu nahradíme lehkou, volně otočnou magnetkou. Cívky připojíme ke školnímu zdroji třífázového napětí, který má fázové napětí 24 V. Magnetka se roztočí. V soustavě tří cívek připojených ke zdroji třífázového napětí vzniká točivé magnetické pole. V prvním pokusu této kapitoly docházelo k přeměně mechanické energie potřebné k otáčení magnetu na energii elektrickou. Zde naopak se energie elektrická přeměňuje na energii mechanickou. Shrnutí Třífázové napětí vzniká otáčením magnetu v soustavě tří cívek. Máme tedy tři zdroje střídavého napětí – fáze. Třífázový rozvod lze využít k zapojení do hvězdy nebo k zapojení do trojúhelníku. Fázové napětí je napětí mezi středním a fázovým vodičem. Sdružené napětí je napětí mezi libovolnými dvěma fázovými vodiči. Efektivní hodnota fázového napětí přiváděného do domácností je 230 V. Efektivní hodnota sdruženého napětí je 400 V. Třífázový rozvod lze využít k vytvoření točivého magnetického pole. Otázky a úkoly 1 Vypočti amplitudu sdruženého napětí v rozvodu 3 × 400 V. 2 Nakresli časové průběhy napětí, které by vznikaly ve čtyřfázovém rozvodu. Ten by obsahoval čtyři cívky odchýlené o 90 °. Proč se takový rozvod nepoužívá? 30 t s ELEKTRODYNAMIKA Elektromotory Někdy může dojít k vynálezu i šťastnou náhodou. Právě takový případ nastal v roce 1875 na elektrotechnické výstavě ve Vídni. Jedno z vystavených dynam přestalo pracovat. Technici se chtěli přesvědčit, zda obvod dynama není přerušen, a proto výstupní svorky připojili k jinému běžícímu dynamu. K jejich překvapení se zkoušené dynamo roztočilo. Stejnosměrný motor spatřil světlo světa. Elektromotory jsou stroje, které přeměňují elektrickou energii na mechanickou práci. Stejnosměrný elektromotor je uspořádán stejně jako dynamo. Jeho nehybná část – stator – vytváří magnetické pole. U malých elektromotorů může stator tvořit stálý magnet, u větších elektromotorů jej tvoří elektromagnet. Rotor je opatřen komutátorem jako u dynama. Jednotlivé části komutátoru jsou připojeny k vývodům cívek. Na rotoru může být v nejjednodušším případě jen jedna cívka, komutátor má pak jen dvě části. Častěji je však na rotoru více cívek, dosahuje se tak vyšší účinnosti. Ke komutátoru jsou přitlačovány kartáčky, které tvoří obvykle grafitové tyčinky. Ke kartáčkům komutátoru se připojuje zdroj stejnosměrného napětí. Na dolním obrázku je schematicky zobrazen řez motorem. Činnost motoru je založena na síle, kterou působí motor s komutátorem magnetické pole na vodič. Elektrický proud procházející cívkou statoru vytváří magnetické pole. To působí na cívka vodiče rotoru silami, které jsou vyznačeny červestatoru nými šipkami. Vzniká dvojice sil, která rotorem otáčí. Při otáčení rotoru síla postupně klesá až stator cívka dvojice sil do okamžiku, kdy se ke kartáčkům dostane rotoru mezera v komutátoru. Pak se směr proudu v cívce rotoru obrátí, síly působí ve stejném kartáčky směru a opět vzrůstají. Hřídel rotoru přerotor náší otáčení na poháněný stroj. Stator malého elektromotoru je tvo- komutátor řen stálým magnetem. Co se stane, když přepólujeme vstupní svorky elektromotoru? Magnetické pole vytvářené statorem se nezmění, ale póly na rotoru se změní na opačné. Směr otáčení se obrátí. U větších elektromotorů, kde je statorem elektromagnet, je situace jiná. Cívky statoru a rotoru mohou být zapojeny za sebou, nebo vedle sebe. V obou případech se ale přepólováním vstupních svorek směr otáčení nezmění, protože se přepóluje stator i rotor. Proto lze tyto motory využít i pro střídavé napětí. 31 Elektromotory mají proti tepelným motorům několik předností. Jsou menší, mají vyšší účinnost a nemusí se doplňovat palivo. Jejich nevýhodou je, že musí být připojeny k elektrické síti. Dnes se můžeme setkat s elektromotory velice rozdílných velikostí – od malých motorků pohánějících hračky až po veliké motory pohánějící elektrické lokomotivy, válcovací stolice a podobná průmyslová zařízení. modelářský motorek ELEKTRODYNAMIKA Pokud jsou cívky zapojeny za sebou, má motor hned po zapnutí velký moment síly. Používá se hlavně u tramvají, metra, výtahů a dalších dopravních prostředků. komutátorový motor ve vrtačce Kritickou částí komutátorových motorů je komutátor. Mezery v něm se zanášejí a po delším užívání je nutno komutátor očistit nebo dokonce obrousit. V domácnosti najdeme častěji motory s cívkami zapojenými vedle sebe, které mají stálé otáčky. Takové elektromotory najdeme ve vysavačích, vrtačkách, vysoušečích vlasů, sekačkách, ale například také v obráběcích strojích. V předchozí kapitole jsme ukázali možnost vzniku točivého magnetického pole při využití třífázového napětí. Používat magnet jako rotor by nebylo příliš výhodné. Elektromagnetická indukce však umožňuje třífázový motor výrazně zjednodušit. V pokusu se třemi cívkami nahradíme magnetku otáčivou klecí. Klec je tvořena silnými rovnoběžnými měděnými dráty, jejichž konce jsou zkratovány měděnými prstenci. Trochu to připomíná klec známého hlavolamu „ježek v kleci“. Když do cívek přivedeme třífázový proud, klec se roztočí. Jednotlivá „okénka“ klece tvoří uzavřené obvody, v nichž se vlivem točivého magnetického pole mění magnetické pole. Elektromagnetickou indukcí v nich vzniká elektrický proud. Proto na každý drát klece působí síla. Síly působící na dráty klec roztočí. Ve skutečných motorech je klec rotor vyplněn feromagnetickými plechy. Popsanému elektromotoru se říká třífázový motor s kotvou nakrátko. řez třífázovým motorem 32 ELEKTRODYNAMIKA Je velmi rozšířený a používá se k pohonu různých strojů s velkým výkonem, například cirkulárky, soustruhu, brusky, domácí vodárny, pásového dopravníku a jiných průmyslových strojů. cirkulárka soustruh Největší výhodou třífázového motoru s kotvou nakrátko je, že neobsahuje kartáčky ani komutátor. To zaručuje jednoduchost konstrukce, s níž souvisí spolehlivost a dlouhá životnost. I v počítačích najdeme několik elektromotorů. Pohánějí větráčky u procesoru, větší větráky ochlazují celý počítač, jiné elektromotorky pohánějí pevný disk i disky v CD jednotkách. Shrnutí Elektromotory jsou stroje, které přeměňují elektrickou energii na mechanickou práci. Elektromotor může být uspořádán stejně jako dynamo. Má stator a rotor s cívkami a komutátorem. Tento elektromotor lze užít pro stejnosměrný i střídavý proud. Proto je součástí mnoha domácích spotřebičů. Pro pohon strojů jsou nejvhodnější třífázové motory s kotvou nakrátko. Jejich rotor nevyžaduje žádné přívody proudu. Když se mezi třemi cívkami otáčí magnet, získáváme motor, jehož počet otáček je stálý a odpovídá frekvenci točivého magnetického pole. Proto jej označujeme jako synchronní (synchronní = časově sladěný). Synchronní elektromotory jsou důležité tam, kde je třeba udržovat stálý počet otáček. Otázky a úkoly 1 Ve kterých spotřebičích máte doma elektromotory? 2 V některých hračkách (vláčky, auta s dálkovým ovládáním, …) jsou také elektromotory. Přepólováním napětí se mění směr pohybu. Který typ elektromotorů je v hračkách? Elektromagnetické kmity Zatáhneme-li za závaží zavěšené na pružině a uvolníme ho, bude vykonávat tlumený kmitavý pohyb. Tlumení pohybu je způsobeno přeměnou energie kmitání na teplo vznikající třením a odporem prostředí. Stejně tak se tlumí kmitání vody ve spojených nádobách. Neustále se mění pohybová energie na polohovou a naopak. Výška hladiny se dá přirovnat k elektrickému napětí. Mohou podobné kmity vzniknout i v elektrickém obvodu? Elektrické napětí se může velmi snadno měnit při nabíjení a vybíjení kondenzátoru, jak jsme poznali v kapitole o kondenzátoru a cívce. Nabitý kondenzátor se podobá nádobě naplněné vodou. Je z toho možné usoudit, že energie uložená v kondenzátoru má podobu energie polohové – potenciální. Naopak elektromagnetická indukce vzniká při změně magnetického pole, které může být vyvoláno změnou elektrického proudu. Můžeme proto předpokládat, že vhodnou elektrickou součástkou, ve které bude vznikat obdoba pohybové energie, je cívka. 33 ELEKTRODYNAMIKA Podle obrázku zapojíme cívku s jádrem, kondenzátor, ampérmetr, přepínač a stejnosměrný zdroj. Nejprve je přepínač v poloze 1, kondenzátor je nabitý, jeho energie je maximální. Přepneme přepínač do polohy 2. Kondenzátor se tak připojí k cívce a začne se vybíjet. Ve feromagnetickém jádře vzniká magnetické pole. Energie kondenzátoru se postupně mění na energii magnetického pole cívky. Když se kondenzátor vybije, je jeho energie nulová. 1 2 V cívce je však stále magnetické pole. To začne zanikat a tato změna vyvolá v cívce elektromagnetickou indukci. Indukovaný proud teče stejným V směrem jako při vybíjení kondenzátoru. Kondenzátor se nabíjí na napětí opačné polarity. Když magnetické pole zanikne, kondenzátor bude znovu nabit. Začne se znovu vybíjet, proud ale protéká opačným směrem. Celý děj se stále opakuje. Energie se postupně přeměňuje ve vodičích na U teplo a velikost amplitudy napětí na kondenzátoru stále klesá. Časový prů- V6 běh napětí na kondenzátoru je vyzna4 čen na grafu vpravo. Podobný průběh, ale posunutý v čase, bychom zjistili 2 u proudu v obvodu. Je to průběh tlu0 t mených elektrických kmitů. 0 5 10 15 s Frekvence kmitů obvodu LC závisí na kapacitě kondenzátoru a na vlastnosti cívky, které se říká indukčnost. Indukčnost se značí velkým písmenem L a závisí na počtu závitů, velikosti cívky a na vlastnostech jejího jádra. Při větší kapacitě kondenzátoru a indukčnosti cívky budou mít kmity menší frekvenci. Vzorec pro frekvenci, kterému se říká Thomsonův, má tvar: f= 1 2 ⋅ π ⋅ L ⋅C . Paralelní zapojení kondenzátoru a cívky se nazývá kmitavý obvod LC. –2 –4 –6 Z kapitol o kmitech z minulého ročníku víme, že k dosažení netlumeného kmitání je třeba dodávat energii. Elektronickým obvodům, které to dokážou, se říká oscilátory. Ani netušíme, kolik máme doma oscilátorů. Oscilátory jsou součástí televizních přijímačů, počítačů, najdeme je i v mikrovlnné troubě, v elektronických hodinkách, v mobilním telefonu, … Důležité jsou oscilátory, u kterých je možné měnit kapacitu. Frekvence takových oscilátorů se může měnit. Bez takových oscilátorů bychom si nemohli zvolit televizní program. Shrnutí Paralelní zapojení kondenzátoru a cívky se nazývá kmitavý obvod LC. Když nabitý kondenzátor připojíme paralelně k cívce, napětí na kondenzátoru i proud v obvodu se mění a vznikají tlumené elektrické kmity. Netlumené kmity vzniknou, když obvodu periodicky dodáváme potřebnou energii – získáváme tak oscilátor. 34 ELEKTRODYNAMIKA Otázky a úkoly 1 Kdybychom sestavili obvod při pokusu s kondenzátorem s menší kapacitou nebo kdybychom vybrali menší cívku, byla by frekvence kmitů větší. Proč by nebylo možné pozorovat na voltmetru kmity s frekvencí vyšší než několik hertzů? 2 Vznikly by tlumené elektrické kmity i v obvodu nakresleném na schématu po uvolnění tlačítka? Proč? Elektromagnetické vlny Na Faradayovy představy o elektrickém a magnetickém poli navázal James Clerk Maxwell. Byl přesvědčen, že stejně tak jako změny magnetického pole vyvolávají pole elektrické, tak také změny elektrického pole jsou příčinou pole magnetického. Z toho odvodil, že mohou existovat elektromagnetické vlny. Teprve později dokázal jejich existenci Heinrich Hertz. Využití těchto vln vedlo k rozvoji rádiového spojení, rozhlasu, televize, navigačních přístrojů, radiolokace a mobilních telefonů. Magnetické pole můžeme znázornit pomocí indukčních čar. Elektrické pole popisujeme Hertzův pokus prokazující existenci elektromagnetických vln elektrickými siločarami. Od začátku roku se přesvědčujeme o tom, že elektrické a magnetické jevy spolu vzájemně souvisejí. Elektrický proud je zdrojem magnetického pole, změny magnetického pole vyvolávají indukcí elektrické napětí. Jmenuj aspoň jeden případ, kdy je elektrický proud zdrojem magnetického pole, a jeden případ, kdy jsou změny magnetického pole příčinou elektrického proudu. Oscilátory s tak nízkou frekvencí, jakou jsme pozorovali v pokusu, je velmi obtížné zkonstruovat. Potřebovali bychom k tomu kondenzátory obrovských kapacit a velké cívky s mohutnými jádry. V praxi se častěji setkáváme s oscilátory, které kmitají s frekvencemi řádu kHz, MHz a GHz. James Clerk Maxwell [džejmz klák meksvel] (1831–1879) byl skotský matematik a fyzik. Vzájemná souvislost elektrického a magnetického pole vybízí k tomu, abychom obě pole popisovali společně. Zvláště výrazné je to v situaci, kdy se některé z polí mění. Mluvíme pak o elektromagnetickém poli. Ve druhé polovině 19. století si skotský fyzik Maxwell uvědomil, že souvislost elektrického a magnetického pole může být ještě výraznější. Matematickými cestami dospěl k poznatku, že změny elektrického pole mohou být příčinou pole magnetického. Z jeho slavných matematických rovnic vyplynula i možnost existence elektromagnetických vln. Vrátíme se nyní k elektrickým kmitům v obvodu s paralelním spojením cívky a kondenzátoru. Vznikající kmity uvnitř kondenzátoru představují proměnné elektrické pole, v cívce a jejím okolí vzniká proměnné pole magnetické. Nejtypičtější případ, kdy se setkávají obě pole a časově se mění, je případ kmitavého obvodu LC, který kmitá netlumeně. V kondenzátoru se mění elektrické pole, v cívce se mění magnetické pole. Na obrázku jsou vyznačeny různými barvami indukční čáry v jádře cívky a siločáry elektrického 35 Heinrich Hertz [hajnrich herc] (1857–1894) byl německý fyzik, je po něm pojmenována jednotka frekvence. ELEKTRODYNAMIKA Každá elektrická jiskra (a tedy také blesk) je zdrojem elektromagnetických vln. Když za bouřky posloucháme rádio na dlouhých vlnách, projeví se každý blesk praskotem. pole uvnitř kondenzátoru. Pronikání obou polí do okolí je zanedbatelné. Obě pole jsou proto v prostoru oddělena. Představme si, že z cívky odstraníme jádro. Indukční čáry už nebudou omezeny na prostor jádra, ale projeví se i v okolí cívky. Aby do okolí kondenzátoru pronikly siločáry elektrického pole, musí se otevírat desky kondenzátoru. Situace je znázorněna na obrázcích vpravo. Nyní začneme natahovat cívku. Konečný stav představuje další obrázek. Cívka se změnila na vodič, soustřednými kružnicemi jsou naznačeny indukční čáry magnetického pole. Horní a dolní část vodiče jsou zároveň opačně nabitými elektrodami kondenzátoru. Elektrické siločáry tvoří oblouky spojující horní a dolní konec. Obě pole se stále mění a šíří se současně do prostoru – vzniká elektromagnetická vlna. Přímý vodič, který je zdrojem elektromagnetických vln, můžeme nalézt u osobních vysílaček, podobnými drátovými anténami jsou vybaveny i satelity. I v mobilních telefonech jsou podobné antény, jsou však velmi krátké a jsou skryty uvnitř pouzdra. Z minulého ročníku víme, že vlny mohou být podélné nebo příčné. Jak poznáme, jaké jsou elektromagnetické vlny? Je to obtížnější než u jiných druhů vlnění, protože zde nekmitají částice látky, mění se jen elektrické a magnetické pole. Navigační systémy, například GPS, jsou založeny na šíření elektromagnetických vln mezi družicemi a navigačním přístrojem. Radary vyzařují elektromagnetické vlny, které se odrážejí od vodivých předmětů. Tak je možné zjistit polohu letadla na vzdálenost mnoha desítek kilometrů. K rozlišení, zda je elektromagnetické vlnění příčné či podélné, nám opět pomohou antény. U antén pro příjem pozemních vysílačů televize je nejdůležitější částí přijímací dipól. Je to část antény, která má buď tvar přerušeného oválu, nebo dvou různě tvarovaných vodičů. Příjem televize je nejlepší, když je tato část kolmá ke směru k vysílači. Můžeme z toho tvary dipólů usoudit, že k anténě přichází příčné vlnění. Elektromagnetické vlnění je vlněním příčným. Kolmo ke směru šíření kmitá jak elektrické, tak magnetické pole. Způsob šíření harmonického elektromagnetického vlnění je znázorněn na obrázku. Červenými šipkami jsou znázorněny kmity elektrického pole, modrými kmity magnetického pole. Vzhledem k tomu, že vlnění není vázáno na látku, může se šířit i ve vakuu. elektrické pole magnetické pole 36 ELEKTRODYNAMIKA Hertzovi se podařilo zjistit, že elektromagnetické vlny se šíří rychlostí světla. Mezi frekvencí f, c c vlnovou délkou λ a rychlostí světla c platí proto vzorce: f = , λ = . λ f Jaká je vlnová délka elektromagnetického vlnění, které se užívá pro přenos rozhlasového signálu na frekvenci 100 MHz? f = 100 MHz m c = 300 000 000 s λ=?m Po dosazení λ = c 300 000 000 m = 3 m . Vlnová délka je 3 metry. = f 100 000 000 Když maminka šlehala elektrickým šlehačem sníh na koláč, běhaly přes obrazovku televizoru bílé a černé čárky. Ve zvuku se zároveň ozývalo protivné praskání. Právě jsem koukal na dobrodružný film a trochu mi to vadilo. Když jsem to řekl tátovi, který mámě pomáhal, řekl, že je na čase koupit nový šlehač, protože ten starý ruší televizi. Co je zdrojem nepravidelného elektromagnetického vlnění ve starém šlehači, které ruší televizi? Kde vzniká podobné rušení u motocyklu? Elektromagnetické vlnění, podobně jako jiné druhy vlnění, může procházet určitými látkami, může se odrážet a může nastat i ohyb. Elektromagnetické vlny se odrážejí od kovů, neprocházejí jimi. Od izolantů se částečně odrážejí, částečně jimi procházejí. rozhlasový a televizní vysílač na Ještědu Aby nebylo televizní a rozhlasové vysílání rušeno, dbá telekomunikační úřad, aby nahodilé zdroje elektromagnetických vln byly řádně odrušeny. V hlubokém údolí často není televizní signál. Je nutno na blízkém kopci postavit vykrývací vysílač nebo odražeč signálu z vysílače. Jak se pozná, že v domech v údolí přijímají signál z vykrývacího vysílače? Proč je slyšet mobilní telefon v autě? Kudy elektromagnetické vlnění proniká? Jaká je asi jeho vlnová délka? Zdrojem elektromagnetických vln s vysokou frekvencí, které se využívají například v mikrovlnné troubě, je součástka, které se říká magnetron. Mezi vynálezce magnetronu patří český fyzik profesor Žáček. Elektromagnetické vlny se využívají i při hledání kovových předmětů. Doma se seznam s parametry mik- magnetron pro mikrovlnnou troubu rovlnné trouby. V misce pro použití v mikrovlnné troubě ohřej trochu vody. Zkus upéci brambor nebo jablko. Proč se pro použití v mikrovlnné troubě musí užívat speciální nádobí? Proč nelze do mikrovlnné trouby dávat kovové nádobí ani porcelánové nádobí se zlatým nebo stříbrným vzorem? 37 I mnohé hračky ovládáme pomocí elektromagnetických vln. ELEKTRODYNAMIKA Elektromagnetické vlnění, které se používá pro pozemní vysílání rozhlasu a televize, má vlnové délky od několika kilometrů do několika desítek centimetrů. Mobilní telefony pracují s vlnovými délkami 33 a 17 cm. Elektromagnetické vlnění v mikrovlnných troubách má vlnovou délku 12,24 cm. Satelitní vysílače televize pak používají vlnění s vlnovou délkou několika centimetrů. Elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami mezi 1 mm a 760 nm má vlastnosti odlišné: je to tepelné (infračervené) záření. Viditelné světlo je také elektromagnetické vlnění. Má vlnové délky od 760 nm do 370 nm. S elektromagnetickým vlněním, jehož vlnové délky jsou ještě kratší, se seznámíš v kapitole o záření z elektronového obalu atomu. Dálkové ovladače televizorů a jiných přístrojů spotřební elektroniky využívají elektromagnetické vlny nejčastěji v infračervené oblasti. Shrnutí Elektrické a magnetické pole spolu často souvisejí. Zvláště výrazné je to v situaci, kdy se některé z polí mění. Mluvíme pak o elektromagnetickém poli. Elektromagnetické vlny jsou příčné a šíří se i ve vakuu. Šíří se rychlostí světla. Elektromagnetickými vlnami se přenášejí signály rozhlasu, televize a mobilních telefonů. I světlo je elektromagnetické vlnění. Otázky a úkoly 1 Vypočti frekvence, které mají elektromagnetické vlny přijímané a vysílané mobilními telefony. 2 Budíky i náramkové hodinky řízené rádiem se řídí elektromagnetickým vlněním z Meinflingenu u Frankfurtu nad Mohanem. O kolik mikrosekund se liší údaj na takových hodinkách od správného času? Má tento rozdíl význam pro měření času? Bezpečnost práce s elektrickými spotřebiči Staré přísloví praví, že „oheň je dobrý sluha, ale zlý pán“. Tato věta vystihuje skutečnost, že oheň dobře sloužil lidstvu od nepaměti. Při požáru však může způsobit ohromné škody. Také užívání elektrické energie nám přináší velký prospěch. Není však užívání elektřiny spojeno s rizikem, jako je tomu u ohně? Ve škole provádíme pokusy s elektrickým proudem, doma máme elektrické hračky. Používají se jen přístroje na bezpečné napětí. To je v suchém prostředí 50 V, v prostředí vlhkém 25 V. Možná už jsi „dostal elektrickou ránu“ při náhodném dotyku vodiče pod napětím. Průvodním jevem je úlek, otřes těla a brnění svalů. To je ovšem lehký případ. Řada úrazů elektrickým proudem bohužel končívá horšími následky. Na čem závisí tyto nebezpečné účinky elektřiny? Je to především napětí. Při vysokém napětí elektrické sítě může dojít k přeskoku jiskry a k rozsáhlému popálení postiženého. V takových případech dochází obvykle k trvalému postižení nebo k smrti zasaženého člověka. Při úrazu elektřinou je důležitý proud, který tělem projde. Při proudu 1 až 3 mA pociťujeme „mravenčení“ ve svalech. Po dosažení 10 mA ochrnou svaly, které ovládáme vůlí. Při proudu asi 20 mA nastává ochrnutí dýchacích svalů. Dosáhne-li proud 30 až 35 mA, nastává ochrnutí srdce. Následky úrazu elektrickým proudem závisí ovšem na fyzickém i psychickém stavu postiženého. Všeobecně platí, že úlek zhoršuje účinek elektrické rány. Také doba průchodu proudu má značný význam. 38 ELEKTRODYNAMIKA Co nesmíme dělat? Zjisti, kde máte doma hlavní jistič a vypínač proudu. Při požáru je nutno jako jedno z prvních opatření vypnout proud v celém objektu. 1. Nestrkáme do zásuvek elektrické sítě žádné předměty. 2. Nedotýkáme se žádných vodičů, u nichž je sebemenší podezření, že by mohly být pod napětím větším než 25 V. 3. Nepřibližujeme se k vodičům vysokého napětí (ani když jsou spadlé na zem). Elektrická jiskra může přeskočit do značné vzdálenosti. To se týká i trolejí vlaků a tramvají. 4. Nikdy nelezeme na stožáry rozvodné elektrické sítě. Nevstupujeme do místností s transformátorem na vysoké napětí. 5. Nerozebíráme elektrické spotřebiče, když jsou připojeny k síti. stožár vysokého napětí 6. Nemanipulujeme s elektrickými spotřebiči, když jsme ve sprše či ve vaně nebo jsme mokří. 7. Neopravujeme pojistky. Změř ohmmetrem elektrický odpor svého těla. Přívodní vodiče od přístroje svírej prsty. Pak opakuj měření s navlhčenými prsty. Odpor, který naměříš, závisí na stavu kůže. Také záleží na transformátor na vysoké napětí tom, při jakém napětí se odpor měří. V ohmmetrech bývá zdrojem monočlánek, který má napětí jen 1,5 V. Starší, rukama pracující člověk, může mít elektrický odpor až několik megaohmů, u mladších dětí je to jen několik kiloohmů. Odpor se však sníží, když je pokožka mokrá. Většinu odporu představuje povrchová vrstva pokožky. Ta je velmi tenká, vyšší napětí ji může prorazit. Proto odpor těla prudce klesá při napětí vyšším než 100 V. Co musíme udělat, jsme-li přítomni úrazu elektrickým proudem? Všechny následující kroky je nutno udělat rychle, ale s rozmyslem. 1. Vyprostíme postiženého z dosahu nebezpečného napětí. To provedeme některým z těchto způsobů: vypnutím proudu spínačem, odtažením postiženého z dosahu vodiče (postiženého je nutno uchopit za nevodivou část oděvu), pomocí nevodivého předmětu přerušíme dotyk postiženého s vodičem. 2. Zjistíme zdravotní stav postiženého. Podle výsledku postupujeme dál. 3. Postup první pomoci. a) Postižený je při vědomí, dýchá, ale je otřesen – položíme ho do stabilizované polohy. (Postižený leží na suchém místě na pravém boku, pravou ruku pod hlavou a levou nohu mírně pokrčenou. Uvolníme oděv u krku. Je-li k dispozici přikrývka, postiženého přikryjeme.) b) Postižený je v bezvědomí, dýchá a má hmatný tep. Snažíme se postiženého přivést k vědomí (otřít čelo studenou vodou, dát čichnout parfém, …). Dále postupujeme jako v případě a). 39 Když spadne na zem vodič vysokého napětí, je nebezpečné přijít do jeho blízkosti. V okolí takového vodiče je v zemi elektrické pole. Při chůzi může mezi levou a pravou nohou vzniknout poměrně velké napětí. Říkáme mu krokové napětí. ELEKTRODYNAMIKA c) Postižený je v bezvědomí, nedýchá, ale má hmatný tep. Položíme ho na záda a zavedeme umělé dýchání z úst do úst (dodržujeme zásady, které jsme se učili). Jakmile začne postižený dýchat, postupujeme jako v bodu b). d) Postižený je v bezvědomí, nedýchá, tep je nehmatný. Provedeme nepřímou masáž srdce. Postižený leží na zádech a stlačujeme mu hrudní kost v rytmu 60–80 stlačení za minutu. Začne-li srdce postiženého pracovat, zahájíme umělé dýchání. 4. Voláme záchrannou lékařskou službu (155). Jednotné číslo tísňového volání je 112. Poskytnutí první pomoci je povinností každého dospělého člověka, pokud tím neohrozí své zdraví či život. Utéci z místa nehody je nepřípustné. Shrnutí Úrazy elektrickým proudem mohou způsobit těžké poškození zdraví, nebo i smrt. Je nutno bezpodmínečně dodržovat zásady bezpečného zacházení s elektrickými zařízeními. Jsme-li přítomni úrazu elektrickým proudem, musíme postiženému poskytnout první pomoc. Otázky a úkoly 1 Znovu si zopakuj zásady poskytování umělého dýchání, které ses učil v jiných předmětech. 2 Zamysli se a uveď, co přispívá ke zvýšenému nebezpečí při zacházení s elektrickými zařízeními. Vyber z následujícího výčtu: vlhké prostředí, chemické výpary, vysoké stropy, podlaha z PVC, stísněný prostor, kovové konstrukce, neizolované vodiče se síťovým napětím, stroje v činnosti, práce ve výšce, prach, výpary hořlavých kapalin. 40 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Takto vypadá struktura moderní polovodičové součástky, která je srdcem počítače. Celkový počet jednotlivých struktur (tranzistory, kondenzátory, rezistory, vodiče) jde do stovek milionů. Přesto je celá součástka – procesor – velká jen několik centimetrů. 41 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Elektrony a díry čistý křemík Mezi prvky nalezneme ještě dva polovodiče: selen a telur. I mnohé sloučeniny jsou polovodiče: arsenid galitý, sulfid kademnatý, karbid křemíku, … V poslední době mají stále větší význam polovodiče z organických sloučenin. V blízké době se budou organické polovodiče využívat ve velmi plochých (ohebných) displejích a televizních obrazovkách. Při teplotách blízkých 0 K mají polovodiče vlastnosti izolantů. V roce 1871 předpověděl Mendělejev existenci dosud neznámého prvku. Nazval jej ekasilicium, protože měl být v periodické soustavě pod křemíkem (eka znamená nejbližší, silicium je křemík). V roce 1886 německý fyzik Winkler tento prvek objevil a nazval ho podle své vlasti germanium. Oba prvky – křemík a germanium – mají neobvyklé elektrické vlastnosti. Jejich rezistivita je mnohonásobně větší než rezistivita kovů, zároveň však mnohonásobně menší než rezistivita nevodičů. Tyto prvky patří mezi polovodiče. brýle pro noční vidění založené na vlastnostech germania Křemík je prvek, který má ve valenční vrstvě čtyři elektrony. V krystalu se každý atom křemíku spojí s dalšími čtyřmi atomy, které leží ve vrcholech pravidelného čtyřstěnu. Na obrázku jsou černými úsečkami naznačeny vazby mezi atomy. Každá tato úsečka znázorňuje dvoSi Si Si Si jici elektronů, kterou jsou k sobě příslušné atomy vázány. Protože prostoSi Si Si Si rové znázornění není vhodné pro výklad, můžeme si ho zjednodušit na uspořádání rovinné. Si Si Si Si V tomto nákresu je každý atom křemíku obklopen osmi elekSi Si Si Si rozmístění atomů křemíku trony. Čtyři má vlastní, čtyři sdív krystalové mříži lené se sousedními atomy. rovinné znázornění atomů křemíku Taková struktura je velmi stabilní, podobnou má i diamant. v krystalu Elektrony jsou vázány k atomovým jádrům a nemohou se přesouvat libovolně po celém křemíkovém krystalu. Taková látka by neměla mít volné nabité částice a měla by být izolantem. Je diamant vodičem, izolantem, nebo polovodičem? Jaké je jeho chemické složení? Jaký vztah má diamant ke křemíku a germaniu v periodické tabulce? Atomy v krystalové mříži kmitají kolem rovnovážných poloh. Přitom na sebe silově působí. Víme již, že kmitající atomy mají tím větší energii, čím je vyšší teplota. Může se stát, že se sečtou energie několika atomů a několikanásobně větší energie se předá jednomu elektronu. Tato energie může přesáhnout energii vazby a elektron se ze struktury uvolní. Stává se volným elektronem. Pro rozlišení označujeme ostatní elektrony jako vázané. Situace je znázorněna v detailu na vedlejším obrázku. Ve většině polovodičových součástek je důležité, aby křemík tvořil dokonalý krystal – monokrystal. + 42 Volný elektron se může pohybovat ve směru síly, kterou na něj působí elektrické pole. Je proto nositelem elektrického náboje. Atom, který ztratil elektron, se stává kladným iontem. Do plné vazby mu chybí jeden elektron (chybějící místo po elektronu je na obrázku vyznačeno hnědě). Kladný iont k sobě přitahuje okolní vázané elektrony. Je proto možné, že některý z okolních elektronů přejde na toto uprázdněné místo. Pak ale chybí elektron některému ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH ze sousedních atomů. Chybějící místo ve vazbě se proto může stěhovat po celém krystalu. Působí-li v krystalu vnější elektrické pole, na všechny elektrony působí síla. Vázané elektrony přeskakují do uvolněného místa od záporného ke kladnému pólu. Chybějící místo se proto posouvá od kladného pólu k zápornému, chová se jako kladná částice. Pro jednoduchost považujeme toto místo za kladnou částici a říkáme jí díra. I díra je nositelem elektrického náboje. Látky, ve kterých dochází k popsaným dějům, se nazývají polovodiče. Když má více lidí najednou zájem o vstupenky, vytvoří se fronta. Lidé postupují v zástupu směrem k pokladně. Jestliže ale některý člověk v blízkosti pokladny odejde, vytvoří se ve frontě díra. Protože lidé začnou postupovat, díra se pohybuje opačným směrem než lidé: od pokladny. Volný elektron a díra nemají v polovodiči dlouhý život. Když se volný elektron a díra setkají v jednom místě, elektron zapadne do chybějícího místa a přestane být volným. Zmizí i díra. Páry volný elektron–díra stále vznikají a zanikají, jejich průměrný počet v polovodiči je však přibližně stále stejný. V čistém polovodiči je elektrický proud veden zápornými volnými elektrony a kladnými dírami. Z popisu vzniku volného elektronu a díry je jasné, že počet volných elektronů a děr je v polovodiči stejný. Je ale nesmírně malý. U čistého křemíku se při teplotě 20 °C vytvoří jeden pár volný elektron–díra teprve v 1 000 000 000 000 atomů. Vytvoření páru volný elektron–díra je vzácné, protože se musí sečíst energie mnoha náhodně kmitajících atomů. Energie i rychlost kmitů atomů v krystalové mříži však roste se zvětšující se teplotou. Proto se při rostoucí teplotě prudce zvyšuje počet volných elektronů i děr. Odpor polovodiče klesá. Přesouvání lidí ve frontě je možné nahradit opačně se pohybující dírou. Odpor čistého polovodiče s rostoucí teplotou prudce klesá. Závislost odporu na teplotě se využívá ve speciálně R vyráběných součástkách – termistorech. Schematická kΩ značka termistoru se liší od schematické značky rezistoru lomenou čarou a písmenem theta (ϑ ) se znaménkem minus. Lomenou čarou se označuje měnící se odpor, písmeno ϑ značí teplotu (označení obvyklým t by mohlo vést k záměně s označením času). Znaménko minus znamená, že jde o rezistor, jehož odpor klesá s rostoucí teplotou. Popsané termistory se někdy označují zkratkou NTC. Jsou i jiné termistory, které se označují zkratkou PTC. Jejich odpor v jistém intervalu teplot prudce vzrůstá. Těmto termistorům se také říká pozistory. Nejsou však z polovodičů. 8 7 6 5 dva různé termistory 4 3 2 1 0 –30 –20–10 0 10 20 30 40 závislost odporu termistoru na teplotě –ϑ ϑ °C schematická značka termistoru 43 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Termistory je možno vyrobit menší než zrnko máku. Tyto perličkové termistory využívané k měření teploty mají proti rtuťovým teploměrům velkou výhodu: zahřejí se na teplotu okolí za několik sekund. Nemusíme proto (jako u lékařského teploměru) čekat na změření teploty několik minut. K vytvoření volného elektronu a díry může napomoci i světlo. Využívají toho součástky, kterým se říká fotorezistory. Měří se jimi osvětlení. fotorezistor Shrnutí V krystalech křemíku a u některých dalších látek vznikají vlivem tepelného kmitání atomů volné elektrony. Místo, ze kterého se elektron uvolní, se může pohybovat. Má vlastnosti kladné částice. Této myšlené částici říkáme díra. Látky, ve kterých dochází k vytváření volných elektronů a děr, se nazývají polovodiče. V čistém polovodiči je stejný počet volných elektronů i děr. Odpor čistého polovodiče s rostoucí teplotou prudce klesá. Otázky a úkoly 1 Najdi na internetu některé další sloučeniny, které jsou polovodiči. 2 K polovodiči připojíme zdroj stejnosměrného napětí. V polovodiči se budou elektrony pohybovat ke kladné elektrodě, díry k záporné. Co se stane s děrami, když dojdou k záporné elektrodě? Tato elektroda je kovová a díry v ní nemohou existovat. 3 Termistorem prochází proud tak velký, že se zahřeje na 80 °C. Odpor termistoru je přitom 100 Ω. Jak se změní odpor termistoru, když ho ponoříme do vody? K čemu by se to dalo využít? Vliv příměsí v polovodiči Všichni známe obyčejný křemen. Nejčastěji jako bílý neprůhledný kámen. Existuje ale mnoho nerostů, které mají stejné chemické složení jako křemen (oxid křemičitý – SiO2), přesto vypadají zcela jinak: křišťál (čirý), záhněda (kouřově hnědá), morion (černý), ametyst (fialový), citrín (žlutý), růženín (růžový), chalcedon (vláknitý), karneol (červený), chrysopras (zelený), jaspis, heliotrop, achát, pazourek, … Výrazně odlišný vzhled způsobují malé příměsi jiných prvků: například v karneolu jsou příměsi železa, v chrysoprasu niklu. Pětimocné příměsi se nazývají donory. 44 Si Si Si Si P + Si Si Si Si karneol citrín ametyst Monokrystaly jsou krystaly, které mají dokonale pravidelnou strukturu. Proto i velmi malé množství příměsí způsobí výrazné změny vlastností monokrystalu. Představme si, že se do monokrystalu křemíku dostane atom některého z pětimocných prvků, například fosfor (chemická značka P). Takový atom má ve valenční vrstvě pět elektronů. V křemíkovém krystalu se čtyři elektrony uplatní při vazbě k sousedním atomům křemíku, pátý elektron se nemá s čím vázat, zůstane osamocen. Je proto velmi slabě vázán a i při nízkých teplotách se od atomu fosforu oddělí. Vzniká volný elektron. Situaci přibližuje vedlejší obrázek. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Vzniká na místě příměsového pětimocného atomu i díra? Jakým iontem se stane fosfor, když jej opustí elektron? V křemíku, ve kterém jsou příměsi pětimocných atomů, je mnohem více elektronů než děr. Takové polovodiče označujeme jako polovodiče typu N. Říkáme, že mají elektronovou vodivost. V polovodiči typu N jsou samozřejmě i díry, které vznikají stejně jako u čistých polovodičů. Víme ale, že vznik páru volný elektron–díra je velmi vzácný. Udělejme si představu o tom, jak malé množství příměsi může ovlivnit vodivost polovodiče. Představme si, že máme kousíček křemíku, ve kterém je tisíc bilionů atomů (1 000 000 000 000 000). Kdyby to byl čistý polovodič, bylo by v tomto kousku při teplotě 20 °C jen 1 000 volných elektronů a 1 000 děr. Celkem to znamená 2 000 nabitých částic schopných vést elektrický proud. Kdybychom každý miliontý atom v tomto kousku křemíku nahradili fosforem (čistota křemíku by byla 99,999 9 %), získali bychom navíc miliardu volných elektronů. Měli bychom nyní 1 000 001 000 volných elektronů a 1 000 děr. Celkem by to znamenalo 1 000 002 000 nabitých částic schopných vést elektrický proud. Můžeme usoudit, že při stejných podmínkách by proud asi 500 000krát vzrostl, odpor by se asi 500 000krát zmenšil. Celkový náboj polovodiče typu N je nulový. Počet volných elektronů je totiž stejný jako součet počtu děr a kladných iontů pětimocné příměsi. Co se stane v krystalu křemíku, když nahradíme některé atomy trojmocným prvkem, například hliníkem? Hliník má ve valenční vrstvě jen tři elektrony. Může proto se sousedními křemíkovými atomy navázat jen tři vazby. Do neúplné vazby jsou přitahovány okolní elektrony. Je proto téměř jisté, že některý z elektronů okolních atomů křemíku přeskočí do této vazby. Na jeho původním místě vzniká ovšem díra. Z příměsového atomu se stává záporný iont. Si Si Si Al Si Si Si Si Trojmocné příměsi se označují slovem akceptory. Si - V takových polovodičích je mnohem více děr než volných elektronů. Označujeme je jako polovodiče typu P. Polovodič typu P má děrovou vodivost. Vodivost polovodiče vyvolaná příměsmi se nazývá příměsová vodivost. Celkový náboj polovodiče typu P je také nulový. Počet děr je totiž stejný jako součet záporných iontů trojmocné příměsi a volných elektronů. Díry nemohou přecházet do vodičů, kterými je polovodič připojen do obvodu. Zdálo by se proto, že proud velmi rychle ustane, když se všechny díry přesunou k záporné elektrodě. Ve skutečnosti je počet děr v polovodiči stále stejný. Nové díry vznikají při průchodu proudu u kladné elektrody: ta působí přitažlivou silou na vázané elektrony křemíku a vytrhává je z vazeb. Naopak u záporné elektrody se + + + + + díry spojují s volnými elektrony + + + + + z vodiče a zanikají. Situaci na + + + + elektrodách znázorňuje obrázek. - + + + + + + + + + + + + + + + vodič Nabité částice, které se mohou volně pohybovat, mají společné označení „nositelé elektrického náboje“. Protože je v polovodiči typu N mnohem více volných elektronů než děr, říkáme, že volné elektrony jsou majoritními (většinovými) nositeli elektrického náboje. Díry jsou minoritními (menšinovými) nositeli. vodič polovodič typu P 45 V polovodiči typu P jsou díry majoritními, volné elektrony minoritními nositeli elektrického náboje. Označení typu polovodiče není náhodné: P znamená pozitivní, N negativní. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Shrnutí Přidáním pětimocné příměsi do křemíkového krystalu se výrazně zvýší počet volných elektronů. Takový polovodič se označuje jako typ N, jeho vodivost je elektronová. Přidáním trojmocné příměsi se zvýší počet děr. Vznikne polovodič typu P, který má děrovou vodivost. Otázky a úkoly 1 Které další prvky se používají u křemíku k vytvoření polovodiče typu N? Které vyvolají naopak děrovou vodivost? 2 Spojování děr na styku polovodiče typu P s volnými elektrony ze záporné elektrody je podobné jevu, ke kterému dochází v elektrolytech a ionizovaných plynech při setkání dvou iontů se stejně velkými náboji opačného znaménka. Jak se takovému ději říká? PN přechod V elektrárnách se vyrábí střídavý proud. Má proti stejnosměrnému proudu mnoho výhod, hlavní výhodou je možnost transformace. Většina elektronických přístrojů ale potřebuje ke své činnosti stejnosměrný proud. Potřebujeme proto zařízení, které dokáže přeměnit střídavý proud na stejnosměrný. Několika různými způsoby lze dosáhnout toho, že v jediném monokrystalu jsou oblasti s oběma typy polovodiče. O stykové ploše pak mluvíme jako o PN přechodu. Monokrystal s PN přechodem je na dolním obrázku. Jsou v něm vyznačeni i příslušní nositelé elektrického náboje. Ve všech případech, ve kterých se stýkají oblasti s různou koncentrací roz+ + dílných částic, dochází k difúzi. Díry + + + + procházejí do polovodiče N, elektrony do polovodiče P. Kdyby nositelé + - + + + + neměli elektrický náboj, koncentrace by se vyrovnaly. Protože jsou ale nosi+ - - + + + + telé elektricky nabité částice, difunduje jen malý počet. Polovodič N se nabije polovodič typu N polovodič typu P kladně, polovodič P záporně. Vzniká napětí (říkáme mu difúzní napětí), které působí proti další difúzi. Toto napětí ale nelze jednoduchým způsobem změřit, je tvořeno náboji, které jsou vázány na PN přechod. - + + + + Kladný náboj polovodiče N není tvořen jen difundovanými dírami, záporný náboj polovodiče P není tvořen jen difundovanými elektrony. Které další částice tvoří tyto náboje? + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - + - + + + + + + + + - - - - - + + + - - + - - - + - Vakuová dioda: součástka, která se používala k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný před 100 lety. + V okolí PN přechodu je pravděpodobné, že se volné elektrony a díry setkají. Dojde k rekombinaci – zaniknou oba nositelé. Proto je v oblasti kolem PN přechodu velmi málo nositelů elektrického náboje. Tato vrstva, které se říká hradlová vrstva, má velmi vysoký odpor. Situaci v PN přechodu bez vnějšího napětí znázorňuje následující obrázek. Co se stane, když na monokrystal s PN přechodem připojíme stejnosměrné napětí? + Difúzní napětí je u každého polovodiče jiné, u křemíku je asi 0,6 V. 46 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Zkusíme napětí připojit nejdříve tak, + + + -- že kladný pól bude připojen na polovodič - - + + + + + + typu N. Situace po připojení zdroje stejno- - + + + - - směrného napětí je na obrázku. Kladná elekt+ + + + - - roda připojená k polovodiči N přitahuje + + + - - záporné volné elektrony. Ty se proto přesupolovodič typu N polovodič typu P nou ke kladné elektrodě. Díry v polovodiči P naopak přitahuje záporná elektroda. Oba A druhy nositelů opustí okolí PN přechodu. Vzniká tam vrstva polovodiče bez nositelů elektrického náboje. Ta má velmi vysoký odpor, chová se téměř jako nevodič. Proud neprochází. Říkáme, že PN přechod je zapojen v závěrném směru. + + + - + + + + + + + + + - + - + + - + + + + - - + + - - + + - + - - + + + - + + + + + - + - + Úplně jiná situace nastává, když změníme polaritu zdroje. Záporná elektroda odpuzuje volné elektrony a přitahuje díry. Kladná elektroda odpuzuje díry a přitahuje volné elektrony. Protože záporná elektroda dodává do polovodiče N stále nové volné elektrony a kladná elektroda vytváří v polovodiči P stále nové díry, prochází PN přechodem velký elektrický proud. Říkáme, že PN přechod je zapojen v propustném směru. Ve skutečnosti protéká PN přechodem v závěrném směru velmi malý proud (mohou to být jen nanoampéry). Tento proud je tvořen minoritními nositeli, kteří mohou PN přechodem procházet (volné elektrony z P do N, díry z N do P). polovodič typu N polovodič typu P A PN přechod propouští proud jen v jednom směru. Kdybychom na něj připojili střídavé napětí, procházel by proud jen v době, kdy by na polovodiči typu P byl kladný pól. Říkáme, že PN přechod usměrňuje proud. Aby začal proud v propustném směru procházet, musí zmizet hradlová vrstva. K tomu je třeba, aby připojené napětí svou velikostí překonalo difúzní napětí. Proto křemíkové diody propouští proud až při napětí větším než 0,6 V. Součástka, která slouží k usměrňování proudu, se nazývá dioda. Dříve byly diody konstruovány na základě různých fyzikálních jevů. Vakuová dioda, která se užívala ještě před 50 lety, byla založena na tom, že z rozžhaveného kovu vyletují elektrony. Polovodičová dioda je součástka, která k usměrňování elektrického proudu využívá PN přechodu. Polovodičová dioda se chová jako kuželový ventil na vodním potrubí. Na obrázku vlevo je vidět, že voda nemůže proudit zleva doprava. Tlak vody zatlačí ventil do otvoru. Naopak zprava doleva voda může protékat. Tlak vody zvedne ventil. „závěrný směr“ „propustný směr“ kuželový ventil Podobnost vodního ventilu a polovodičové diody je i v tom, že ventil v propustném směru potřebuje určitou výšku vodní hladiny k tomu, aby začala voda protékat. Polovodičové diody se vyrábějí pro různě velké proudy. Některé typy jsou na obrázku. Ve schématech se dioda kreslí pomocí značky, ve které šipka naznačuje směr proudu v propustném směru. Elektrody, které tvoří přívody k diodě, mají své názvy: elektroda přianoda katoda pojená k polovodiči typu P je anoda, elektroda připojená k polovodiči typu N je katoda. schematická značka diody různé typy diod 47 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH U mnoha spotřebičů (zvláště těch, které pracují se zvukem a obrazem) nevyhovuje časový průběh usměrněného proudu. Vadí zvláště to, že proud klesá až na nulu. Pro takové spotřebiče se paralelně ke spotřebiči připojuje kondenzátor. Ten se na začátku každé půlperiody nabije a po zbytek půlperiody dodává proud do spotřebiče tím, že se vybíjí. U zvláště citlivých spotřebičů ani to nestačí. Mezi spotřebič a usměrňovač se zapojuje elektrický obvod, kterému se říká stabilizátor napětí. Na jeho výstupu je průběh napětí prakticky shodný s konstantním průběhem napětí baterie. Obvody s diodami, které mají za úkol změnit střídavý proud na stejnosměrný, se nazývají usměrňovače. Schéma nejjednoduššího usměrňovače s jednou diodou je na následujícím obrázku. Je znázorněn časový průběh napětí na vstupu a časový průběh proudu spotřebičem (rezistorem R). Protože proud prochází jen při jedné půlperiodě, jde o jednocestný usměrňovač. U I R t t Jednocestný usměrňovač; přerušovanou čarou ve schématu je naznačen proud při odpovídající půlperiodě. Dokonalejší usměrňovač se čtyřmi diodami je na dalším obrázku. Protože do spotřebiče propouští proud při obou půlperiodách střídavého napětí, říká se mu dvojcestný usměrňovač. I U t R t Dvojcestný usměrňovač; přerušovanými čarami jsou naznačeny proudy při odpovídajících půlperiodách. Dvojcestný usměrňovač je tak časté zapojení, že se čtyři diody často umisťují do společného pouzdra. Čtveřice diod pak vypadá jako jediná součástka. Shrnutí Ploše, na které se stýká polovodič typu P s polovodičem typu N, říkáme PN přechod. Je-li kladný pól zdroje napětí připojen k polovodiči typu N, proud PN přechodem neprotéká. Přechod je zapojen v závěrném směru. Je-li kladný pól zdroje napětí připojen k polovodiči typu P, proud přechodem protéká. Přechod je zapojen v propustném směru. Dioda je součástka, která využívá PN přechod. Usměrňovače jsou obvody s diodami, které mění střídavý proud na stejnosměrný. Otázky a úkoly 1 Existují i speciální diody, které neslouží k usměrňování. Najdi v literatuře nebo na internetu jejich názvy. K čemu se takové diody používají? 2 V dvojcestném usměrňovači je velmi důležité správné připojení diod. Co by se stalo, kdyby byla jedna z diod zapojena opačně? 3 Vyjmenuj alespoň tři spotřebiče, ve kterých je usměrňovač. dva příklady součástek se čtyřmi diodami 48 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Diody a světlo V minulých ročnících jste se několikrát setkali se slunečními bateriemi jako zdrojem elektrického napětí, který mění světelnou energii v energii elektrickou. Sluneční baterie se používají jako obrovské panely ve slunečních elektrárnách a na kosmických stanicích. Zatím jste se ale nedozvěděli, jak sluneční baterie pracuje. Skoro každý elektrický spotřebič je vybaven malými zdroji světla – signálkami, které zeleným, červeným nebo modrým světlem upozorňují na činnost. Sluneční baterie i většina signálek jsou zvláštními diodami. fotodioda Už z kapitoly o elektronech a dírách víš, že dvojici volný elektron–díra může vytvořit i světlo. Jestliže světlo svítí na PN přechod, nezůstanou nositelé elektrického náboje na místě. Volné elektrony jsou přitahovány do kladného polovodiče typu N, díry do záporně nabitého polovodiče P. Na osvětleném PN přechodu proto můžeme naměřit napětí: kladný pól je na anodě (polovodič P), záporný pól na katodě (polovodič N). Osvětlený PN přechod proto může dodávat do obvodu se spotřebičem proud. Speciální dioda, která umožňuje osvětlení PN přechodu, se nazývá fotodioda. Schematická značka je značkou běžné diody, která je doplněna dvěma šipkami. Fotodioda mění světelnou energii na elektrickou. Fotodiodám s velkou plochou přechodu se říká sluneční články. Sluneční články se zapojují do série a paralelně, tvoří pak sluneční baterie. Fotodiody se používají i ve fotoaparátech. Měří se jimi osvětlení fotografovaného objektu. Podle toho se pak automaticky upravuje doba otevření závěrky. kalkulačka se sluneční baterií Připomeň si, proč je důsledkem difúze polovodič P záporný a polovodič N kladný. + - sluneční článek sluneční baterie fotodioda jako zdroj proudu Proč se sluneční články zapojují sériově i paralelně? Sluneční články a baterie mají poměrně malou účinnost. Křemíkové články, které se používají nejčastěji, mají podle kvality účinnost 10 % až 20 %. Stále se proto hledají materiály, které by dosáhly větší účinnosti. Protože sluneční baterie poskytují významnou energii jen při osvětlení sluncem, musí se vyrobená energie uschovávat (akumulovat). Jedním z možných řešení pro budoucnost je umístění sluneční elektrárny do kosmu. Tam by byly sluneční baterie osvětlovány neustále. Elektromagnetickým vlněním by se pak přenášela elektrická energie na Zemi. Jedinou překážkou vybudování sluneční elektrárny v kosmu je obrovská cena. Některé polovodičové sloučeniny (arsenid galitý, fosfid galitý, karbid křemíku) umožňují opačnou přeměnu energií: energie elektrická se v nich přeměňuje na energii světelnou. Světlo vzniká v oblasti PN přechodu, kterým v propustném směru prochází elektrický proud. Setkávají se tam volné elektrony a díry. Volné elektrony zapadají na místa děr. Přitom se uvolňuje světlo. 49 Svítivé diody pronikly dokonce do módy. Doplňují se jimi například šaty, účesy, bižuterie. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Svítivé diody mají proti jiným zdrojům světla obrovskou výhodu: mohou se rozsvítit a zhasnout mnohomilionkrát za sekundu. To se využívá v optoelektronice, která kromě jiného řeší problémy s přenosy signálů na velké vzdálenosti (kabelová televize, telefony na pevných linkách, …). Obyčejné žárovce chvíli trvá, než se po připojení ke zdroji rozsvítí. Jestliže je taková žárovka v brzdovém světle automobilu, sčítá se tato doba s reakční dobou řidiče následujícího auta a může způsobit nehodu. Proto se moderní auta vybavují brzdovými světly složenými z několika desítek svítivých diod. Příměsmi lze dosáhnout toho, že světlo, které vychází z oblasti PN přechodu, má různé barvy: červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou. Součástce, která využívá PN přechod jako zdroj světla, se říká elektroluminiscenční dioda. Protože je to dlouhý název, užívá se také označení svítivá dioda. Nejspíše ji ale znáte pod anglickou zkratkou LED (Light Emitting Diode [lajt emiting dajoud]). laserové ukazovátko různé typy svítivých diod Speciální svítivé diody vydávají intenzivní světlo v úzkém svazku – to jsou polovodičové lasery. Polovodičový laser je v laserovém ukazovátku, bývá zabudován v ovladačích dataprojektorů, umožňuje číst informace z optických disků v CD přehrávačích, DVD přehrávačích a v počítačích. Stále častěji se polovodičové lasery používají k vytyčení přímého směru: laserové vodováhy, doplňky obráběcích strojů, … schematická značka svítivé diody laser v CD přehrávači vodováha s laserem pila s laserem Shrnutí Na osvětleném PN přechodu vzniká elektrické napětí. Fotodiody jsou součástky, které využívají PN přechod k přeměně světelné energie na elektrickou. Fotodiody s velkou plochou jsou sluneční články. Sluneční články se spojují do slunečních baterií. Svítivá dioda (LED) umožňuje přeměnu elektrické energie na světelnou. Polovodičový laser vydává intenzivní světlo v úzkém svazku. Využívá se v laserových ukazovátkách a v CD či DVD přehrávačích. Otázky a úkoly 1 Některé malé elektrické spotřebiče jsou napájeny slunečními články. Jmenuj alespoň dva. 2 Sepiš spotřebiče z domácnosti, ve kterých jsou svítivé diody a polovodičové lasery. Dej pozor na záměnu s malými žárovkami a doutnavkami. Doutnavka, ve které dochází k výboji ve zředěném plynu, svítí oranžově a bývá ve spotřebičích na síťové napětí. 3 Která z popisovaných diod je asi v optické myši u počítače? 50 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Spínání tranzistorem Dovedeš si představit vypínač, který by dokázal sepnout a vypnout elektrický proud třeba miliardkrát za sekundu? Asi ne. Vždyť kdyby byly kontakty jen milimetr od sebe, musely by se při spínání pohybovat rychlostí 2 000 kilometrů za sekundu. Tato rychlost by navíc musela dvoumiliardkrát za sekundu změnit směr. I kdyby měly kontakty hmotnost jen jeden gram, znamenalo by to potřebnou sílu 8 000 000 000 000 N. Polovodičové součástky, které se běžně používají v počítačích, tak rychle spínat dokáží a spotřebují na to nepatrnou energii. UDS Složitější polovodičové součástky mají více než jeden PN přechod. Na obrázku je naznačena struktura jedné z takových součástek. Říká se jí tranzistor řízený polem. V polovodičové destičce s děrovou vodivostí (typ P) jsou vytvořeny dvě oblasti s elektronovou vodivostí (typ N). Povrch destičky mezi těmito oblastmi je pokryt velmi tenkou vrstvou izolantu (nejčastěji oxidem křemičitým). Ze struktury vycházejí tři elektrody: S – zdrojová, D – sběrná a G – řídicí. K elektrodám S a D připojíme zdroj napětí. Může takto vytvořeným obvodem protékat proud? Co když zdroj bude mít opačnou polaritu? + S N G D N P Ať je zdroj připojen podle obrázku, nebo s opačnou polaritou, proud nemůže procházet, protože vždycky jeden z PN přechodů je zapojen v závěrném směru. Při polaritě napětí podle obrázku je v závěrném směru pravý přechod. Připojíme nyní mezi zdrojovou a řídící elektrodu druhý zdroj napětí: UGS . Velká kovová elektroda nad tenkou vrstvou izolantu je nabita kladně. Odpuzuje díry z polovodiče P a přitahuje volné elektrony. Volných elektronů je v polovodiči P sice velmi málo, ale když se soustředí u povrchu polovodiče, změní se vodivost povrchové vrstvy z děrové na elektronovou. U povrchu vznikne tenká vrstva poloUDS UDS vodiče N. Obvodem bude + + procházet proud podle přeUGS UGS rušované červené čáry. + + D D S S Popsaný tranzistor řízený G G polem se chová jako spínač. Má dva stavy: N N N N vypnuto a sepnuto. Ovládá se napětím na řídící elektrodě. Řídící elektroda je od polovodiče izolována. P P Neprotéká jí prakticky žádný proud. Proto je výkon potřebný k sepnutí nebo vypnutí zanedbatelný. Přívlastek „polem řízený“ získal tranzistor ze skutečnosti, že pro činnost tranzistoru je důležité elektrické pole, které v polovodiči vytváří napětí na řídící elektrodě. Podobných tranzistorů je více typů. Říká se jim také unipolární, protože se na proudu součástkou podílejí jen nositelé jednoho druhu. Schematická značka popsaného typu je na obrázku. Pokud je tranzistor součástí integrovaného schematická značka tranzistoru řízeného polem obvodu, kružnice se ve schematické značce vynechává. 51 Popisovaný tranzistor má přesné označení „tranzistor řízený elektrickým polem s izolovaným hradlem a indukovaným kanálem“. Je zřejmé, že je lepší používat zkratky MOSFET (obohacovací typ). Zkratka pochází z anglických slov (kov–oxid–polovodič, polem–řízený–tranzistor). Na následujícím obrázku je podobný typ: MOSFET (ochuzovací typ). U toho je možné spojitě měnit odpor mezi zdrojovou a sběrnou elektrodou napětím na řídící elektrodě, která může mít obě polarity. S D G N N P Největší výhoda popisovaného tranzistoru je v obrovském odporu mezi řídící elektrodou a polovodičem. Je v tom ale i nevýhoda. Stačí se tranzistoru dotknout a může být zničen. Statický elektrický náboj na prstech může prorazit tenkou vrstvu izolantu. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH K čemu je dobré mít tak rychlý spínač? Proč je výhodné, když k sepnutí potřebuji zanedbatelnou energii? Velikou výhodou digitálního zpracování zvukového a obrazového signálu je to, že je velmi odolný proti rušení a zkreslení. I v lidském těle se nervové vzruchy přenášejí v digitální formě. Nervové buňky si předávají informace změnou vodivosti membrány, která je ohraničuje. V posledních desetiletích jsme svědky toho, že se digitalizují téměř všechny informace. Téměř výhradně se digitálně zaznamenává hudba a řeč, digitálně se přenášejí telefonní hovory, digitální televize postupně nahradí dřívější analogový systém, málokdo si dnes koupí jiný fotoaparát než digitální, digitálně se do našeho počítače přenáší obrovské množství informací z internetu. Jen digitální hodinky nezvítězily nad klasickým (analogovým) zobrazením času. digitální fotoaparát Co znamená slovo „digitální“, už víme. Znamená vyjádření pomocí číslic. Čísla, jak je známe, se dají vyjádřit i ve dvojkové číselné soustavě (binárně). Například číslo 333 se vyjádří jako 101001101 (256+64+8+4+1). Nyní jsme již jen krok od vysvětlení důležitosti spínání. Jakoukoli informaci můžeme vyjádřit pomocí spínače: sepnutý stav bude znamenat jednotku, vypnutý nulu. První pokus o digitalizaci informace přinesl rozvoj telegrafu. Slovní sdělení bylo převedeno do souboru teček a čárek, které se přenášely spínáním telegrafního klíče. Dnes známe tento systém jako Morseovu abecedu. Protože však telegrafní klíč spínal člověk, byl přenos informace mnohem pomalejší než řeč. Kdyby se podobným systémem měla přenášet například hudba, trvalo by přenesení jedné písničky i několik let. Tranzistory ve funkci spínače jsou téměř miliardkrát rychlejší než člověk. Informaci, kterou by telegrafista vyťukával dvacet let, je tranzistor schopen přenést za jedinou sekundu. telegrafní klíč Pro představu o možnostech digitalizace si popíšeme, jak se do řady binárních čísel převádí zvuk. Zvuk je podélné vlnění vzduchu. Umíme ho převést na elektrické napětí mikrofonem. Časový průběh napětí v nějakém kratičkém úseku hudební skladby nebo řeči je naznačen na obrázku a. Připojíme-li k mikrofonu digitální voltmetr, který bude měřit napětí pravidelně po velmi krátkých dobách τ (tau), dostaneme řadu čísel, vyjadřujících výšku červených sloupečků v obrázku b. První tři sloupečky budou mít například velikost napětí v milivoltech: 46, 97, 127. Zvláštní zapojení mnoha řízených spínačů (kodér) převede tato čísla do dvojkové soustavy: 00101110, 01100001, 01111111. Je jasné, že při převodu do dvojkové soustavy si musíme vyhradit jedno místo na polaritu napětí. Tato čísla je pak možné přenášet nebo zaznamenávat. Při reprodukci se opět složitým systémem spínačů převedou tato čísla na napětí na Existuje i několik úspornějších systémů převodu zvuku na digitální záznam. Nejpoužívanější je v současnosti systém MP3. Vysvětlení jeho činnosti je však velmi složité. U U t τ t přehrávač MP3 a 52 b ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH reproduktoru. Všechno musí být ale velmi rychlé. U CD přehrávačů se například používá převodu hudby na téměř 100 000 šestnáctimístných dvojkových čísel každou sekundu. Převod obrazu je ještě mnohem náročnější. Nejtypičtější užití tranzistorů jako spínačů je ovšem v počítačích. Jsou tam desítky milionů takových tranzistorů. Podle programu a pokynů obsluhy se pak pomocí spínání a vypínání provádějí výpočty, zpracovává se hudba, řeč, obraz, … Shrnutí MOSFET v integrovaném obvodu (rozměr 10 µm) Tranzistor řízený polem je polovodičová součástka, která dokáže velmi rychle spínat elektrický obvod. Spínání se dosáhne napětím na elektrodě, která je izolována. Energie potřebná k sepnutí je proto zanedbatelná. Tranzistor dokáže sepnout a vypnout obvod více než miliardkrát za sekundu. Desítky milionů takových tranzistorů jsou v počítači. Otázky a úkoly 1 Existují i tranzistory, které se od popsaného typu liší jen záměnou vodivosti (obrázek). Jakým napětím na P P řídící elektrodě by došlo k sepnutí obvodu mezi zdrojovou a sběrnou elektrodou? Jak by se pohybovali N nositelé v typu N? 2 Kterou součástkou by bylo možné doplnit tranzistor řízený polem, aby došlo k sepnutí po osvětlení? K čemu by se dal takový obvod využít? Tranzistor jako zesilovač Vstup nízkofrekvenčního zesilovače nemusí být připojen k mikrofonu. Na vstup zesilovače může být přivedeno napětí z dalších elektronických obvodů, které převádějí jiný signál na analogový (v CD přehrávačích, v televizorech, rozhlasových přijímačích, mobilních telefonech, …). Na velkých koncertech populárních zpěváků a skupin bývají statisíce, někdy dokonce i miliony posluchačů. Všichni chtějí slyšet. Přímo by ale zpěváka mohlo slyšet nejvýše několik stovek návštěvníků koncertu. Zvuk se musí mnohonásobně zesílit. K tomu je třeba dodat energii. Protože pro vzájemné přeměny energií je nejvýhodnější energie elektrická, konstruují se zesilovače, ke kterým se připojují na vstupu mikrofony a na výstupu reproduktory. Dosáhne se tak dostatečné hlasitosti v obrovském prostoru. Zvuk se zaznamenává digitálně a v digitální podobě se i částečně zpracovává. Při konečné přeměně se ale musí přeměnit na elektrický proud, který prochází reproduktory. I mikrofony, kterými se zvuk snímá, mají na výstupu proměnné elektrické napětí. Elektrický příkon reproduktorů dosahuje při velkých koncertech stovek kilowattů. I domácí přístroje musí dodávat do reproduktorů příkon několika wattů. Výkon mikrofonu je však třeba jen několik mikrowattů. Potřebujeme proto výkon zesílit nejméně milionkrát. Slouží k tomu zesilovače, přesněji označované mikrofon 53 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Na objevu zesilovacího jevu a tranzistoru v polovině 20. století se podíleli John Bardeen [džon bárdýn] (1901–1991), Walter Brattain [voltr bretén] (1902–1987) a William Shockley [viljem šokly] (1910–1989). Všichni tři dostali za tento objev Nobelovu cenu. Je to asi nejvýznamnější fyzikální objev 20. století. jako nízkofrekvenční zesilovače. Značky jednotlivých částí reprodukčního zařízení jsou na schématu. Frekvence střídavých elektrických proudů a napětí odpovídají frekvenci zvuku: 16 Hz až 20 kHz. mikrofon reproduktor zesilovač K zesílení střídavého elektrického proudu i napětí se v zesilovačích používají nejčastěji tranzistory. Tentokrát jsou to ovšem tranzistory zcela odlišné od tranzistoru popsaného v předchozí kapitole. Přesnější označení této součástky je bipolární tranzistor. Název je dán tím, že se na činnosti tohoto tranzistoru podílejí vždy oba druhy nositelů elektrického náboje: volné elektrony i díry. Proud unipolárním tranzistorem vedl vždy jen jeden druh nositelů. Bipolární tranzistor má strukturu podle obrázku. Jsou v něm dva PN přechody. Je jasné, že mohou existovat dva typy tohoto tranzistoru: NPN a PNP. Na obrázku jsou i schematické c c NPN N PNP P c b c b P b N b e e N P e e značky obou typů bipolárního tranzistoru. Jednotlivé elektrody mají názvy: e – emitor, b – báze, c – kolektor. Vysvětlení činnosti bipolárního tranzistoru je poměrně složité. Uvedeme si proto jen tři důležité podmínky, které musí být splněny, aby tranzistor zesiloval: • báze musí být velmi tenká, • emitorový přechod PN (mezi emitorem a bází) musí být zdrojem napětí polarizován do propustného směru, • kolektorový přechod (mezi kolektorem a bází) musí být zdrojem napětí polarizován do závěrného směru. Ic Ib + + Na vedlejším obrázku je nejčastější způsob připojení zdrojů, které zajistí předchozí podmínky. Označuje se „zapojení se společným emitorem“. Napětí mezi bází a emitorem je jen 0,6 V až 0,8 V. Napětí mezi kolektorem a emitorem může dosáhnout až několika desítek voltů. Proud protékající kolektorem je přímo úměrný proudu procházejícímu bází: Ic = β · Ib . 54 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Konstanta úměrnosti β je u každého tranzistoru jiná a dosahuje velikostí od 10 do 1 000. Nazývá se zesilovací činitel tranzistoru. Bipolární tranzistor zesiluje proud i napětí. Protože elektrický výkon je součinem napětí a proudu, může zesílení výkonu dosáhnout i několika desítek tisíc. Na světě se vyrábí několik tisíc různých druhů bipolárních tranzistorů. Různé tranzistory jsou určeny pro různé frekvence a různé výkony. Speciální tranzistory dokážou zesilovat i velmi vysoké frekvence – do desítek GHz. Jiné speciální tranzistory mohou zesílit výkon až na několik stovek wattů. různé druhy tranzistorů Shrnutí Bipolární tranzistor má dva PN přechody. Existují proto tranzistory NPN a PNP. Jednotlivé vývody tranzistoru mají názvy: kolektor, emitor, báze. Bipolární tranzistor zesiluje proud i napětí. Zesílení proudu vyjadřuje zesilovací činitel tranzistoru. Je to poměr kolektorového proudu a proudu, který protéká bází. Proudový zesilovací činitel je u různých tranzistorů v rozmezí od 10 do 1 000. Otázky a úkoly 1 Zesilovací činitel bipolárního tranzistoru je 300. Bází protéká proud 20 µA. Jaký proud prochází kolektorem? 2 K emitorovému přechodu tranzistoru PNP se připojuje zdroj. Ke které elektrodě musí být připojen kladný pól zdroje? Integrované obvody První elektronické počítače, které vznikaly ve čtyřicátých letech 20. století, byly obrovskými zařízeními, která zabírala několik sálů. Počítače měly obrovskou spotřebu energie a byly velmi poruchové. Bylo to dáno tím, že se ve funkci spínačů používaly rozměrné a nehospodárné elektronky. Objev tranzistoru v roce 1948 situaci značně zlepšil. Počítače se vešly již do jedné místnosti, výrazně klesla spotřeba elektrického proudu a zvýšily se jejich schopnosti. Přenést počítač do domácnosti se ale podařilo jen rozvojem techniky integrovaných obvodů. 55 Zapojení se společným emitorem má ještě jednu výhodu. Lze jednoduše zajistit potřebný proud bází i kolektorem z jediného zdroje. Proud do báze se zmenší rezistorem. Doplníme-li pak obvod reproduktorem, mikrofonem a kondenzátorem podle obrázku, dostaneme nejjednodušší nízkofrekvenční zesilovač. Kondenzátor nepropouští stejnosměrný proud. Do mikrofonu se proto nedostane stejnosměrný proud ze zdroje. Naopak kondenzátorem prochází střídavý proud z mikrofonu do báze tranzistoru. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Polovodič tvořící strukturu tranzistoru je velký jen několik desetin milimetru. Když se ale umístí do pouzdra a opatří vývody, jeho rozměry vzrostou na několik milimetrů. Kdyby se z takových tranzistorů měl sestavit dnešní domácí počítač, který obsahuje několik set milionů tranzistorů, zaplnil by místnost s rozměry velké třídy až do stropu. První integrovaný obvod zkonstruoval Jack Kilby [džek kilby] koncem srpna 1958. Jeho integrovaný obvod byl tvořen miniaturními rezistory, kondenzátory, diodami a tranzistory v jediném monokrystalu polovodiče. V roce 2000 získal Kilby za tento objev Nobelovu cenu za fyziku. V řečtině i latině znamená předpona monojeden, řecky lithos je kámen. struktura tranzistoru pod mikroskopem Koncem padesátých let 20. století a hlavně v následujícím desetiletí se proto vědci a technici snažili obvody využívající tranzistory zmenšit. Nejprve se jednotlivé tranzistory bez pouzdra, rezistory a kondenzátory spojovaly do obvodů na keramických destičkách. Teprve hotový obvod se dával do pouzdra. Vznikaly tak vrstvové integrované obvody. Obsahovaly několik desítek součástek v jediném pouzdře. Monokrystaly křemíku se dnes vyrábějí v obrovských velikostech, jeden monokrystal může mít až několik stovek kilogramů. Později byla rozvinuta technologie monolitická, která umožnila zhotovit vodiče, tranzistory, rezistory i kondenzátory v jednom tenkém plátku monokrystalu křemíku. Takovému plátku se říká čip. Z něj se vyrábí monolitické integrované obvody. Jednotlivé struktury se s rozvojem techniky rychle zmenšovaly. Dnes je možné připravit tranzistor velký jen několik mikrometrů. Proto může být na čipu s rozměry několika centimetrů vytvořeno až několik stovek milionů tranzistorů. monokrystal křemíku s hmotností 216 kg První spotřební výrobek (naslouchadlo) s integrovaným obvodem (1964). vrstvový integrovaný obvod tenké plátky monokrystalu křemíku připravené pro výrobu monolitických integrovaných obvodů monolitické integrované obvody v různých pouzdrech 56 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH První vyráběné integrované obvody byly jednoúčelové. Jeden typ se používal v kalkulátorech, jiný v digitálních hodinkách, další v televizi, … Počet odlišných integrovaných obvodů neustále rostl. V šedesátých letech minulého století vznikla proto myšlenka integrovaného obvodu, který by byl univerzální, uživatel by si sám určil, k čemu bude sloužit. Vznikl tak mikroprocesor (dnes je častěji označován stručněji – procesor). Procesor se dá přirovnat k velké továrně. Jsou tam výkonné jednotky, které se dají přirovnat k různým obráběcím strojům. Obsahuje řídící obvody, které mají funkci vedení továrny. Jsou v něm paměti, které po naplnění programy zastupují výrobní plány. Procesor má vstupy, odpovídající dodavatelům materiálu a součástek pro továrnu. Má i výstupy. Těmi sděluje uživateli výsledky, podobně jako továrna expeduje výrobky. Stejně jako továrna může vyrábět různé výrobky podle různých výrobních plánů, i procesor plní různé funkce podle různých programů. První mikroprocesor na světě: Intel 4004 z roku1971. Pracoval s frekvencí 109 kHz. Procesor je nesmírně složitý integrovaný obvod. Jeho obrázek nás provází jako ikona tematického celku, mikroskopický obrázek je na titulní straně. Jiný pohled na strukturu mikroprocesoru je na vedlejším obrázku. Jasně rozeznatelné jsou jen pravidelné struktury pamětí. V současnosti se v počítačích nejčastěji užívají procesory Pentium, Celeron, Athlon [pentium, seleron, atlon]. Shrnutí Integrované obvody jsou součástky, které v jednom pouzdře obsahují velké množství vodičů, rezistorů, kondenzátorů, diod a tranzistorů. V monolitickém integrovaném obvodu jsou všechny součástky vyrobeny v jednom tenkém plátku monokrystalu – čipu. Procesor je univerzální integrovaný obvod, který se řídí programem. Je základem počítačů. Otázky a úkoly 1 Jakými prostředky je uživatel spojen s počítačem? Rozděl je na vstupní a výstupní. Najdi alespoň tři vstupní a tři výstupní zařízení. 2 Čím se liší různé procesory? Odpověď můžeš vyhledat na internetu. 57 I když spínání tranzistory MOSFET je velmi málo náročné na příkon, je celkový příkon procesoru s několika desítkami či stovkami milionů tranzistorů tak velký, že se procesor musí chladit. V počítačích je proto každý procesor vybaven chladicí jednotkou s ventilátory. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Využití polovodičových součástek Před sto lety jezdily automobily zcela bez elektronických součástek. Jediným elektrickým zařízením byl zdroj vysokého napětí pro zapalovací svíčky. Ten byl založen na elektromagnetické indukci. Později přibyla akumulátorová baterie, startér, reflektory, směrovky, … Prvním elektronickým zařízením v automobilech byla autorádia. Když se v automobilech začal místo dynama používat alternátor, objevily se polovodičové diody. Pak začala v automobilech elektronika rychle přibývat. Moderní automobily mají zabudován speciální počítač, který řídí funkce motoru a předává mnoho informací řidiči. Stále častěji se objevuje i navigační systém, který vede řidiče k cíli. Jen nejjednodušší stroje a elektrické spotřebiče se dnes obejdou bez polovodičových součástek. Integrované obvody, tranzistory, diody i jiné polovodičové součástky jsou samozřejmostí v počítačích, kalkulačkách, hodinkách, televizorech, přehrávačích CD, DVD, MP3, … Najdeme je ale i ve vrtačkách, v elektrických pilách, automobilech, lokomotivách, tramvajích, hračkách, … Už víme, že diody se využívají v usměrňovačích, tranzistory ve spínačích a zesilovačích. Svítivé diody najdou místo všude tam, kde potřebujeme malé, úsporné zdroje světla, které se mohou velmi rychle rozsvítit a pohasnout. Fotodiody jsou pak základem zdrojů elektrického proudu přeměňujících přímo světelnou energii. Fotodiodami se také dá měřit osvětlení, k měření teploty se užívají termistory. Integrované obvody jsou tak univerzální, že je najdeme v mnoha zařízeních včetně hraček a vysavačů. Existuje ale několik desítek dalších typů elektronických součástek, které plní jiné úkoly. Pro pohon elektrických dopravních prostředků jsou nejlepší stejnosměrné motory. Pracují totiž dobře při malých i při velkých otáčkách. Při jízdě z kopce nekonají žádnou práci, naopak při jízdě do kopce je příkon velký. K regulaci příkonu u tramvají a trolejbusů se používají tyristory. Jsou to součástky, které spínají proud. Podle toho, jak často a na jak dlouho se sepne proud do motoru, se řídí jeho výkon. Důležité přitom je, že na rozdíl od regulace reostatem se žádný příkon neztrácí. Pro- schematická značka tyristoru tože tyristory mohou současně i usměrňovat, poutyristor pro velké výkony žívají se v lokomotivách na střídavý proud. Jeden tyristor dokáže sepnout proud několik tisíc ampérů při napětí několika tisíc voltů. Může proto regulovat výkony s velikostí megawattů. Menší tyristory jsou užívány k regulaci osvětlení, k regulaci otáček ručních vrtaček, … Zvláštním typem integrovaných obvodů jsou polovodičové paměti. V těch nejjednodušších se ukládá informace jednoho bitu do speciálního tranzistoru řízeného elektrickým polem. Rozměry takové struktury se již snížily téměř na 1 mikrometr. Proto jsou vyráběny polovodičové paměti, do kterých se vejde několik stovek milionů bajtů (1 bajt = 8 bitů, 1 bit odpovídá jedné cifře dvojkového čísla). 58 ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Jaké jiné paměti se používají ve výpočetní technice? Pro některé účely zatím ani obrovská kapacita polovodičových pamětí nestačí. Pevné disky počítačů využívají magnetického záznamu informací. U běžných počítačů se na ně vejde několik set gigabajtů, u serverů to může být ještě desetkrát více. Ke čtení informací, uložených v podobě zmagnetovaných plošek na pevném disku, se užívají magnetorezistory. Jsou to polovodičové součástky, jejichž odpor se mění podle velikosti magnetické indukce. Přesná elektronická zařízení vyžadují k bezchybné činnosti stejnosměrné napětí, které se nemění s časem, teplotou, ani s velikostí odebíraného proudu. Takové napětí nemohou poskytnout vzhledem k vnitřnímu odporu žádné běžné zdroje. V každém zdroji takových zařízení je proto stabilizátor napětí. Kromě jiných součástek obsahuje pravidelně Zenerovu pevný disk počítače, na špičce snímacího raménka je magnetorezistor diodu. Je to zvláštní dioda, která se používá v závěrném směru. Je na ní stálé napětí i při proudu, který schematická značka se mění třeba od stovek mikroampérů do stovek miliampérů. Zenerovy diody Najdi na internetu nebo v literatuře alespoň tři další polovodičové součástky a popiš, k čemu se užívají. Desítky let se v televizorech používala klasická obrazovka. Byla to velká skleněná baňka, na jejíž přední stěně byly naneseny luminofory: látky, které svítí po dopadu rychle letících elektronů. Elektrony se uvolňovaly z rozžhavených elektrod a urychlovaly se vysokým napětím. Tyto obrazovky byly velké a těžké, televizory musely být hodně „hluboké“. Proto přišly na trh plazmové obrazovky a obrazovky s kapalnými krystaly (LCD). Ty se užívají i v monitorech Obrazovka OLED je tak tenká, že se dá svinout. počítačů. Nyní přicházejí na trh monitory a televizory s obrazovkami se svítivými diodami (OLED). Jejich obrazovka je tak tenká, že se dokonce může vyrobit na pružném podkladu a svinout jako plátno. Shrnutí Tyristory jsou polovodičové součástky, které mohou spínat velké proudy. Používají se k bezztrátové regulaci příkonu. Polovodičové paměti využívají většinou tranzistorů řízených polem. Ke čtení magnetického záznamu na pevných discích počítačů se používají magnetorezistory. Zenerova dioda udržuje stálé napětí při měnícím se proudu. Používá se ve stabilizátorech napětí. 59 U magnetofonů a walkmanů se ke čtení magnetického záznamu nepoužíval magnetorezistor. Jaké zařízení jej nahrazovalo? Plazmové obrazovky jsou složeny z více než milionu maličkých výbojek podobných zářivkám. Třetina výbojek svítí modře, další třetina zeleně, zbytek červeně. LCD displeje a obrazovky využívají vlastnosti zvláštních látek – kapalných krystalů. Podle velikosti elektrického pole se u těchto látek mění průhlednost. Jednoduché LCD displeje jsou na číslicových měřicích přístrojích, digitálních hodinkách, složitější pak na displejích mobilních telefonů, digitálních fotoaparátů, … ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Otázky a úkoly 1 Najdi v literatuře nebo na internetu, k čemu slouží kapacitní dioda. Ve kterých domácích spotřebičích bys ji mohl najít? 2 Znáš již polovodičové součástky, které se užívají k elektrickému měření teploty a osvětlení. Existují i polovodičové součástky, které se dají využít pro měření síly. Najdi jejich název. Jak pracuje rádio a televizor Jak je možné, že na jednu anténu rozhlasového přijímače přijímáte stovky různých vysílačů? Jak je možné, že jediným vedením kabelové televize přichází do televizoru desítky různých programů? Jak je možné, že na jedinou televizní anténu „chytáte“ až několik desítek různých stanic? Signál může nést i jiné informace než zvuk či obraz. Signály se přenášejí i od čidel, která měří různé fyzikální veličiny tak, že je mění na elektrické napětí nebo proud. Několik takových signálů vede na palubní desku automobilu. Zvuk lze jednoduše přeměnit mikrofonem na elektrické napětí. Jeho časový průběh odpovídá časovému průběhu tlaku vzduchu. Příklad takového časového průběhu je na následujícím grafu. Elektrickému napětí, které se mění s časem podle nějaké informace, říkáme signál. Signál, který nese zvukovou informaci (hudba, řeč), je možné dále přeměnit a uložit například na klasickou gramofonovou desku nebo magnetofonový pásek. Vyslat jej ale elektromagnetickým vlněním by bylo obtížné. Frekvence by byla velmi nízká, například 500 Hz. Příslušná vlnová délka elekc 300 000 000 = m = 600 km. Tak velké antény f 500 vysílačů a přijímačů se udělat nedají. Navíc by všichni lidé museli poslouchat tuto jedinou stanici. tromagnetického vlnění by byla velká: λ = U mV 10 5 0 1 –5 –10 Digitální způsob zpracování zvuku, jak byl popsán v kapitole věnované tranzistoru jako spínači, se stále více uplatňuje i u rozhlasu a televize. Podívej se doma nebo v autě na to, jak se hledají rozhlasové stanice v pásmu označovaném AM a jak na rozsahu FM. Co asi znamenají frekvence, které se objevují na displeji? 60 2 3 4 t ms ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Popsané potíže s vysíláním zvukového signálu se dají odstranit modulací. Je to způsob, kterým se původní signál přemění na jiný signál s mnohem vyšší frekvencí. Prvním používaným způsobem byla amplitudová modulace (AM). Při amplitudové modulaci se podle původního signálu mění amplituda vysoké frekvence elektrického napětí. Příklad je na grafu. Ve skutečnosti je však použitá U frekvence mnohem vyšší. mV Této vysoké frekvenci 10 (například 1 MHz) říkáme nosná frekvence. U současného vysílání rádia na 5 dlouhých, středních a krátkých vlnách mohou být nosné frekvence od 0 1 2 3 4 t 75 kHz do 25 MHz. Na ms různých nosných frekven–5 cích se pak mohou vysílat různé původní signály. Můžeme proto přijímat –10 několik stovek různých programů z celého světa. Výhodou nosných frekvencí v uvedené oblasti je to, že se mohou šířit velmi daleko. Elektromagnetické vlnění s frekvencemi nad 5 MHz se dokonce odráží od ionosféry a na rozsahu krátkých vln můžeme proto slyšet i rozhlasové stanice z Austrálie. Zvuk přijímaný na stanicích U s amplitudovou modulací je mV nekvalitní. Vzdálené stanice 10 slábnou a znovu zesilují podle toho, jak se vlní ionosféra. Proto se v padesátých letech 20. století 5 začalo užívat frekvenční modulace (FM). Podle původního signálu se nemění amplituda, ale 0 1 2 3 t frekvence nosného elektromagms netického vlnění. Původní infor–5 mace není teď uložena ve špičkách modulovaného signálu, ale v jeho průchodech nulou. Nevadí –10 proto slábnutí a zesilování přijímaného vlnění. Poslech na rozsazích FM je proto kvalitní. Nosné frekvence jsou však vysoké: 87 až 108 MHz. Elektromagnetické vlnění s takovou frekvencí se špatně ohýbá, proto je dosah vysílačů jen několik set kilometrů. Podívej se lupou na obrazovku zapnutého televizoru. Popiš, co vidíš. Televize musí kromě zvuku přenášet i obraz. Přeměna obrazu na signál je poměrně složitá. Obraz se nejprve musí rozložit na body. Obvykle se obraz nejdříve rozdělí na řádky. Pak se vytvoří signál podle jasnosti jednotlivých bodů v řádce. Další signál se vytvoří podle 61 U digitálně zpracovaného signálu – signálu přeměněného na impulzy – je důležitá pouze přítomnost impulzu. V určitém rozmezí nezávisí na výšce impulzu ani na přítomnosti jiných slabých signálů vzniklých rušením a zkreslením. S takto poškozeným analogovým signálem se již nedá nic dělat. Ovšem i z takového signálu poškozeného rušením a zkreslením lze získat původní digitální signál v následujícím tvaru. ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH zastoupení základních barev bodu (červená, zelená, modrá). Třetím signálem je zvuk. Vytvořené signály obrazu a zvuku se modulují na vysokou nosnou frekvenci (například 400 MHz). V televizoru se pak informace o zvuku, jasu a barvě obrazu rozdělí. Na obrazovce se zobrazují jednotlivé body zleva doprava. Řádky se zobrazují shora dolů, až se objeví celý obraz. Za jednu sekundu se na stínítko obrazovky přenese 25 obrazů. Oko to vlivem setrvačnosti vnímá jako pohyblivý obraz. Moderní obrazovky již nekreslí obraz postupně po řádcích zleva doprava a shora dolů. Jednotlivé body na obrazovce svítí trvale. Každý bod je vybaven pamětí o jasu. Jeho jas se změní jen při změně obrazu. Obraz rozdělený na řádky; obvykle je jich 625. první řádek obrazu Při 25 obrázcích za sekundu by obraz stále nepříjemně blikal, hlavně při pohybech hlavy. Proto se ve skutečnosti na obrazovce objevuje 50 půlsnímků (liché půlsnímky obsahují jen liché řádky, sudé půlsnímky pak sudé řádky). Shrnutí Signál je časově proměnné elektrické napětí, které se mění s časem podle určité informace. Touto informací může být zvuk i obraz. Signál se obvykle přeměňuje pomocí vyšší frekvence. Tomuto postupu říkáme modulace. Při amplitudové modulaci se mění amplituda. Při frekvenční modulaci se mění frekvence. Oba způsoby se používaji u rádia. U televize se kromě zvuku moduluje na vysokofrekvenční elektromagnetické vlnění i obraz a barva. Otázky a úkoly 1 Zjisti, jaké rozsahy frekvencí má rozhlasový přijímač, který používáš. Vypočítej rozsahy vlnových délek. 2 Zjisti, s jakou frekvencí se přenášejí televizní programy ze satelitů. Vypočítej příslušné vlnové délky. 3 Všímej si antén pro příjem pozemních rozhlasových a televizních stanic. Jak souvisí rozměry jednotlivých částí s vlnovou délkou elektromagnetického vlnění, které přijímají? U digitální televize se od vysílače přenášejí jen změny obrazu v digitální podobě. To je mnohem méně informací, než když se u klasické televize stále přenášely celé obrazy. Na jedné nosné frekvenci se proto může vysílat až pět televizních programů. 62 ATOMY A ZÁŘENÍ Jaderná ponorka. Pouze energie uvolňovaná atomovými jádry umožňuje jaderným ponorkám plout pod hladinou tisíce kilometrů a dostat se pod ledem například na severní pól. 63 ATOMY A ZÁŘENÍ Historie objevu atomu a jeho struktury Leukippos (asi 460–370 př. n. l.), řecký filozof Všechny látky se skládají z atomů. Atomy jsou nesmírně malé. Kdyby se všichni lidé na Zemi zmenšili na velikost atomů a postavili by se do řady, dostali bychom řádku dlouhou asi jeden metr. Kdyby měli všichni lidé na Zemi nepřetržitě počítat atomy v jedné kapce vody, trvalo by to více než deset tisíc let. Jak byl vlastně atom objeven, když mikroskopy, které měli vědci před sto lety, zobrazovaly i při největším zvětšení jen útvary tisíckrát větší než atom? V minulých ročnících jste se dozvěděli, že existenci atomů předpověděli před více než 2 000 lety řečtí filozofové Leukippos a Démokritos. Víte už také, že myšlenka o složení látek z částic měla i ve starověku odpůrce. Mezi ty patřil například Aristoteles. Kdy ale získali vědci první poznatky, které je o existenci atomů přesvědčily? Démokritos (asi 470–371 př. n. l.), řecký filozof Teprve počátkem 19. století získali chemici první důkazy o existenci atomů. John Dalton zjistil, že prvky se slučují ve sloučeniny beze zbytku jen tehdy, když jsou hmotnosti prvků v poměru malých celých čísel. 1 gram vodíku se sloučí beze zbytku s kyslíkem jen tehdy, bude-li kyslíku 8 gramů. Vznikne 9 gramů vody. Podobně hmotnosti uhlíku a kyslíku při vytvoření oxidu uhelnatého musí být v poměru 3:4, při vytvoření oxidu uhlimolekula vody čitého 3:8. Tento poznatek byl formulován jako zákon stálých poměrů slučovacích. Podle tohoto zákona bylo každému prvku přisouzeno číslo, které vyjadřovalo, kolikrát má atom prvku větší hmotnost než nejlehčí atom – atom vodíku. Tomuto číslu se říkalo atomová hmotnost, dnes ho známe jako nukleonové číslo. V roce 1811 pak Amadeo Avogadro zavedl pojem molekula a určil počet molekul v jednom molu. Tomuto číslu říkáme dnes Avogadrovo číslo: 6,022 ·1023 molekul v jednom molu. John Dalton [džon doltn] (1766–1844), anglický chemik a fyzik + - V polovině 19. století byly objeveny katodové trubice, ve které bylo dokázáno, že na katodové paprsky paprsky. Jsou to paprsky, které se šíří v silném působí příčné elektrické pole elektrickém poli v trubicích, ze kterých je vyčerpán vzduch. Tyto paprsky se šíří přímočaře od katody a vyvolávají světélkování skla a některých dalších látek. Jejich trajektorii je možné zakřivit magnetickým a elektrickým polem. Zkoumání těchto paprsků věnoval mnoho let Joseph John Thomson. V roce 1898 mohl prohlásit, že katodové paprsky jsou tvořeny velmi malými zápornými částicemi. Brzy se zjistilo, že tyto částice jsou nositeli elektrického proudu v kovech. Částice byly proto nazvány elektrony. Dnes se setkáváme s katodovými paprsky u obrazovek televizorů. urychlující elektrody anoda zdroj elektronů Amadeo Avogadro (1776–1856), italský fyzikální chemik vychylovací cívky Joseph John [džouzef džon] Thomson (1856–1940) při zkoumání katodových paprsků 64 luminofor Obrazovka televizoru s katodovými paprsky. Elektrony jsou zde vychylovány magnetickým polem. ATOMY A ZÁŘENÍ Pokus se sledovat logickou úvahu, která vedla k prvnímu poznatku o složení atomů: Záporné elektrony jsou uvolňovány z látky, která tvoří katodu. Musí být proto součástí této látky. Protože jsou elektrony uvolňovány za určitých podmínek ze všech látek, musí být elektron součástí látky. Jsou dvě možnosti: • Elektrony jsou součástí neutrálních atomů. • Elektrony se pohybují mezi atomy. Protože látka jako celek je neutrální, musely by v tomto případě být atomy kladné. Která skutečnost svědčí o první z možností? Kdyby se elektrony u všech látek volně pohybovaly mezi kladnými atomy, musely by být všechny látky elektricky vodivé. anglický pudink s rozinkami a ovocem Fyzika často používá k popisu skutečných objektů nebo jevů modely. Model ve fyzice je způsob, jak zjednodušeně popsat skutečnost tak, aby byla pochopitelná. Model však musí vyhovovat dějům, které ve skutečnosti nastávají. J. J. Thomson sestavil první model atomu. + Představil si atom jako kouli, ve které je + + + rovnoměrně rozložena kladně nabitá + + hmota. V této poměrně řídké hmotě jsou + + elektrony rozmístěny podobně jako + + + rozinky v pudinku. Podle tohoto podoben+ + ství byl Thomsonův model atomu nazván pudinkovým modelem. Počet elektronů odpovídá pořadí prvku v periodické soustavě. U vodíku je tedy jen jeden elektron, u kyslíku osm. Každý symbol + na obrázku představuje kladný náboj se stejnou velikostí, jako je náboj elektronu. Je atom na obrázku elektricky neutrální? Který prvek by měl takový atom? Thomsonův model atomu byl považován za správný až do roku 1911. Tehdy zveřejnil Ernest Rutherford [ernst radzfór] výsledky pokusu, který probíhal několik měsíců. Využil při tom vlastností částic alfa, které jsou vyzařovány radioaktivními látkami. Částice alfa mají kladný náboj s velikostí 2 elementárních nábojů a pohybují se obrovskou rychlostí km 20 000 . Rutherford nechal částice alfa s procházet velmi tenkou fólií ze zlata. Kdyby byl pudinkový model správný, procházely by částice alfa fólií zlata téměř beze změny směru. zdroj alfa částic scintilační detektor částic vakuum olověný stínící kryt zlatá fólie uspořádání Rutherfordova pokusu Můžeme si pokus představit jako střelbu z pušky do skutečného pudinku. Kulka by se také odchýlila jen nepatrně, i kdyby prošla několika desítkami pudinků. Při pokusu se skutečně zjistilo, že drtivá většina částic prochází fólií přímo. Některé částice alfa se však vychylovaly o velký úhel, který vzácně dosahoval i velikosti 180 °. To znamenalo, že se některé částice alfa od fólie odrážely. Rutherford to vysvětlil tím, že téměř celá hmotnost atomu i veškerý kladný náboj je soustředěn do velmi malé oblasti uprostřed atomu. Objevil atomové jádro. Vypočítal, že atomové jádro je až stotisíckrát menší než atom. Náboj jádra je stejně velký jako náboj všech elektronů v neutrálním atomu. Nejmenší jádro má atom vodíku. Tvoří ho jediná kladně nabitá částice – proton. 65 Elektrony v atomech zlata nemohly pohyb částic alfa výrazně ovlivnit. Částice alfa jsou jádra helia a mají hmotnost, která je více než 7 000krát větší, než je hmotnost elektronu. Částice alfa byly objeveny na konci 19. století. ATOMY A ZÁŘENÍ Jak se mohou záporné elektrony udržet v okolí kladně nabitého jádra? Jádro je přece přitahuje. Proč do něj nespadnou? Rutherford musel připustit, že elektrony obíhají kolem jádra. Síla mezi dvěma opačnými elektrickými náboji je přitažlivá, obdobně jako gravitační síla. Proto by se mohly elektrony pohybovat kolem jádra podobně jako planety kolem Slunce po kružnicích nebo elipsách. Vznikl tak planetární model atomu. sluneční soustava Shrnutí První domněnky o složení látek z atomů vznikly ve starověku. Potvrzení existence atomů přinesl počátek 19. století. Elektron byl objeven na konci 19. století. V roce 1911 bylo objeveno atomové jádro a vznikl planetární model atomu. Podle něj se atom skládá z kladného jádra, kolem kterého obíhají záporné elektrony. + Otázky a úkoly + + + + + 1 Jak se vychýlí paprsek katodového záření, který vstupuje do elektrického pole ve směru šipky? Elektrické pole je vytvořeno dvěma nabitými deskami podle obrázku. 2 Jak se vychýlí paprsek katodového záření, které prochází magnetickým polem, jehož indukční čáry míří z papíru? Bohrův model atomu Kdybychom měli dostatečně přesnou váhu, která by měřila hmotnost třeba na dvacet desetinných míst, zjistili bychom, že každý člověk na světě má jinou hmotnost. Podobnou zkušenost bychom získali z velmi přesného měření výšek lidí. Při stále přesnějším a přesnějším měření hmotnosti a délky by se výsledná čísla stále protahovala, nikdy by nekončila. Naopak při měření elektrických nábojů v násobcích elementárního náboje bychom dostali vždy jen celé číslo. Planetární model atomu byl přehledný a lákavý i svou podobností se sluneční soustavou. Mohli bychom si představit, že naše sluneční soustava je také jen nějakým atomem ve světě nepopsatelných obrů. Naopak bychom si mohli představit, že na atomech v našem těle žijí mnohé civilizace nepatrně maličkých tvorů. Již v době vytváření planetárního modelu atomu bylo jasné, že tento model nemůže být správný. Podle ověřené teorie elektromagnetického pole by se nabitý elektron nemohl na dráze kolem jádra udržet a spadl by velmi rychle do jádra. Tímto modelem také nebylo možné vysvětlit, proč jsou ve spektru zářících výbojek jen některé barvy, které jsou pro každý prvek jiné. 66 ATOMY A ZÁŘENÍ Na přelomu 19. a 20. století si fyzikové lámali hlavu nad několika dalšími jevy, které nebyly tehdejší fyzikou vysvětlitelné. Jeden takový jev všichni známe. Zahříváme-li nějaké těleso, září nejprve červeně (kamna při teplotách kolem 600 °C). Při vyšších teplotách (například 1 500 °C) září těleso žlutě (roztavené železo). Při velmi vysokých teplotách (6 000 °C) září těleso bíle (Slunce). Když ale fyzikové počítali tento jev z tehdejších teorií, vycházelo jim, že by u všech zářících těles měla převládat barva fialová. Problém se zářícími rozžhavenými tělesy vyřešil v roce 1900 Max Planck. Musel však ale připustit, že světlo se nevyzařuje jako vlnění, ale jen ve formě malinkých, oddělených porcí energie – kvant. Albert Einstein dokázal, že světlo je ve formě kvant nejen vyzařováno, ale i pohlcováno. Usoudil proto, že světlo i jiné elektromagnetické vlnění se v kvantech také šíří. Částici, která nese toto kvantum, pojmenoval foton. Ze známých zákonitostí popisujících spektrum vodíku a z těchto nových poznatků vyšel Niels Bohr. Vytvořil model atomu, který vysvětloval i některé předtím nevysvětlitelné jevy. Max Planck [plank] (1858–1947), německý fyzik Albert Einstein [ajnštajn] (1879–1955), německý fyzik Planckovy a Einsteinovy objevy, zvláště ale Bohrův model atomu, byly podnětem pro vybudování nové fyzikální teorie – kvantové mechaniky. Podle Bohrova modelu atomu se elektrony pohybují kolem jádra atomu jen po určitých kruhových trajektoriích. Jen na těchto trajektoriích se může elektron trvale udržet, atom je stabilní. Energie elektronů je přesně dána a je pro každou trajektorii i pro každý prvek jiná. Znamená to, že některé energie elektron v atomu může mít, jiné nemůže mít. Elektrony tvoří obal atomu. To bylo velmi odvážné tvrzení. Do této doby se totiž fyzikové domnívali, že všechny fyzikální veličiny (kromě elektrického náboje) mohou mít libovolnou velikost – že jsou spojité. Fyzikální veličiny, které mohou nabývat jen některých hodnot, nazýváme kvantované veličiny. Energie elektronu v obalu atomu je kvantovaná. V běžném životě se také setkáváš s hodnotou, která se dá vyjádřit jen v určitých velikostech. Je to cena v korunách. Kde končí čísla, kterými se dá cena zapsat? Jaké nejmenší číslo má ještě smysl? 67 Niels Bohr [nýls bór] (1885–1962), dánský fyzik Mezi veličiny, které jsou vždycky kvantované, patří i moment hybnosti. Je to fyzikální veličina, kterou se měří rotační pohyb tělesa. ATOMY A ZÁŘENÍ Elektrony se v jednotlivých vrstvách často sdružují do dvojic (párů). Atomy netečných plynů obsahují jen dvojice elektronů. Elektrony v atomu se podle Bohrova modelu znázorňují na kruhových trajektoriích. Na každé trajektorii může být jen omezený počet elektronů. Z chemie víš, že podle toho dělíme elektrony v obalu do vrstev (slupek). První vrstva se označuje písmenem K, druhá L. Poslední (od jádra nejvzdálenější) vrstva, na které jsou ještě elektrony, se nazývá valenční vrstva. Elektron v druhé vrstvě má vždy větší energii než elektron v první vrstvě. Ještě větší energii mají elektrony ve třetí vrstvě. Je-li ve vrstvě více elektronů, nemají zcela stejné energie. valenční vrstva K L M N Kolik elektronů může být v první vrstvě? Kolik jich nejvýše může být ve druhé vrstvě? Na obrázku je znázorněn atom podle Bohrových představ. Ve správném poměru jsou i vzdálenosti trajektorií, jen jádro a elektrony jsou nakresleny příliš velké. Z toho, co víš z chemie, bys měl poznat prvek, jehož atom je na obrázku vpravo nahoře znázorněn. Dnes víme, že představa o trajektoriích elektronů ve tvaru kružnice není správná. Přesto může být Bohrův model pro některé účely stále použitelný. Dobře platí pro atom vodíku. Energie fotonu souvisí s frekvencí f vyzařovaného elektromagnetického vlnění podle vzorce E = h · f . V tomto vzorci vystupuje konstanta h. Říkáme jí Planckova konstanta. Ve světě malých rozměrů je velmi důležitá. Uvolní-li elektron v obalu místo s nižší energií, může na toto místo přeskočit elektron s vyšší energií. Přitom se vyzáří kvantum energie – foton. Energie fotonu je rovna rozdílu energií elektronů. Říkáme, že došlo k emisi fotonu. Označíme-li energii elektronu v původním stavu E1 a v novém stavu E2, je uvolněná energie E = E1 – E2. Tuto energii odnáší vyzářený foton. Naopak, když na atom dopadne foton s vhodnou energií, přejde elektron ze stavu s nižší energií do stavu s vyšší energií. Foton je pohlcen, říkáme, že došlo k jeho absorpci. Představit si foton jako částici, která má i vlastnosti vlnění, je obtížné. Zobrazení fotonu může vypadat například takto: Shrnutí Energie světla i jiných druhů elektromagnetického vlnění se uvolňuje i pohlcuje jen v malých porcích – kvantech. Částici nesoucí kvantum energie se říká foton. Energie elektronu v atomu je kvantovaná. Znamená to, že energie elektronů může nabývat jen určitých hodnot. Elektrony v obalu jsou uspořádány ve vrstvách. V každé vrstvě může být jen omezený počet elektronů. Přechod elektronu do stavu s jinou energií provází pohlcení nebo vyzáření fotonu. Otázky a úkoly 1 Jaká je vaznost atomu na obrázku v této kapitole? 2 Jaký je nejvyšší počet elektronů ve třetí vrstvě atomu? Jaké je nejmenší nukleonové číslo prvku, který má tuto vrstvu plně obsazenu? Jak se příslušný prvek jmenuje? 3 Elektron přeskočí z třetí vrstvy do první. Vyzáří se přitom foton, nebo dojde k jeho pohlcení? 68 ATOMY A ZÁŘENÍ Záření z elektronového obalu Nejdůležitějším lidským smyslem je zrak. Světlo, které dopadá do oka a vytváří v něm obraz okolí, nám přináší nejdůležitější a nejpodrobnější informace o světě, který nás obklopuje. Jak ale vzniká světlo? Víš už, že jednou z možností, jak donutit tělesa svítit, je jejich zahřátí na vysokou teplotu. Světlo ale vydávají i tělesa, která nemají velkou teplotu: monitory počítačů, displeje mobilních telefonů, úsporné zářivky, světlušky, … Aby byl z elektronového obalu atomu vyzářen foton elektromagnetického vlnění, musí přejít elektron ze stavu s vyšší energií do stavu s nižší energií. Nejprve se ale do stavu s vyšší energií musí dostat. Energie, která je k tomu nutná, může pocházet například z elektromagnetického pole (zářivky), z chemických reakcí (světluška, plamen) nebo z dopadu jiných částic spektrum světla z rozžhavených těles obsahuje na atom (klasická televizní obrazovka). všechny vlnové délky Světlo je elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami od 390 nm (fialové) do 760 nm (červené). Fotony, které toto vlnění přenášejí, mají proto poměrně malé energie. Proto i rozdíly energií ve stavech elektronu nemohou být příliš velké. Viditelné světlo vydávají atomy, u kterých dochází k přechodům elektronů ve valenční vrstvě. Přechází-li elektron mezi vrstvami, je uvolněná energie větší, proto je větší i frekvence a menší vlnová délka. Může tak vzniknout neviditelné elektromagnetické záření. Protože ve spektru následuje tento druh záření za fialovým světlem, říká se mu ultrafialové záření (zkratka UF nebo UV – ultraviospektrum světla z elektronového obalu let [altravajolet]). obsahuje jen některé barvy Některé látky po dopadu ultrafialového záření světélkují. Toho se využívá k ochraně bankovek proti padělání i k některým efektům při uměleckých představeních a na diskotékách. O ultrafialovém záření jste již určitě mnohokrát slyšeli. Kde se uplatňuje? Co je to ozonová díra? Wilhelm Conrad Roentgen [vilhelm konrád rentgen] (1845–1923), německý fyzik Ultrafialové záření je elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami od 10 nm do 390 nm. 69 ATOMY A ZÁŘENÍ U těžších atomů jsou pak rozdíly energií elektronu mezi vrstvami tak velké, že vzniká další druh elektromagnetického vlnění – rentgenové záření (zkratka RTG, dříve se používalo označení paprsky X). Jeho vlnové délky jsou mezi 0,1 nm a 10 nm. Je pojmenováno po svém objeviteli Wilhelmu Conradu Roentgenovi. Tento německý fyzik se zabýval pokusy s katodovými paprsky. Na konci 19. století zjistil, že z vakuové trubice, na které je velké napětí, vychází neviditelné záření, které vyvolává v některých látkách světélkování. Brzy zjistil, že toto záření prochází dobře látkami obsahujícími lehké prvky. Jedním z prvních snímků byl obraz kostí v ruce jeho ženy. Z fotografie je patrné, že záření dobře proniklo měkkými tkáněmi (vodík, uhlík, kyslík), hůře kostmi (vápník) a neprošlo prstýnky (zlato). Rentgenové záření vzniká nejen při přechodech elektronů mezi slupkami, ale i prudkým zabrzděním velmi rychlých elektronů v látce. Na rentgenovém snímku jsou velmi dobře vidět části těla obsahující prvky s vyšším protonovým číslem. U jiných orgánů se musí použít kontrastní látka. Tou se naplňují tělní dutiny, případně se přidává do krevního řečiště. Dnes patří rentgenové vyšetření k základním diagnostickým metodám. rentgenka – trubice pro vznik rentgenového záření Elektromagnetické vlnění s menšími vlnovými délkami (menší než 0,1 nm) se označuje jako záření gama (γ). Nevychází však z elektronového obalu, ale z atomového jádra. Přehledné znázornění různých druhů elektromagnetického vlnění s vlnovými délkami a frekvencemi je na následujícím obrázku. Frekvence 0,1 MHz 1 MHz 10 MHz 0,1 GHz 1 GHz 10 GHz Oblast Vlnová délka Látky, které jsou průhledné pro viditelné světlo, nemusí být propustné pro jiný druh elektromagnetického vlnění. Je známo, že za oknem se neopálíš. Sklem téměř neprochází ultrafialové záření. Rádiové vlny 1 km 100 m 10 m 0,1 THz 1 THz 10 THz Mikrovlny 1m 1 dm 10 mm 0,1 PHz 1 PHz 10 PHz IČ 1 mm 0,1 mm 10 µm 0,1 EHz 1 EHz 10 EHz 0,1 ZHz Viditel. UV 1 µm 100 nm 10 nm RTG 1 nm gama 0,1 nm 10 pm Zkratkou IČ je označeno infračervené záření. Označuje se také zkratkou IR – infrared. I to může vzniknout přechody elektronů, spíše ale v molekulách než v atomech. Kromě toho jej vyzařují všechna teplá tělesa. Uplatňuje se při přenosu tepla sáláním. Jeho vlnové délky jsou od 760 nm do 1 mm. Elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami od 1 mm do 20 cm se často označuje jako mikrovlnné. Setkáme se s ním u mikrovlnné trouby, používá se však i při satelitním příjmu televize. Elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami nad 1 mm se vyrábí elektronickými zařízeními. 70 Pes se ohřívá infračerveným zářením. ATOMY A ZÁŘENÍ S rádiovými vlnami ses již setkal. K čemu se používají? Jaké vlnové délky mohou mít? Shrnutí Světlo je elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami od 390 nm do 760 nm. Vychází z rozžhavených těles. Kromě toho vzniká při přechodech elektronů ve valenční vrstvě. Při přechodech elektronů mezi vrstvami vzniká ultrafialové záření, u těžkých atomů i rentgenové záření. Elektromagnetické vlnění s většími vlnovými délkami, než má červené světlo, se nazývá infračervené záření. Největší vlnové délky mají rádiové vlny. Otázky a úkoly 1 Jaké druhy elektromagnetického vlnění vycházejí ze Slunce a jiných hvězd? Informace můžeš najít v literatuře nebo na internetu. 2 Rentgenové záření určitých vlnových délek, které vzniká přechody elektronu do vnitřních slupek, se označuje písmeny K a L. Proč asi? 3 Seřaď následující zařízení podle vlnových délek elektromagnetického vlnění, které se v nich užívá (od největší k nejmenší vlnové délce): žárovka, rentgen, pozemní vysílač televize, rádio, solárium, mikrovlnná trouba. Zemskou atmosférou proniká viditelné světlo a část ultrafialového záření. Atmosféra je téměř nepropustná pro rádiové vlny s určitými vlnovými délkami. Pro rádiové vlny jiných vlnových délek je naopak atmosféra propustná. Pro spojení s družicemi se proto musí volit vhodná vlnová délka. Jádro atomu Jádro je rozměrem nepatrná část atomu. Připomeňme si, že kdyby se jádro atomu zvěšilo na rozměr makového zrnka (1 mm), byl by atom velký 100 metrů. Přes nepatrné rozměry však jádro soustřeďuje téměř veškerou hmotnost atomu. V jádře atomu dusíku je 7 protonů. Jeho hmotnost je však přibližně rovna hmotnosti 14 protonů. Znamená to, že v jádře musí být ještě 7 jiných částic. Tyto částice musí mít přibližně stejnou hmotnost jako proton, musí být ovšem elektricky neutrální. + + + ++ + + V roce 1932 objevil Chadwick novou částici – neutron. Je to částice, která má přibližně stejnou hmotnost jako proton, nemá však elektrický náboj. Protony a neutrony mají společné označení nukleony. Počet protonů v jádře se označuje Z. Je to protonové číslo. Celkový počet protonů a neutronů je A. Říká se mu nukleonové číslo. Počet neutronů v jádře je proto A – Z. Ve zbytku neutrálního atomu – v obalu – je Z elektronů. Nejvyšší kostelní věž v České republice – věž kostela sv. Bartoloměje v Plzni ve srovnání se zvětšeným atomem. Jádro by mělo v tomto přirovnání rozměr makového zrnka. Látce, která je složena z atomů se stejným Z i se stejným A, říkáme nuklid. Atom nuklidu se značí chemickou značkou prvku, vlevo nahoře se píše A, vlevo dole se píše Z: ZA X . Atomy se stejným Z jsou atomy jednoho prvku. Mohou se však lišit počtem neutronů v jádře. Pak mají různé A. James Chadwick [džejmz čedvik] (1891–1974), anglický fyzik 71 ATOMY A ZÁŘENÍ K odlišení používáme označení izotop. Vodík má 3 izotopy: Fyzikové si dlouho představovali jádro prvku, který měl pořadí v periodické soustavě Z a hmotnost Akrát větší než atom vodíku, jako soustavu A protonů a A – Z elektronů. Tato představa byla ale v rozporu s jinými fyzikálními poznatky. Rozpor odstranili v roce 1931 Ivaněnko a Heisenberg, kteří předpověděli novou částici. Tato částice měla mít hmotnost přibližně stejnou jako proton, měla však být elektricky neutrální. 1 1 H – lehký vodík, někdy také protium [prócium], 2 1 H – těžký vodík neboli deuterium, 3 1 H – supertěžký vodík neboli tritium [tricium]. + + lehký vodík Izotopy ostatních prvků nemají zvláštní názvy. deuterium + tritium Protony jsou kladné, jejich náboj je roven elementárnímu náboji e. Proton má hmotnost 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg. I když toto číslo zapíšeme vhodněji: 1,67 · 10–27 kg, není to příliš názorné. Proto se v atomové fyzice používá jednotka hmotnosti, které se říká atomová hmotnostní jednotka. Znáš ji z chemie. Je to jedna dvanáctina hmotnosti neutrálního atomu uhlíku 126 C. Označuje se u. Pro částice, ze kterých se skládá atom, platí údaje v následující tabulce. Hmotnost částice je m, hmotnost elektronu je me. částice elektrický náboj m u m me proton neutron elektron +e 0 –e 1,007 277 1,008 665 0,000 548 6 1 835 1 838 1 Kolik protonů je v jádře na obrázku na začátku kapitoly? Kolik je v něm neutronů? Zapiš označení tohoto jádra. Dívej se přitom pozorně, z některých částic jsou vidět jen malé kousky. Plazma je čtvrté skupenství hmoty. Je tvořeno směsí elektronů a kladných iontů. Získat samotné jádro atomu je velmi obtížné. Znamenalo by to odstranit z atomu všechny elektrony. Ty jsou ale přitahovány k jádru velkými silami. Daří se to jen částečně v plazmatu. Kdyby se vyrobila špendlíková hlavička jen z nukleonů, měla by hmotnost milion tun. Jádra některých atomů se chovají jako malé magnety. Toho se využívá v lékařské diagnostice. Této metodě se říká jaderná (nukleární) magnetická rezonance (JMR nebo NMR). Protože při vyšetření se člověk posouvá velkou cívkou, říká se, že „jde do tunelu“. Lékaři pak pomocí počítače prohlédnou jakýkoli orgán živého člověka. Největší současná loď na světě je tanker Knock Nevis (dříve pod jménem Jahre Viking). Plně naložený ropou má necelých 700 000 tun. Je 458 metrů dlouhý. 72 ATOMY A ZÁŘENÍ Shrnutí Atomové jádro se skládá z protonů a neutronů. Protony jsou kladné, jejich počet v jádře se označuje Z – protonové číslo. Neutrony nemají elektrický náboj. Pro protony a neutrony se užívá společného označení – nukleony. Počet nukleonů v jádře určuje nukleonové číslo A. Atomy jednoho prvku mají stejný počet protonů. Mohou se však lišit počtem neutronů. Tyto odlišné druhy jednoho prvku se nazývají izotopy. Vodík má tři izotopy: kromě běžného vodíku je to deuterium s jedním neutronem a tritium se dvěma neutrony v jádře. Otázky a 1 2 3 úkoly Kolik je kterých částic v neutrálním atomu uranu 238 92 U ? Pojmenuj nuklid, který nemá v jádře ani jeden neutron. Kolik elektronů, protonů a neutronů je v neutrální molekule vody? Kdyby jaderná síla působila i u železných koulí z motivace, dosahovala by milionu giganewtonů. Jaderné síly Dvě železné koule s hmotností 1 kg, které jsou od sebe vzdáleny 1 cm, se gravitačně přitahují silou asi 0,000 000 01 N. Kdyby byly tyto koule nabity napětím 10 000 V, byl by na každé kouli náboj s velikostí 35 nC. Protože by na každé kouli byl náboj opačného znaménka, koule by se přitahovaly silou asi 0,002 N. Elektrické síly jsou mnohokrát větší než síly gravitační. gravitační síly Ve vesmíru existují tělesa, která mají tak obrovskou hustotu jako samotné jádro. Jsou složena z neutronů a říká se jim neutronové hvězdy. 1kg 1 cm 1kg Po objevu atomového jádra byli vědci postaveni před velkou záhadu. Jak to, že atomová jádra, ve kterých jsou kladné částice, drží pevně pohromadě? Vždyť protony jsou kladně nabité a odpuzují se. Elektrické síly, kterými se odpuzují, jsou proti přitažlivým gravitačním silám mnohokrát větší. V jádře pevně drží i elektricky neutrální neutrony. Bylo jasné, že mezi nukleony musí působit nějaké obrovské přitažlivé síly, které fyzikové dosud neznali. Říkáme jim jaderné síly. Jsou mnohonásobně větší než síly elektrické. Ve světě velkých rozměrů se s nimi elektrické síly nesetkáme, protože zcela přestávají působit mimo jádro (ve vzdálenostech větších než 10 femtometrů, což je jedna stomiliardtina milimetru). Říkáme, že jaderné síly mají jaderné síly elektrické síly krátký dosah. Působí mezi dvěma protony, mezi dvěma neutrony i mezi protonem a neutronem stejně. Jaderné síly jsou tedy nezávislé na elektrickém náboji. Jaderné síly v atomovém jádru jsou naznačeny na obrázku vpravo. Síly jsou kresleny v jiném měřítku než na prvním obrázku. Krátkými modrými šipkami jsou znázorněny elektrické síly, žlutými šipkami jaderné síly. Gravitační síly jsou tak malé, že je nelze v tomto měřítku znázornit. 73 Gravitační síly známe jen přitažlivé. Elektrické síly mohou být přitažlivé i odpudivé. Jaderné síly jsou přitažlivé, při velmi malých vzdálenostech nukleonů však jsou odpudivé. Vzdálenost, při které převládnou odpudivé jaderné síly, považujeme za rozměr nukleonu (asi 1 fm = 10–15 m). Nukleony se proto jeví jako nestlačitelné. Na elektron a foton jaderné síly nepůsobí. Atomové jádro nelze utvořit jen ze dvou neutronů nebo jen ze dvou protonů. ATOMY A ZÁŘENÍ Počet prvků je omezený. V přírodě se prakticky nevyskytují prvky s protonovým číslem větším než 92. Souvisí to nějak s omezeným dosahem jaderných sil? Proč těžší jádra obsahují více neutronů než protonů? Ve velkých jádrech mají k sobě vzdálenější nukleony příliš daleko na to, aby mezi nimi mohly působit jaderné síly. S rostoucím protonovým číslem ale roste elektrický náboj, proto rostou i odpudivé elektrické síly. U větších jader je výhodnější větší počet neutronů, protože každý neutron zvyšuje jaderné síly a nemění elektrické síly. Podobný proces, jakým je popsaný vznik jádra helia ze dvou protonů a dvou neutronů, probíhá v nitru hvězd. Jádro helia se zde však tvoří ze čtyř protonů. V průběhu reakce se dva protony změní na neutrony. Na obrázcích na předchozí straně je jádro helia 24 He. Skládá se ze dvou protonů a ze dvou neutronů. Porovnáme-li hmotnost 4 protonů a jádra helia, která hmotnost bude větší? He H Každý, kdo si pamatuje z předchozích kapitol, že neutron má větší hmotnost než proton, musí odpovědět, že větší hmotnost má jádro helia. Ve skutečnosti je tomu naopak. Kupodivu to pro fyziky nebyla velká záhada. Albert Einstein již v roce 1905 získal vzorec, který je asi nejznámějším fyzikálním vzorcem vůbec: E = m · c2 . Podle tohoto vzorce odpovídá úbytek hmotnosti m uvolněné energii E . Ve vzorci je c km rychlost světla ve vakuu: 300 000 . s Jak velká energie by se uvolnila při vytvoření 1 gramu helia z vodíku a neutronů? Hmotnost atomu vodíku mH = 1,007 825 · u, hmotnost neutronu mn = 1,008 665 · u, hmotnost atomu helia mHe = 4,002 603 · u. Pro pevnost jádra je důležitý hmotnostní úbytek dělený nukleonovým číslem. Čím je tento poměr větší, tím je jádro pevněji sestaveno. Největší poměr ze všech nuklidů má 62 Ni, izotop niklu 28 velký je poměr i u železa 56 26 Fe . Úbytek hmotnosti je 2 · mH + 2 · mn – mHe = 0,030 377 · u. Kdybychom vytvořili 4,002 603 g helia, byl by rozdíl 0,030 377 g. Dosadíme-li 0,000 030 377 kg do Einsteinova vzorce, vychází energie přibližně 2,8 · 1012 J (2 800 GJ). To je energie, která by se uvolnila při vytvoření asi 4 g helia. Znamená to, že při vytvoření 1 g helia se uvolní energie 2,8 ⋅1012 J = 7 ⋅1011 J = 700 000 MJ. 4 Energie, která se uvolní spálením 1 kg uhlí v tepelné elektrárně, je 11 MJ. Znamená to, že vytvořením 1 g helia by se získalo tolik energie jako při spálení 64 tun uhlí. Rozdílu mezi součtem hmotností všech částic, které atom tvoří, a hmotností neutrálního atomu se říká hmotnostní úbytek. Podle vzorce E = m · c2 odpovídá energii, kterou bychom potřebovali k rozdělení jádra na protony a neutrony. Shrnutí Atomové jádro drží pohromadě jaderné síly. Jaderné síly působí přitažlivě mezi všemi nukleony. Jsou mnohem silnější než odpudivé síly mezi protony. Působí stejně mezi dvojicemi proton–proton, proton–neutron i neutron–neutron. Říkáme, že jsou nábojově nezávislé. Mají krátký dosah, působí jen v atomovém jádře. Hmotnost atomového jádra je menší než součet hmotností nukleonů. Svědčí to o tom, že při složení jádra z jednotlivých nukleonů by se uvolnila obrovská energie. 74 ATOMY A ZÁŘENÍ Otázky a úkoly 1 Ve kterém atomu nepůsobí v jádře žádné jaderné síly? 2 Největší jaderné síly působí u lehkých jader v případě, že počet neutronů je roven počtu protonů. Zvláště silné jsou pak v případě, že oba počty jsou sudými čísly. Vyhledej pomocí internetu nebo tabulek alespoň 4 nuklidy s těmito vlastnostmi. 3 Atom uranu 238 92 U má hmotnost 238,050 8 · u. Vypočítej jeho hmotnostní úbytek v atomových hmotnostních jednotkách. Potřebné údaje zjistíš v textu kapitoly. Radioaktivita Radioaktivita. Slovo, které budí hrůzu. Většina lidí si pod ním představí zdraví škodlivé, neviditelné záření. Na vedlejším obrázku je symbol, kterým se označují radioaktivní zdroje. Vidíme ho často na plakátech aktivistů, kteří bojují proti jaderným elektrárnám. Fyzik však ví, že o radioaktivitě platí stejné úsloví jako o ohni: Dobrý sluha, ale zlý pán. Na konci 19. století zkoumal francouzský fyzik Henri Becquerel světélkování některých nerostů. Zkoumal také uranovou rudu – smolinec z Jáchymova. Nerosty dával ve tmě na fotografickou desku. Tu pak vyvolal a zkoumal její zčernání. V roce 1896 omylem vyvolal i desku, která byla zabalena v černém papíru. S údivem zjistil, že i ta je zčernalá. Nebyla sice osvětlena, ale předtím na ní ležel kus smolince. Becquerel zjistil, že z uranové rudy vychází neviditelné záření, které prochází papírem a působí chemicky na fotografickou desku. Toto záření dále zkoumali Pierre Curie a Marie Curieová-Sklodowská. Zjistili, že záření, které nazvali radioaktivním, má tři složky. fotografická deska, na které ležel smolinec Složky radioaktivního záření se odlišují při pohybu v magnetickém poli. Nejvíce se odchyluje záření beta (β), méně alfa (α). Vůbec se neodchyluje záření gama (γ). Záření beta se odchyluje tak, jako by to byl proud záporných částic, záření alfa se chová jako proud kladných částic. Porovγ náním záření beta s katodovými paprsky se zjistilo, že i záření beta je proud elektronů, ovšem s obrovskou energií. Proto někdy píšeme označení β–. Po objevu atomového jádra se prokázalo, β že záření alfa je tvořeno velmi rychle se pohybujícími jádry helia 42 He. Porovnáním záření gama s rentgenovými paprsky bylo zjištěno, že je to elektromagnetické vlnění s nesmírně krátkou vlnovou délkou. B α Henri Becquerel [ánri bekerel] (1852–1908), francouzský fyzik, který v roce 1896 objevil radioaktivitu. V roce 1903 dostal spolu Pierrem Curiem a Marií Curieovou-Sklodowskou Nobelovu cenu. smolinec Které nové prvky objevili v uranové rudě Marie Curieová-Sklodowská a Pierre Curie? Objevitel atomového jádra Ernest Rutherford [radzfór] dokázal, že všechny tři složky radioaktivního záření vycházejí z jádra. Prokázal také, že radioaktivní záření je jen průvodním jevem mnohem hlubšího procesu, který byl nazván radioaktivitou. Radioaktivita je samovolná přeměna atomových jader. 75 Marie Curieová-Sklodowská (1867–1934) a Pierre Curie [pjér kirí] (1859–1906) ATOMY A ZÁŘENÍ Ve skutečnosti vzniká při přeměně neutronu v proton ještě jedna částice s podivným názvem: elektronové antineutrino. Nemá elektrický náboj a nukleonové číslo má nulové. U uměle připravených radionuklidů je možné pozorovat radioaktivní přeměnu, při které se v jádře mění proton na neutron. Prvek se tak posouvá v periodické tabulce o jedno místo vlevo. Vyzařuje se přitom částice, která má všechny vlastnosti, až na elektrický náboj, shodné s elektronem. Ten není –e, ale +e. Částici se říká pozitron a značí se β+. Radioaktivní nuklidy jsou přítomny ve všech tělesech, jsou i v atmosféře. Kromě nuklidů, které přetrvávají od vzniku Země, se v atmosféře tvoří stále nové působením záření, které přichází z kosmického prostoru. Dnes víme, že záření beta vzniká, když se v jádře přemění neutron v proton: 01 n → 11 p + −01 β−. V této reakci je n – neutron, − 137 p – proton a β částice beta. Přiřazujeme jim čísla 55 Cs podobně jako atomům. Příklad přeměny jader je 137 0 − přeměna 137 55 Cs → 56 Ba + −1 β . Všimněme si, že se − cesium přeměnilo na baryum. Při přeměně β se protonové číslo prvku zvětšuje o 1, nukleonové číslo se nemění. 137 56 Ba p ebeta částice (elektron) e- Při alfa přeměně se jádro rozpadá na nové jádro a částici n alfa. Nové jádro má protonové číslo o 2 menší, nukleonové se zmenší o 4. Příkladem je přeměna uranu, který se mění v tho238 234 4 238 rium: 92 U → 90Th + 2 α . Záření gama vzniká, když má nové jádro 92 U po přeměně beta nebo alfa přebytečnou energii. Takové jádro se 234 označuje hvězdičkou. Příkladem na obrázku je přeměna: 90Th 60 60 * 0 − 60 * 60 0 27 Co → 28 Ni + −1 β , 28 Ni → 28 Ni + 0 γ . 4 2 α Částice alfa neprojdou ani listem papíru. Ve vzduchu doletí asi 5 cm. Částice beta mají malou hmotnost, proto doletí dále: až 4 mm v hliníku a několik metrů ve vzduchu. Záření gama je velmi pronikavé. Dokáže projít až několika metry betonu či několika desítkami centimetrů olova. Ve všech přeměnách atomových jader zůstává zachován součet nukleonových i protonových čísel. Říkáme, že se zachovává počet nukleonů a platí zákon zachování elektrického náboje. záření gama 60 27 60 28 Co Ni Dnes známe několik tisíc radioaktivních nuklidů. Jen 279 nuklidů je stabilních. Nejtěžším stabilním atomem je bismut 209 83 Bi . Všechny prvky s protonovým číslem větším než 83 mají pouze radioaktivní izotopy. Na Zemi se vyskytují jen proto, že mají dlouhé poločasy přeměny, nebo vznikají přeměnou takových nuklidů. Radioaktivní jádra se nepřeměňují všechna najednou. Rychlost přeměny posuzujeme podle doby, za kterou se přemění právě polovina jader. Této době T říkáme poločas přeměny. U různých nuklidů je poločas přeměny značně odlišný. Uran 238 92 U má poločas přeměny 4,5 miliardy roků, polonium 213 jen 4,2 mikrosekundy. Po 84 Izotop aktinia 225 89 Ac má poločas přeměny 10 dní. Postupně se mění přeměnou alfa na francium 221 87 Fr . Znamená to, že po 10 dnech bude aktinia polovina, po dalších deseti dnech čtvrtina, po dalších deseti dnech osmina, atd. Postupný pokles počtu atomů aktinia N ukazuje následující graf. Radioaktivní nuklid se poprvé podařilo vyrobit manželům Joliot-Curieovým v roce 1934. Jevu se říkalo „umělá radioaktivita“, aby se odlišil od radioaktivity „přirozené“. Fyzikální podstata obou jevů je však stejná. 76 N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t d ATOMY A ZÁŘENÍ Shrnutí Radioaktivita je samovolná přeměna atomových jader. Při přeměně alfa se jádro přemění na jádro prvku s protonovým číslem o 2 menším. Zároveň se vyzáří částice α (jádro helia 42 He). Při přeměně beta se jádro prvku změní na jádro prvku, který má protonové číslo o 1 větší. Vyzáří se přitom částice β– (elektron s velmi vysokou energií). Radioaktivní záření je tvořeno částicemi α, β– a γ. Záření γ je elektromagnetické vlnění s velmi krátkou vlnovou délkou. Poločas přeměny je doba, za kterou se přemění polovina původního počtu radioaktivních jader. Na rychlost radioaktivní přeměny nemá vliv teplota, tlak, ani další fyzikální veličiny. Nemění se ani při chemických reakcích. Otázky a úkoly 1 Nuklid 235 92 U je radioaktivní. Jaký prvek vzniká jeho alfa přeměnou? 2 Poločas přeměny izotopu radia 221 88 Ra je 30 sekund. V čase t = 0 s bylo ve vzorku 32 768 atomů tohoto nuklidu. Kolik jich tam bude po 4 minutách? 3 Najdi v tabulkách nebo na internetu, které prvky s protonovým číslem Z < 84 nemají ani jeden stabilní izotop. Využití radioaktivity V roce 1991 nalezli němečtí turisté v Alpách mumifikovanou mrtvolu. Tělo muže bylo zachováno tak, že mohlo jít o událost starou několik let. Výzbroj (sekera, luk, nůž a šípy) však svědčily o tom, že muž pocházel z přelomu doby kamenné a doby bronzové. Vědci zjistili, že muž, který dostal jméno Ötzi, žil asi před 5 300 let. Využili k tomu radiouhlíkové metody. Kosmické záření 14 7 14 6 N C CO2 Fotosyntéza Přeměna: 146 C 14 7 N Uhlík je prvkem, který tvoří nezbytnou součást těl všech rostlin i živočichů. Má dva stabilní izotopy: 126 C a 136 C . Poměr zastoupení těchto izotopů v přírodním uhlíku je 99:1. Vlivem kosmického záření však vzniká v atmosféře z dusíku 147 N ještě jeden izotop uhlíku: 146 C. Ten je radioaktivní. S poločasem přeměny 5 700 let se mění opět na 14 14 14 0 − 14 7 N: 6 C → 7 N + −1 β . Izotop 6 C – radiouhlík – se asimilací dostává do rostlin, z těch pak do živočichů. Během života má proto každá rostlina i každý živočich v těle určité množství radioaktivního uhlíku. Po skončení metabolických procesů (skácení stromu, smrt člověka, …) začne obsah radiouhlíku klesat. Toho se dá využít v archeologii k určení stáří organických zbytků. V topůrku sekery z archeologického nálezu byla zjištěna čtvrtina radiouhlíku než v živém stromu. Před kolika lety byl strom, ze kterého je topůrko, poražen? Při výrobě papíru a jiných tenkých materiálů – plech, textilní látky – se využívá radioaktivity ke kontrole tenkých vrstev. Záření alfa nebo beta ze zářiče prochází papírem. Množství prošlého záření se kontroluje detektorem. Je-li prošlé záření silnější, je papír příliš tenký a přítlačné válce 77 K určování stáří hornin lze použít i další metody založené na radioaktivních přeměnách. Velmi přesné datování poskytuje dendrochronologie. Metoda vychází z toho, že letorosty v dřevu jsou různě široké a různě tmavé podle počasí v příslušném roce. ATOMY A ZÁŘENÍ Toho, že záření gama a proud neutronů mohou procházet i velmi tlustými vrstvami, se využilo i při zkoumání vnitřní struktury pyramid. Velmi účinnou metodou zkoumání vzorků bez jejich narušení je neutronová aktivační analýza. Vzorek, kterým může být třeba kámen z Měsíce, je ozářen neutrony, například v jaderném reaktoru. Neutrony snadno vnikají do jader nuklidů ve vzorku. Atomová jádra mají pak přebytek neutronů a jsou radioaktivní. Zkoumáním záření, které vychází z neutrony aktivovaného vzorku, je možné zjistit obsah jednotlivých nuklidů ve vzorku. Příklad počítačem zpracované analýzy je na následujícím obrázku. přítlačné válce se musí trochu oddálit. Je-li detektorů více, mohou nalézt detektor i kaz v papíru. K defektoskopii – zjišťování vad v odlitcích i v jiných zářič předmětech větší tloušťky – se používá záření gama. Mezi zdroj záření a fotografický film se vloží výrobek. Po vyvolání filmu se vyhodnotí odchylky v množství prošlého záření a odhalí se tak skryté vady. zdroj záření papír zkoušený odlitek záření fotografický film Nejznámější využití radioaktivity je v lékařství. Slabé roztoky radioaktivních látek s krátkým poločasem přeměny se používají při zjišťování chorob. Roztok nebo aerosol se vpraví do těla a detektory se sleduje jeho cesta organismem. Využívá se toho, že chemické reakce probíhají nezávisle na izotopech prvků. Stejná metoda se používá i v biologii při zkoumání metabolismu rostlin a v chemii při zkoumání reakcí. Metodě se také říká metoda značených izotopů. diagramy plic po vdechnutí radioaktivního aerosolu s techneciem 99 43 Tc . Ještě větší význam má využití radioaktivity v léčení. Nejvíce se uplatňuje v onkologii při odstraňování zhoubných nádorů. Důležité při tomto způsobu léčení je to, aby zdravé buňky byly zasaženy co nejméně. Jednou možností nádor je použití velkého množství úzkých paprsků radioaktivního záření gama. Paprsky se protínají v jediném místě – helma s otvory v místě nádoru. Příkladem je známý Lekselův gama nůž: na levém obrázku zatím není umístěn zářič Lekselův gama nůž. Druhou možností je gama; pravý obrázek ukazuje chod paprsků záření gama nasměrovaných otvory v helmě. ozařování pacienta postupně z různých směrů. Trajektorie paprsků vyslaných z různých směrů mají společný bod – nemocnou tkáň. gama záření V některých případech se vpravuje radioaktivní zářič přímo do zasažené tkáně. Pak se používají hlavně zářiče alfa, které ničí tkáň vždy pouze v okolí desetin milimetru od zářiče. Zničená tkáň se odplavuje metabolismem. Důležité je, aby se zářič, který má nejčastěji podobu jehly, správně posouval pouze v nemocné tkáni. Často se využívá účinků radioaktivního záření i v zemědělství a potravinářství. Záření gama ničí škůdce, kvasinky, plísně, mikroby a viry. Proto se používá ke sterilizaci a konzervaci potravin. Výhodou přitom je, že se mohou upravovat potraviny uzavřené v prodejních obalech. Další výhodou proti konzervaci zahříváním je to, že 78 Rameno (označeno šipkou), ve kterém je umístěn radioaktivní zářič, se otáčí. ATOMY A ZÁŘENÍ potraviny neztrácejí chuť a vitamíny. Radioaktivní záření, především záření alfa, silně ionizuje vzduch. Vzduch se stává vodivým pro elektrický proud. To se využívá v detektorech kouře, které pracují jako požární jablka připravená ke konzervaci hlásiče. Můžete je vidět na lékařské nástroje po sterilizaci ozářením ozářením stropech mnoha místností. Na obrázku dole je schematický nákres vnitřního uspořádání požárního hlásiče. Radioaktivní zářič vyzařuje paprsky alfa. Alfa částice se ve vzduchu dostanou nejvýše 5 cm daleko. Podél své trajektorie (na obrázku tečkované čáry) vytvoří stovky tisíc iontů. Ionty jsou velmi lehké a dostávají se brzo na elektrody (červená – anoda, modrá – katoda). Vyhodnocovacím zařízením protéká proud. Jestliže se do prostoru mezi elektrody vyhodnocovací zařízení dostane kouř, vytvořené ionty se přichytí na čászdroj tečky kouře, které mají + mnohem větší hmotnost reproduktor než ionty. Pohyb nabitých požární hlásič částic se proto výrazně zpomalí. Kladně a záporně nabité částice kouře se stačí zářič spojit, nositelé elektrického proudu zanikají. Proud alfa + vyhodnocovacím zařízením klesne. To je vyhodnoceno jako nebezpečí a reproduktor začne pískat. Místo reprovytvořené duktoru může být přímo spouštěno hasicí zařízení. Na schopnosti ionizovat plyn jsou založeny i přístroje, které se používají k měření radioaktivního záření – detektory. Nejznámější je GeigerůvMüllerův detektor. Je to trubice se zředěným plynem. Na elektrody, kterými jsou plášť válce a drát v ose válce, je přivedeno napětí. Vlétne-li do trubice ionizující částice, vytvoří se ionty a mezi elektrodami vznikne jiskrový výboj. Ten je zaregistrován. částice ionizujícího záření válcová katoda vytvořené ionty drátová anoda R Shrnutí + čítač impulsů V lékařství, v biologii a v chemii se používá metoda značených izotopů. Stabilní izotop prvku se nahradí radioaktivním. To umožňuje sledovat cestu prvku či sloučeniny organizmem a při různých reakcích. Při léčení se pacient ozařuje, nejčastěji zářením gama. V archeologii se používá radiouhlíková metoda k zjišťování stáří organických nálezů. V potravinářství se radioaktivitou konzervují potraviny. V průmyslu se využívá radioaktivní záření ke kontrole tenkých vrstev a ke zjišťování vad ve výrobcích. Ionizační schopnost záření alfa se využívá v požárních hlásičích. Otázky a úkoly 1 Proč se nedá použít radiouhlíková metoda k určení stáří organických nálezů starých více než 100 000 let? 2 Najdi v literatuře nebo na internetu, které radioaktivní nuklidy se používají při léčení ozařováním. obrázek mozku při Alzheimerově chorobě 79 - zdroj napětí ionty ATOMY A ZÁŘENÍ Ochrana před zářením 26. dubna 1986 došlo v bývalém Sovětském svazu k největší nehodě jaderné elektrárny. Několika hrubými chybami obsluhy jaderného reaktoru v Černobylu došlo k velkému zvýšení teploty. Voda v reaktoru se začala rozkládat na vodík a kyslík. Když došlo k výbuchu této směsi, bylo odhozeno těžké víko reaktoru a radioaktivní nuklidy vznikající štěpením začaly unikat do atmosféry. Vznikl radioaktivní mrak, který putoval téměř nad celou Evropou. Radioaktivní částečky z něj vypadávaly a zamořily rozsáhlá území. Vláda tehdejšího Sovětského svazu neinformovala obyvatele včas, aby se mohli proti radioaktivnímu záření chránit. Naštěstí nebylo záření tak silné, aby ve městech a vesnicích mohlo docházet k nemoci z ozáření. V místě výbuchu však přišlo o život v důsledku ozáření asi 50 lidí. V nadmořské výšce 4 000 m je roční dávka z kosmického záření šestkrát vyšší než u hladiny moře. Při letu dopravním letadlem ve výšce kolem 10 km dostaneme dávku 0,004 mSv za každou hodinu letu. Ionizující záření je záření, které ionizuje atomy. Kromě tří složek radioaktivního záření zahrnuje i ultrafialové a rentgenové záření a proud protonů a neutronů. Ionizující záření škodí všem živým buňkám. Narušuje jejich strukturu a poškozuje chromozomy. Při silnějším záření buňka odumírá. Organizmus postihuje nemoc z ozáření. Při velmi silném ozáření dochází ke smrti člověka. Šipky označují místa, na kterých jsou jaderným zářením poškozeny chromozomy. Kdy zahynulo na ozáření nejvíce lidí? Kde to bylo? Záření alfa sice nedoletí ve vzduchu dále než 5 cm a zdálo by se, že se proti němu nemusíme chránit. Nebezpečné je ale u radioaktivních plynů, které mohou být vdechnuty. Jedním z radioaktivních plynů je radon, který se může vyskytovat v nebezpečných koncentracích nad ložisky uranu. Nejnebezpečnějšími druhy ionizujícího záření jsou záření gama a proud neutronů. Mohou totiž pronikat hluboko do těla a ničit všechny tkáně. Jednorázovou dávku několika milisievertů, která je srovnatelná s roční dávkou z okolí, dostáváme při rentgenovém vyšetření. K vyhodnocení účinků záření se užívá zvláštní veličina: dávka ionizujícího záření. Její jednotkou je sievert (Sv). Za smrtelnou se považuje jednorázová dávka několika sievertů. Mírnější nemoc z ozáření vzniká při jednorázové dávce 500 mSv. Každý z nás je celý život vystaven ionizujícímu záření. V malém množství jsou radioaktivní nuklidy obsaženy ve všech látkách, které nás obklopují, jsou i ve vzduchu a potravinách. Ročně je tak každý z nás ozářen dávkou 0,4 mSv až 4 mSv. Záleží to především na místě, na kterém žijeme. Vyšší dávkou jsou ozářeni lidé ve větších nadmořských výškách, kde je silnější záření přicházející z kosmu. Ke zvýšení dávky může přispět i radon, který vzniká z uranových rud. Mnoho lidí se bojí žít v blízkosti jaderné elektrárny. Roční dávka od jaderné elektrárny je však menší než 0,02 mSv. Až třikrát větší dávku dostanou lidé v blízkosti uhelných elektráren. Při spalování se totiž do ovzduší dostávají radioaktivní nuklidy obsažené v uhlí. 80 ATOMY A ZÁŘENÍ Nejúčinnější ochranou proti ionizujícímu záření je odstranění všech významných nepřirozených zdrojů. Proto dnes po celém světě platí zákaz zkoušek jaderných zbraní. Nejvíce takových zkoušek se konalo koncem padesátých let minulého století. Největší radioaktivní zamoření představovaly pozemní zkoušky jaderných zbraní. Nejmenším nebezpečím byly podzemní zkoušky, které se uskutečňovaly ve velkých hloubkách. Tam, kde není možné zdroj odstranit (například reaktor v jaderných elektrárnách), se chráníme stíněním. Nabité částice a záření gama se nejvíce zeslabí silnou vrstvou kovu nebo betonu. Nejlepším stíněním neutronů je voda. Nabité částice lze zcela odstínit, pro záření gama má každý materiál určitou tloušťku, která jej zeslabí na polovinu. Tomuto údaji se říká polotloušťka. Je-li například pro určitou energii gama záření polotloušťka olova 1 cm, zeslabí vrstva olova 10 cm záření více než tisíckrát. Pracovníci s ionizujícím zářením (lékaři, vědci, zaměstnanci jaderné elektrárny) nosí dozimetry. Jsou to zařízení, která se pravidelně vyhodnocují, a tak se určují dávky ionizujícího záření a jeho druhy. Pro tyto pracovníky je povolena roční dávka 50 mSv. 10 cm olova je 10 polotlouštěk. Zeslabení je proto 1 , 2⋅2⋅2⋅2⋅2⋅2⋅2⋅2⋅2⋅2 to je filmové dozimetry 1 . 1024 Shrnutí Živým organizmům škodí ionizující záření. Kromě radioaktivního záření alfa, beta a gama je to také ultrafialové a rentgenové záření a proud protonů a neutronů. K vyhodnocení účinků záření se užívá veličina dávka ionizujícího záření. Její jednotkou je sievert (Sv). Z přirozených zdrojů ionizujícího záření dostává člověk ročně dávku asi 1 mSv. Jednorázová dávka několika Sv je smrtelná. Ochranou proti záření je stínění vrstvou vhodné látky (beton, olovo, …). Otázky a úkoly 1 Co je stíněním pro lidi na Zemi proti ionizujícímu záření přicházejícímu z kosmického prostoru? Má nějaký vliv i magnetické pole Země? 2 Na atolech Bikini, kde se před padesáti lety konalo velké množství zkoušek jaderných zbraní, dnes již opět rostou rostliny a žijí živočichové. Jak je to možné? Některé dozimetry se podobají miniaturnímu nabitému elektroskopu. Ionizující záření způsobí vodivost vzduchu a „elektroskop“ se vybíjí. Podle stupně vybití se určuje dávka. Tyto dozimetry mohou mít i displej. zkouška jaderné bomby na atolu Bikini 81 ATOMY A ZÁŘENÍ Jaderné reakce Zlato. Touha po drahém kovu hnala tisíce lidí do nehostinné Aljašky, do Austrálie i do jiných částí světa – všude tam, kde bylo zlato objeveno. Odedávna se také lidé snažili zlato vyrobit. Nejvíce na tom pracovali alchymisté. Využívali nejrůznějších chemických procesů, úspěšní však být nemohli. Chemických reakcí se zúčastňuje jen elektronový obal, zatímco zlato zlatem dělá složení jádra atomu. Proto byl nejblíže úspěchu alchymista z filmů Císařův pekař – Pekařův císař, který bouchal palicí do olova s tím, že rozbíjí atom. Jak ale sám říkal, „záleží na tom, jak se do toho třískne“. Dnes by nebyl problém vyrobit zlato z olova několika jadernými reakcemi. Takto vyrobené zlato by ale bylo mnohonásobně dražší než zlato těžené. První vědomou změnu složení atomového jádra uskutečnil v roce 1919 Ernest Rutherford. Když ozařoval dusík částicemi alfa, zjistil po určité době přítomnost kyslíku. Byl to důsledek jaderné reakce. Na rozdíl od radioaktivity nešlo o samovolný proces. Byl to proces vyvolaný, při kterém se mění jádro atomu. Jaderné reakce se zapisují podobným způsobem jako chemické reakce. Zápis jaderné reakce vyvolané Rutherfordem pak 4 14 17 1 vypadá takto: 2 α + 7 N → 8 O + 1 p . Na levé straně je částice, která reakci vyvolá, a původní atomové jádro. Na pravé straně zápisu je nové jádro a jedna nebo více nových částic. Průběh reakce je na obrázku. Všimni si, že součet dolních indexů na levé i na pravé straně zápisu reakce je stejný. Souvisí to s nějakým zákonem zachování? Proč platí totéž i pro horní indexy? Jaderná reakce, při které je v periodické tabulce nové jádro blízko původnímu jádru, se nazývá transmutace. Transmutaci mohou vyvolat všechny známé částice: alfa, beta, gama, protony, neutrony. Jedna z transmutací probíhá i v atmosféře a je základem radiouhlíkové metody určování stáří organických zbytků: n + 147 N → 146 C + 11p . 1 0 V roce 1939 byl objeven zcela odlišný typ jaderné reakce: štěpení jader. Původní jádro se vlivem dopadající částice rozdělí na dvě nová jádra, která jsou od původního jádra v periodické tabulce značně vzdálena. Nejsnáze se štěpení vyvolá neu- neutron tronem. Příkladem je reakce: 235 1 0 n+ 235 92 90 1 . U → 143 54 Xe + 38 Sr + 3 0 n 92 90 38 Sr štěpící se jádro uvolněné neutrony U 143 Xe 54 Jádro uranu se při této reakci rozštěpí na dvě jádra – xenonu a stroncia – a tři neutrony. Velmi vzácně probíhá i samovolné štěpení některých nuklidů. Nejdramatičtější jadernou reakcí je tříštění. Při ní se výrazně sníží protonové i nukleonové číslo, protože se z původního jádra vyrazí velké množství protonů a neutronů. Příkladem tříštění je: 4 2 zviditelněné stopy nabitých částic při tříštění 82 α+ 238 92 1 1 U → 187 74 W + 20 1 p + 35 0 n . Aby mohla částice alfa tuto reakci vyvolat, musí mít velmi vysokou energii (alespoň dvacetkrát větší, než mají částice alfa z radioaktivních přeměn). ATOMY A ZÁŘENÍ Protony a částice alfa musí mít k vyvolání jaderné reakce vždy určitou, poměrně velkou energii. Neutrony však mohou vyvolat jaderné reakce, i když mají velmi malou energii. Jak je to možné? Podobně jako při chemických reakcích se při jaderných reakcích může energie uvolňovat nebo vázat. V prvním případě mluvíme o exoenergetické reakci. Dochází-li k vázání energie (někdy se to nevhodně označuje spotřeba energie), označujeme reakci jako endoenergetickou. O tom, jakého typu je jaderná reakce, lze rozhodnout přímo z jejího symbolického zápisu, známe-li hmotnosti všech částic. Je-li součet hmotností před reakcí větší než součet hmotností po reakci, jde o exoenergetickou reakci. V opačném případě je reakce endoenergetická. Označíme-li kladný rozdíl hmotností m, uvolní se v případě exoeneregetické reakce energie m · c2. Má-li vůbec dojít k endoenergetické reakci, musí mít částice, která dopadá na jádro, pohybovou energii nejméně m · c2. I v chemii se dělí chemické reakce podle energie. Názvy reakcí jsou obdobné. K jaké přeměně energie dochází při jaderných reakcích? Rozhodující je energie, kterou jsou k sobě vázány nukleony v jádře. Protože jaderné síly jsou obrovské, jsou obrovské i energie vazby nukleonů v jádře. Tuto energii jsme již počítali v kapitole o jaderných silách. Při exoenergetické jaderné reakci se část potenciální energie vazby nukleonů přeměňuje v pohybovou energii částic po reakci. K opačné přeměně dochází při endoenergetické reakci: pohybová energie dopadající + částice se přemění na zvýšení potenciální energie vazby. 1V +e Při jaderných reakcích může být uvolněna obrovská energie. V jaderné fyzice (i v jiných oborech) se používá zvláštní jednotka energie: elektronvolt (eV). Je to pohybová energie, kterou získá částice s elementárním nábojem (například proton) po průletu mezi dvěma elektrodami s napětím 1 volt. Platí: 1 eV = 0,000 000 000 000 000 000 16 J = 1,6 · 10–19 J. Zatímco energie vazby elektronů v obalu dosahují několika elektronvoltů až několika kiloelektronvoltů, vazebné energie nukleonů v jádře se počítají v megaelektronvoltech. Energie částice s nábojem Q, která projde mezi elektrodami s napětím U, je Q · U. Mezi elektrodami musí být vakuum, jinak by částice předávala část energie atomům při srážkách. Shrnutí Jaderná reakce je vyvolaný proces, při kterém se mění jádro atomu. Jadernou reakci mohou vyvolat částice alfa, beta, gama, protony i neutrony. Při transmutaci se nukleonové i protonové číslo změní jen málo. Při štěpení se jádro rozdělí na dvě nová jádra, která jsou od původního jádra v periodické tabulce značně vzdálena. Výsledkem tříštění je jádro s podstatně zmenšeným protonovým i nukleonovým číslem a velký počet protonů a neutronů. Při jaderné reakci se může uvolnit velká energie. Otázky a úkoly 1 Zjisti, zda jaderná reakce uskutečněná Rutherfordem je exoenergetická nebo endoenergetická. Vypočítej velikost přeměněné energie. Potřebné hmotnosti v atomových hmotnostních jednotkách jsou: hmotnost neutrálního atomu vodíku je 1,007 8 · u, hmotnost atomu helia je 4,002 6 · u, hmotnost atomu dusíku 147 N je 14,003 1 · u a hmotnost atomu kyslíku 178 O je 16,999 1 · u. 2 Které jádro vzniká transmutací 01 n + 3063 Zn → + 11 p ? 83 Částice alfa z radionuklidů v přírodě mají energii zpravidla kolem 5 MeV. ATOMY A ZÁŘENÍ Řetězová reakce Slovo řetěz vyvolává představu něčeho navazujícího. Ve skutečném řetězu na sebe navazují jednotlivé články. Každý článek vychází z článku předchozího a navazuje na něj článek další. Slyšíme-li o řetězení nešťastných událostí, víme, že jde o řadu navazujících událostí, z nichž každá je důsledkem předchozí a příčinou budoucí události. Podobný charakter má i řetězová reakce. Kromě 235 92 U lze pomalým neutronem štěpit i čtyři další, uměle vyráběné nuklidy uranu, plutonia a kalifor239 nia: 233 92 U, 94 Pu , 241 251 94 Pu a 98 Cf . Žádnou kombinací přírodního uranu a obyčejné vody nelze dosáhnout kritické velikosti. Proto se v jaderných reaktorech, ve kterých je moderátorem voda, musí používat uran, ve kterém je obsah 235 92 U zvýšen. Mluvíme o obohaceném uranu. Při značném překročení kritické velikosti se řetězová reakce rozvíjí lavinovitě. Tak pracují i štěpné jaderné bomby. Spojením několika podkritických množství uranu nebo plutonia se dosáhne množství nadkritického. Štěpení těžkých jader se nejsnáze vyvolá neutronem. Přestože je štěpení těžkých jader vždy exoenergetická reakce, musí mít dopadající neutron určitou energii. Jádro se totiž před štěpením musí dostat do zvláštního tvaru připomínajícího cukrářský piškot. Jen jeden nuklid vyskytující se v přírodě lze rozštěpit jádro před rozštěpením libovolně pomalým neutronem. Je to izotop uranu 235 92 U . V přírodním uranu je ho jen 0,7 %. Zbylých 99,3 % tvoří nesnadno štěpitelný izotop 238 235 92 U. Je zajímavé, že 92 U se štěpí tím snáze, čím má neutron menší energii. cukrářský piškot Při každém štěpení se uvolňuje několik nových neutronů. Štěpení konkrétního nuklidu může probíhat několika desítkami různých způsobů. Počet uvolněných neutronů se přitom mění. Mohou se uvolnit dva, tři, nebo dokonce čtyři neutrony. Hned po objevu štěpení bylo jasné, že kdyby tyto nové neutrony vyvolaly další štěpení, reakce by 141 se dále rozvíjela samovolně. Pravděpodobnost toho, 56 Ba 235 n U že nové neutrony vyvolají opět štěpení, je však 92 malá. Neutrony mohou být pohlceny n jinými látkami, mohou být pohl141 56 Ba ceny uranem, aniž by n n 235 vyvolaly štěpení, 92 U 92 mohou také ze sou38 Kr stavy uniknout. Řetězové reakce – samovolně se udržující štěpné reakce – lze dosáhnout dvěma způsoby: n 92 38 Kr 235 92 U 141 56 Ba n n • v soustavě, ve které je obsah 235 92 U uměle zvýšen nad 80 %, n n • v soustavě, kde se neutrony zpomalují, aby se zvýšila pravděpodobnost nového štěpení. 92 38 Kr První způsob se uplatňuje u jaderných bomb. Počet štěpení tam nesmírně rychle narůstá, řetězová reakce má charakter laviny. Uvolňuje se přitom naráz obrovská energie. řez jadernou bombou, která byla svržena na Hirošimu 84 ATOMY A ZÁŘENÍ Při druhém způsobu se kromě uranu používá i látka, která dobře zpomaluje neutrony. Této látce se říká moderátor. Obvykle je to voda nebo grafit. Obsah 235 92 U může být potom menší, některé soustavy dokonce pracují i s přírodním uranem. Snížení pravděpodobnosti toho, že neutron unikne ze soustavy, se dá dosáhnout velikostí soustavy a jejím tvarem. Při zvoleném uspořádání se velikosti, při které lze dosáhnout řetězové reakce, říká kritická velikost. Poprvé se podařilo uměle dosáhnout kritické velikosti a řízené řetězové reakce v roce 1942 na stadionu v Chicagu. Protože probíhala druhá světová válka, byl pokus tak utajen, že se nesmělo ani fotografovat. Na obrázku je kresba pamětníků. Soustava se postupně skládala z grafitových a uranových kostek. Přitom se kontroloval tok neutronů. Když se začal samovolně zvyšovat, zasunuly se do soustavy tyče, které neutrony pohlcují, a reakce se zastavila. Který tvar je pro dosažení kritické velikosti vhodnější: deska nebo koule? Poločas přeměny 238 92 U je 4,5 miliardy let. Poločas 235 je přibližně třikrát menší. Proto bylo U 92 před dvěma miliardami let snadno štěpitelného izotopu 235 92 U v přírodním uranu více: asi 2 %. V té době pracovaly v Africe tisíce let přírodní jaderné reaktory. Do ložisek uranu natekla voda, která se stala potřebným moderátorem. To umožnilo řetězovou reakci. Shrnutí Oklo v Gabunu – jedno z míst, na kterém před dvěma miliardami let pracoval přírodní jaderný reaktor Při štěpení atomového jádra se uvolňuje několik neutronů. Za určitých podmínek mohou tyto neutrony vyvolat další štěpení. Dochází pak k řetězové reakci, která může probíhat samovolně. Při zvoleném uspořádání se velikosti, při které lze dosáhnout řetězové reakce, říká kritická velikost. V přírodě se vyskytuje jediný nuklid, který umožní ve vhodném uspořádání dosáhnout kritické velikosti: 235 92 U. Nejsnáze se štěpí zpomalenými neutrony. Proto bývá v soustavě, ve které probíhá řetězová reakce, zpomalovač neutronů: moderátor. Otázky a úkoly 1 Kdyby při každém štepení dva vzniklé neutrony vyvolaly nová štěpení, rozvíjela by se řetězová reakce nesmírně rychle. Vypočítej pomocí kalkulačky, ke kolika štěpením by došlo v čase 0,1 ms, když v čase t = 0 s došlo k jedinému štěpení. Doba, za kterou dojde k dalšímu štěpení, je 10 µs. 235 2 V kusu rudy je dnes 1 kg 238 92 U a 7 g 92 U . Kolik bylo v tomto kusu rudy obou izotopů uranu před 4,5 miliardami let? 85 Moderátor zpomaluje neutrony pružnými srážkami s atomovými jádry. Nejúčinnější zpomalení nastane, když se srazí tělesa se stejnou hmotností. Koule, která se čelně srazí s jinou koulí, se naráz zastaví. Proto se jako moderátor používají látky obsahující vodík. V jeho jádře je proton, který má hmotnost téměř stejnou jako neutron. Pokus v Chicagu odstartoval vývoj jaderné bomby. V přírodních jaderných reaktorech se rozštěpilo značné množství 235 92 U . Proto má uranová ruda z těchto míst nižší obsah 235 92 U . ATOMY A ZÁŘENÍ Jaderný reaktor Před půlstoletím se lidé domnívali, že se jaderné reaktory zmenší natolik, že budou pohánět i letadla, vlaky a automobily. Mobilní reaktory jsou však jen na ponorkách a lodích. Pro ponorky byl vždy problémem zdroj energie, který by mohl pohánět motory pro dlouhé plavby pod hladinou. Spalovací motory potřebují ke své činnosti kyslík, navíc produkují výfukové plyny. Akumulátory nemohou pohánět elektromotory dlouho. Za několik hodin se vybijí, ponorka se musí vynořit a elektrocentrálami poháněnými spalovacími motory opět akumulátory dobít. Jaderná energie nepotřebuje vzduch, neprodukuje výfukové plyny. Umožňuje proto dnešním atomovým ponorkám podplout pod ledem severní pól, a dokonce bez vynoření obeplout celou Zemi. Jaderný reaktor je soustava, ve které může probíhat řízená řetězová reakce. Podmínkou pro to je, aby kombinace jaderného paliva a ostatních látek dosáhla kritické velikosti. Z předchozích kapitol je jasné, že každý reaktor musí mít několik základních částí. Vyjmenuj alespoň tři. Nejdůležitější součástí reaktoru je aktivní zóna. Nejčastěji má tvar válce. Dochází v ní k uvolňování energie řetězovou reakcí. Na obrázku je schéma okraje aktivní zóny typického jaderného reaktoru. Základem jsou palivové články. V aktivní zóně jich bývá i několik set. Každý regulační tyče tlaková nádoba ruský ledoborec Sibiř, který je poháněn jaderným reaktorem havarijní tyče palivové články (skládají se z proutků) – obohacený uran stínění (beton) technologický kanál reflektor chladivo + moderátor (proudící voda) palivový článek obsahuje velké množství tenkých proutků, ve kterých je vlastní palivo: uran obohacený na několik procent 235 92 U . Neutrony vzniklé štěpením se musí co nejdříve zpomalit. Palivo je v tenkých proutcích proto, aby se neutrony dostaly co nejdříve do moderátoru. Energie z jednoho štěpení je asi 200 MeV. Nejvíce je této energie předáno nově vzniklým jádrům – fragmentům – v podobě pohybové energie. Fragmenty se zastaví již v palivu. Jejich energie se přemění v teplo. Palivový článek se zahřívá. Uvolněné teplo se odvádí chladivem. Funkci moderátoru a chladiva s výhodou zastává jediná látka – obyčejná voda. Voda má velký přetlak, přes 10 MPa. Proto může být v kapalném stavu i při teplotách dosahujících na výstupu z reaktoru přes 300 °C. 86 ATOMY A ZÁŘENÍ V celé aktivní zóně jsou rozmístěny válcové technologické kanály. Mohou se využívat k různým experimentům a výrobě radionuklidů, nejdůležitější jsou však ty kanály, ve kterých se pohybují regulační tyče. Ty jsou z látky značně pohlcující neutrony. Při provozu reaktoru se udržují v takové výši, aby byla řetězová reakce stálá. Při zvyšování výkonu se povytahují, při snižování výkonu se více zasunují. Pro zvýšení bezpečnosti jsou v některých kanálech havarijní tyče. Ty jsou při provozu reaktoru mimo aktivní zónu. V případě havárie, kdy je nutné řetězovou reakci co nejrychleji zastavit, padají havarijní tyče do aktivní zóny. Pohltí značné množství neutronů a řetězová reakce se zastaví. Co by se stalo s řetězovou reakcí, kdyby se voda vypustila nebo vyvařila? S neutrony se musí v aktivní zóně šetřit. Proto je aktivní zóna obklopena reflektorem. Ten obsahuje prvky s lehkými jádry (například uhlík ve formě grafitu). Neutron se po několika srážkách s těmito jádry může obrátit a vrátit se zpět do aktivní zóny. Tlaková nádoba musí vydržet přetlak vody. Bývá ocelová. Tlaková nádoba zároveň chrání proti záření. Ke zvýšení ochrany se používají i další vrstvy. Na obrázku je jaderný reaktor, který pracuje v jaderné elektrárně Temelín. Jsou dobře vidět otvory, kterými vchází do reaktoru studená voda, i otvory, kterými vychází voda horká. Popsali jsme si jen jeden typ jaderného reaktoru. Má označení PWR (Press Water Reactor – tlakovodní reaktor) a je nejčastěji užíván. Na světě pracují stovky jaderných reaktorů různých typů. V některých se voda přímo mění v páru, v jiných se používá chladivo plynné (s oxidem uhličitým pracovala první československá jaderná elektrárna A1 v Jaslovských Bohunicích). V některých reaktorech se jako chladivo používají roztavené alkalické kovy. Shrnutí Jaderný reaktor je soustava, ve které může probíhat řízená řetězová reakce. Palivem je nejčastěji obohacený uran ve tvaru palivových proutků. Funkci moderátoru i chladiva plní voda. Voda má velký tlak, aby mohla na výstupu dosahovat teplot přes 300 °C. Výkon reaktoru se řídí regulačními tyčemi. V případě havárie se řetězová reakce zastaví havarijními tyčemi. Otázky a úkoly 1 Jaké výhody a jaké nevýhody mají jaderné reaktory proti jiným způsobům, kterými se uvolňuje teplo (spalování fosilních paliv, spalování biomasy, geotermální zdroje, sluneční záření)? 2 Proč nemohl pracovat jaderný reaktor, který se zkoušel během druhé světové války v Německu? Tvořily jej kostky přirozeného uranu ponořené do vody jako moderátoru. Model tohoto reaktoru můžeš vidět v muzeu v Mnichově. 87 Reaktory jaderné elektrárny Temelín mají aktivní zónu s výškou 3,5 m a průměrem 3,2 m. Je v ní 163 palivových článků. V každém článku je 312 proutků. Uran je obohacen na 2 až 5 procent. Každé 4 roky se mění jedna čtvrtina palivových článků. Celková hmotnost paliva je 92 t. Výkon tohoto reaktoru je 3 000 MW. Vzhledem k účinnosti turbín a generátoru je elektrický výkon jen 1000 MW. V reaktoru jaderné elektrárny Temelín se jako moderátor i chladivo používá voda s přetlakem 15,7 MPa, teplota vody dosahuje 320 °C. K regulaci se používá ještě dalšího způsobu: do chladící vody se přidává kyselina boritá. Bór pohlcuje neutrony. Jak postupně palivo vyhořívá, koncentrace kyseliny borité se snižuje. ATOMY A ZÁŘENÍ Jaderná elektrárna Jaderná elektrárna A1 v Jaslovských Bohunicích (Slovenská republika) již ukončila svou činnost. Někdy se můžeme setkat i s označením „atomový reaktor“, „atomová elektrárna“. Je to nepřesné, protože i v tepelných elektrárnách dochází k přeměnám atomů. Tyto přeměny se ale týkají jen atomového obalu, jsou to chemické reakce. Jaderný reaktor je velmi složité zařízení. Kromě popsaných částí je reaktor doplněn obrovským množstvím měřicích přístrojů a nesmírně složitou elektronikou, která umožňuje reaktor řídit a chránit. Přesto není ničím jiným než místem, kde se uvolňuje teplo. Zastupuje tedy jen topeniště v tepelné elektrárně. Víme už, že teplo se mění na elektrickou energii obtížně a s malou účinností. Zatím však neumíme měnit energii uvolňovanou z atomových jader přímo na energii elektrickou. Některé jaderné reaktory jsou pokusné. Zkoumají se na nich možnosti dalšího vývoje, chování materiálů v mohutném toku neutronů, vyrábějí se v nich radionuklidy, slouží i k lékařským účelům. Existují také malé reaktory, které pomáhají při výuce dalších odborníků. Jaderné reaktory jsou i na ponorkách a lodích. Hlavní využití jaderných reaktorů je však v jaderných elektrárnách. Jaderným reaktorem protéká voda s vysokým přetlakem. Její teplota na výstupu je daleko vyšší než teplota varu vody při atmosférickém tlaku. V parogenerátoru předává voda z reaktoru teplo vodě v okruhu, který je na obrázku vyznačen modře. Voda v této části parogenerátoru začne vřít a přemění se v horkou vodní páru s velkým tlakem. Uzavřený okruh oběhu vody mezi reaktorem a parogenerátorem se označuje jako primární okruh. Proudění vody mezi reaktorem a parogenerátorem umožňují čerpadla primárního okruhu. parogenerátor turbína generátor chladicí věž reaktor V Temelíně je kontejnment vysoký 38 m a má tloušťku stěn 1 m. Vydrží přetlak 0,5 MPa. transformátor kondenzátor čerpadlo Proč se asi příliš neužívají reaktory, ve kterých voda vaří a vzniklá pára se přivádí rovnou na turbínu? Celý primární okruh včetně parogenerátoru bývá uzavřen v obrovské budově s mohutnými stěnami – kontejnmentu. Ten jednak chrání reaktor proti nehodám zvenčí (pád letadla), jednak chrání okolí při případných nehodách spojených s únikem radioaktivních látek. Chladicí věže bývají symbolem jaderných elektráren, i když jsou jimi vybaveny i některé tepelné elektrárny. Další části jaderné elektrárny se už příliš neliší od elektrárny tepelné. Sekundární okruh tvoří část parogenerátoru, turbína, kondenzátor, případně chladicí věže a čerpadlo sekundárního okruhu. Kondenzátor slouží ke zkapalnění par z turbíny. Ochlazuje se vodou, která vede do chladicích věží. Zde se rozstřikuje a předává tak teplo vzduchu. Studená voda se vede zpět do kondenzátoru. Zvyšuje se tak účinnost elektrárny. 88 ATOMY A ZÁŘENÍ První elektrická energie ze štěpné reakce byla získána v roce 1951 v USA. První jaderná elektrárna byla uvedena do provozu v roce 1954 v Sovětském svazu (dnes Rusko). 20. 12. 1951 stačila získaná elektrická energie rozsvítit 4 žárovky. Kondenzátor získal název od kondenzace páry. Se součástkou, která uchovává elektrický náboj, má společné jen jméno. První jaderná elektrárna v Obninsku měla výkon 5 MW. V elektrárně Fukushima jsou používány varné reaktory. V nich se voda mění přímo v páru. Součástí primárního okruhu je proto i turbína. Největší jadernou elektrárnou byla v roce 2006 elektrárna Fukushima v Japonsku. V České republice pracují dvě jaderné elektrárny. Elektrárna v Dukovanech má 4 reaktory a dodává do elektrické sítě výkon 1 760 MW. Jaderná elektrárna Temelín má zatím 2 reaktory a dodává elektrický výkon 2 000 MW. Výkony nejsou příliš velké, ale vzhledem k tomu, že elektrárny pracují téměř nepřetržitě, podílejí se na celkové výrobě elektřiny v České republice 33 % (údaj z roku 2005). Největší jaderná elektrárna Fukushima má 10 reaktorů a výkon téměř 9 000 MW. Kromě šesti reaktorů určených pro výrobu elektrické energie pracují v České republice ještě dva výzkumné reaktory v Ústavu jaderného výzkumu Řež a jeden školní reaktor na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské v Praze. TEMELÍN DUKOVANY Podíl jaderné energetiky je v různých státech velmi rozdílný. Některé státy (Rakousko, Polsko, Norsko, Itálie) od jaderné energetiky zcela upustily. V jiných státech je podíl jaderné energie velký (Francie 78 %). Jaderné elektrárny představují jeden problém: vyhořelé palivo. Obsahuje fragmenty štěpení, které jsou značně radioaktivní. Poločas přeměny většiny fragmentů je krátký, některé však mají poločas přeměny dlouhý – až stovky let. Proto je nutné vyhořelé palivo bezpečně skladovat. 89 školní reaktor Vrabec ATOMY A ZÁŘENÍ V současnosti se připravují jaderné reaktory nového typu, které by měly pracovat s vyhořelým palivem a radionuklidy v něm současně měnit na nuklidy stabilní. Zatím se ve světě používají mezisklady, budované při jaderných elektrárnách. V budoucnosti se připravuje výstavba dlouhodobých úložišť, kde by se vyhořelé palivo skladovalo tisíce let. Shrnutí V jaderných elektrárnách se teplo uvolněné v reaktoru využívá na tvorbu páry. Voda v reaktoru má velký přetlak a teplotu. Je přiváděna do parogenerátoru. V něm se vyvíjí pára, která pohání turbínu spojenou s generátorem elektrického proudu. Voda procházející reaktorem a částí parogenerátoru tvoří primární okruh. Sekundární okruh tvoří voda a pára procházející parogenerátorem, turbínou a kondenzátorem. V kondenzátoru pára kondenzuje a vzniklá voda se chladí. Otázky a úkoly 1 Najdi na internetu podíl jaderné energetiky alespoň u pěti států. 2 Jakými dvěma způsoby by mohly i automobily zprostředkovaně využívat jadernou energii? 3 Jaký plyn uniká z chladicích věží jaderné elektrárny? Termonukleární reakce projekt hlubinného úložiště vyhořelého paliva Která z reakcí zapsaných v rámečku by uvolnila nejvíce energie z jednoho gramu látky? Jak velká by to byla energie? Tritium je možné vyrábět jadernou reakcí z lithia v jaderných reaktorech. Proč vlastně svítí Slunce? Tuto otázku si kladli lidé od nepaměti. První myšlenkou bylo, že se ve Slunci spaluje uhlí. Od 19. století však víme, že na Slunci není dostatek kyslíku ke spalování. Také by nebylo možné, aby Slunce vystačilo s energií miliardy let. Objevily se i další myšlenky, například že Slunce i jiné hvězdy přeměňují gravitační energii. Ani tato myšlenka nebyla správná. Od začátku 20. století bylo zřejmé, že ve Slunci se musí nějak uvolňovat jaderná energie. Nemůže to však být radioaktivitou ani štěpením – na Slunci je málo radioaktivních nuklidů, uran chybí úplně. Jadernou energii je možné uvolňovat kromě štěpení těžkých jader také spojováním lehčích jader. V kapitole o jaderných silách jsme vypočítali, že přeměnou protonů (jader vodíku) a neutronů na 1 gram helia by se uvolnila obrovská energie 700 GJ. Reakci, při které se spojením lehkých jader vytvoří jádro těžší a uvolní se přitom energie, se říká jaderná syntéza. Nejvhodnějšími jádry pro tuto reakci jsou jádra izotopů vodíku a lithia. V rámečku je zápis některých jaderných syntéz s uvedením uvolněné energie. Aby se však jádra mohla spojovat, musí se dostat do vzdálenosti, při které začnou působit jaderné síly. neutron deuterium 2 1 H + 21 H → 23 He + 01 n + 3, 25 MeV 2 1 H + 31 H → 24 He + 01 n + 17, 6 MeV 2 1 H + 23 He → 42 He + 11 H + 18,3 MeV 2 1 H + Li → He + He + 22, 4 MeV 1 1 6 3 4 2 4 2 H + Li → He + He + 17,3 MeV 90 7 3 4 2 4 2 n p n syntéza n n p tritium n p p n helium ATOMY A ZÁŘENÍ Jaký je elektrický náboj každého atomového jádra? Jakými elektrickými silami na sebe působí jádra při přiblížení? Aby se překonaly velké odpudivé elektrické síly mezi kladně nabitými jádry, musí se jádra přiblížit velkými rychlostmi. Jak souvisí rychlost, kterou se pohybují atomy i jejich jádra, s teplotou? Při teplotách milionů stupňů je 273,15 °C zcela zanedbatelná hodnota. Proto je jedno, uvádíme-li teplotu v kelvinech nebo Celsiových stupních. Vypočítáme-li teplotu potřebnou k tomu, aby jádra atomů dosáhla rychlosti potřebné k dostatečnému přiblížení, vyjdou nám stovky milionů stupňů. Proto se také často jaderná syntéza označuje jako termonukleární reakce. V rodících se hvězdách se tak vysoké teploty dosáhne přeměnou polohové gravitační energie atomů vodíku v energii pohybovou při smršťování obrovského prachoplynného mračna. Jaderné reakce v proton-protonovém cyklu jsou: Ve hvězdách pak probíhají různé termonukleární reakce. Nejčastější je proton-protonový cyklus. Při něm se 4 protony postupně přemění na jádro helia 42 He. Přitom vzniknou 2 pozitrony (to jsou částice podobné elektronům, mají však kladný náboj) a 2 fotony záření gama. ν e 3 2 γ H H 2 1 H 1 1 H 3 2 He 3 2 He 1 1 H 1 1 H 1 1 H 2 1 1 1 H H 4 2 He 1 1 H 0 + 1 e ν γ Lidé dokázali využít obrovské energie termonukleární reakce nejdříve ve zbraních. K dosažení potřebné teploty použili štěpnou jadernou bombu. Tu obalili směsí izotopů vodíku a lithia. Vznikla tak termonukleární bomba. Je to zbraň, jejíž energie může být tisíckrát větší než energie bomby, která vybuchla v Hirošimě. Vědci se pokoušejí postavit zařízení, které by energii z termonukleárních reakcí uvolňovalo postupně. Nejnadějnější je experimentální zařízení, kterému se říká tokamak. V něm se složitými pochody ohřívá a stla- He + 32He → 42He + 2 11p V průběhu protonprotonového cyklu vstupuje do reakce vlastně 6 protonů. 2 protony však z reakce opět vystupují. 1 1 1 1 (2x) D + 11p → 32He + 00 γ (2x) 2 1 prachoplynné mračno, ze kterého vznikají hvězdy Postup reakcí v cyklu je naznačen na obrázku. 0 + 1 p + 11p → 21D + 01β+ 1 1 výbuch termonukleární bomby 91 ATOMY A ZÁŘENÍ První termonukleární bombu (nepřesně se jí někdy říká vodíková bomba) odpálili v USA v roce 1952. O rok později uskutečnil s podobnou bombou pokus i Sovětský svaz. čuje plazma. Plazma má výhodu v tom, že v něm existují atomová jádra bez elektronových obalů. Elektrony v obalech by totiž způsobily odpuzování atomů při větších vzdálenostech, než při kterých se začínají znatelně odpuzovat atomová jádra. Podívej se na výsledky termonukleárních reakcí v této kapitole. Vznikají při nich radioaktivní nuklidy? Kdyby se podařilo zkonstruovat zařízení, na kterém by se uskutečňovala trvalá řízená termonukleární reakce, byl by vyřešen problém lidstva s rostoucí spotřebou elektřiny. Tokamak ITER, který bude vybudován ve Francii. O jeho velikosti si můžeš udělat představu podle postavy člověka v dolní části obrázku. (označen šipkou) Shrnutí Slučování lehkých jader se říká jaderná syntéza. Při těchto reakcích se uvolňuje ještě větší energie než při štěpení. Jádra atomů se ale musí dostat do malé vzdálenosti, při které začnou působit jaderné síly. Toho se dá dosáhnout velmi vysokou teplotou několika milionů stupňů. Proto se takovým reakcím také říká termonukleární reakce. Zařízení, na kterém se vědci snaží dosáhnout řízené termonukleární reakce, se nazývá tokamak. Otázky a úkoly 1 Kdyby se podařilo uvolňovat jadernou energii řízenými termonukleárními reakcemi, odkud by se bralo potřebné deuterium? mW 2 *Výkon Slunce vztažený na 1 kg jeho hmotnosti je překvapivě malý: asi 0,2 . kg Hmotnost Slunce je ale obrovská: 2 · 1030 kg. Jaký je výkon Slunce? Jaký výkon předává Slunce jednomu metru čtverečnému na povrchu Země? Vzdálenost Země od Slunce je 150 000 000 km. Existují i pokusná zařízení, která se snaží ohřát směs deuteria a tritia soustředěným světlem mohutných laserů. 92 ASTRONOMIE Jak bude z dálky vypadat Slunce za 7 miliard let? Možná jako mlhovina Kočičí oko na obrázku. Ze Slunce zůstane jen malá zářící hvězdička velká asi jako Země. Takovým hvězdám astronomové říkají bílí trpaslíci. Obklopí se však vrstvami plynu, a tak bude její okolí pestrobarevné. Je jasné, že v tu dobu nebude existovat ani Země, ani život na ní. 93 ASTRONOMIE Čím se zabývá astronomie „Kdybychom létati mohli od jedné hvězdy k druhé, jen od slunce ku slunci, ani planet jejich a komet si nevšímajíce, a kdybychom jen jedním okamžením každou prohlídnouti mohli, přece by nestačily miliony let, abychom jen miliontý díl jich navštívili, ani věčnost, abychom všecky přehlídli. Nemůžeme tedy jinak než vesměs je pozorovati, jen zdaleka spatřiti nesmírnou spoustu světů, jenž se v neskončené hloubce nebes jediným paprskem světlovým oku smrtelnému objevují.“ Smetana J. F.: Základové hvězdosloví čili astronomie, Plzeň 1837. Klaudios Ptolemaios (85–165), řecký astronom, který žil v Egyptě, shrnul antické astronomické znalosti do knihy Velká skladba. Ta se do Evropy dostala díky Arabům pod názvem Almagest a stala se nejvýznamnější středověkou astronomickou knihou. Astronomie je jedna z nejstarších věd. Zabývá se vesmírnými tělesy a jejich fyzikálními a chemickými vlastnostmi, sleduje jejich vzájemné působení. Zkoumá vznik, vývoj a zánik vesmírných těles. I když lidé pozorují oblohu a vesmírná tělesa od počátku své existence, představy o vesmíru se neustále mění. Jaká vesmírná tělesa znali lidé na počátku lidské civilizace? Lidé si nejdříve všímali Slunce, které je zahřívalo, osvětlovalo krajinu a umožňovalo život. Velmi významný byl Měsíc, který svým svitem a změnami tvaru (osvětlené části) rozvíjel vnímání času. Lidé si všímali i hvězd a jejich pohybu na noční obloze. Občas viděli i komety a meteory. Připomeň si, jak vznikají fáze Měsíce, jaká je jejich perioda a jak se jednotlivé fáze nazývají. Co znamená, že stáří Měsíce je 10 dní? Již v prvních civilizacích se lidé zamýšleli nad tím, jak je uspořádán vesmír. Prvním úspěchem bylo poznání, že kromě hvězd, které se po obloze pohybují stále stejně, jsou i takové hvězdy, které mezi ostatními mění svoji polohu. Řekové tyto hvězdy nazvali bloudící hvězdy neboli planety (řecky planétes znamená bloudící). Slovo geocentrický pochází z řeckých slov geo- (zemský) a kentron (střed). Slovo heliocentrický je složeno ze slov hélios (Slunce) a kentron (střed). Saturn Jupiter Mars Slunce Venuše Merkur Měsíc Země Saturn Jupiter Mars Měsíc Země Venuše Merkur Slunce geocentrická a heliocentrická představa uspořádání vesmíru 94 O první pokusy vysvětlit uspořádání a pohyb planet se pokusili učenci z doby starověkého Řecka a Říma. I když se již objevila představa, že uprostřed vesmíru je Slunce, převládl názor, že středem vesmíru je Země. Učenci předpokládali, že kolem Země jsou na pevných, průhledných a otočných kulových slupkách upevněny Měsíc, Merkur, Venuše, Slunce, Mars, Jupiter, Saturn a hvězdy. Tato geocentrická představa se udržela až do 16. století. Tehdy polský astronom Mikuláš Koperník přišel s novým nazorem: ASTRONOMIE do středu vesmíru umístil Slunce a kolem něho Merkur, Venuši, Zemi, Mars, Jupiter, Saturn a hvězdy. Vytvořil tak heliocentrickou představu uspořádání vesmíru. člověk 1m 10 m Heliocentrická představa správně popisuje uspořádání planet ve sluneční soustavě. Později byly objeveny ještě další dvě planety (Uran a Neptun) a mnoho menších těles. město Tělesa, která obíhají kolem planet, nazýváme měsíce. Ostatní malá tělesa ve sluneční soustavě jsou trpasličími planetami, planetkami či kometami. Koncem 16. století si lidé začali uvědomovat, že i naše Slunce je hvězdou. Dnes víme, že planety obíhají nejen kolem Slunce, ale i kolem jiných hvězd. Takovým planetám říkáme extrasolární planety. strom neutronová hvězda planetka 100 km kamenné planety 4 5 10 km 6 10 km Slunce vzdálenost Země od Slunce Astronomie se zabývá i většími objekty, než jsou hvězdy. Ve vesmíru se nacházejí obrovská mračna tvořená plynem (zejména vodíkem) a prachovými částicemi. Takovým útvarům říkáme prachoplynná mračna. Po stlačení v nich vznikají hvězdy. Je-li poblíž nějakého prachoplynného mračna hvězda, dochází k zahřívání mračna a mračno pak září jako mlhovina. 7 10 km 8 10 km 9 10 km 10 hvězda obr 10 km Uran objevil anglický astronom William Herschel [viljem heršl] v roce 1781. Herschel má české kořeny, jeho rodina pochází z obce Heršpice nedaleko Brna. Když astronomové zjistili, že se Uran nepohybuje úplně pravidelně, poznali, že odchylky způsobuje další planeta (Neptun). Vypočetli její polohu a poté ji v roce 1846 na vypočteném místě objevil německý astronom Johann Galle. 11 10 km Slunce vyzařuje světlo již téměř 5 miliard let a ještě dalších 5 miliard let bude zářit. Hvězdy s větší hmotností září kratší dobu, hvězdy s menší hmotností září déle. Hvězdy procházejí v průběhu svého vývoje různými fázemi. Přitom se výrazně mění jejich velikost i vyzařovaná energie. 3 10 km 10 km obří planety Protože hvězdy září jen po část svého života, je jejich hlavním poznávacím znamením dostatečná hmotnost. Hvězdy jsou tělesa s hmotností větší než 8 % hmotnosti Slunce. Slunce patří mezi průměrné hvězdy. 1 km 10 km Čím se odlišují hvězdy od planet, měsíců, planetek a komet? Hvězdy jsou na rozdíl od ostatních uvedených těles vlastními zdroji světla. Přitom kromě světla vyzařují také v rádiovém, infračerveném, ultrafialovém a rentgenovém oboru spektra. Hvězdy během svého vývoje odvrhují část své hmoty. 100 m 12 10 km 13 vzdálenost nejbližší hvězdy od Slunce 10 km 14 10 km 15 10 km prachoplynné mračno 16 10 km 17 10 km galaxie 18 10 km Ještě větší jsou galaxie – obrovská seskupení milionů, miliard či bilionů hvězd. Součástí galaxií jsou i prachoplynná mračna. Stupnice velikostí ve vesmíru; číslo u desítky udává počet nul (104 je 10 000). 95 V označení extrasolární planeta předpona extraoznačuje „mimo“ a solární se vztahuje ke Slunci. Používá se i zkrácený název exoplaneta. ASTRONOMIE Shrnutí Jména astronomických objektů (Slunce, Měsíc, Venuše, …) píšeme s velkým počátečním písmenem. Mluvíme-li ale o objektu na obloze, používáme malé počáteční písmeno (slunce, měsíc, jitřenka, večernice, …). Takže například píšeme: Na obloze vyšel měsíc. Jistě z úryvku snadno poznáš pohádku, ve které hrálo Slunce hlavní roli: „Babička se usmála a povídá: »Děd Vševěd je můj syn, jasné Slunce: ráno je pacholátkem, v poledne mužem a večer starým dědem.«“ Znáš ještě nějakou hru, kde vystupuje Slunce nebo děd Vševěd? Astronomie je jedna z nejstarších věd. Zkoumá vznik, vývoj a zánik vesmírných těles a jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Astronomie se zabývá vesmírnými tělesy, například planetami a dalšími tělesy sluneční soustavy, hvězdami a galaxiemi. Otázky a úkoly 1 Zjisti na internetu, kolik je již známo extrasolárních planet. Bylo již u některé hvězdy nalezeno více extrasolárních planet? 2 Podle obrázku stupnice velikostí ve vesmíru urči, kolikrát je větší: a) Slunce než Země; b) hvězda obr než Slunce. Slunce Slunce svítí stabilně po celou dobu dějin lidské civilizace. Pohled lidí na význam Slunce se však výrazně měnil. Od lhostejnosti přes odpor k příliš silnému záření ve starých civilizacích kolem rovníku až ke zbožňování Slunce jako boha Amona-Re v Egyptě. Ještě před několika sty lety se lidé domnívali, že také na Slunci žijí lidé. Dnes chápeme klíčový význam Slunce pro život na Zemi a snažíme se porozumět tomu, jak Slunce funguje. chrám boha Re v Luxoru v Egyptě Pozorujeme-li Slunce, vidíme vrstvu, která se nazývá fotosféra. Jeví se nám jako žlutá a lidské oko je výtečně přizpůsobeno takovému záření; je nejcitlivější na zelenou, žlutou a oranžovou barvu. Z barvy záření umí astronomové určit teplotu fotosféry. Je rovna přibližně 6 000 °C. Takovou teplotu nemůže vydržet žádná pevná látka, kapalina či plyn, jak jej známe z pozemských podmínek. Plyn ve sluneční fotosféře je silně ionizován, jedná se tedy o plazma. pokus s olejem a stříbřenkou V hrnci rozmícháme olej se stříbřenkou a směs zahříváme. Na hladině pak pozorujeme zajímavé útvary. Na fotografii sluneční fotosféry z dalekohledu spatříme útvary připomínající vzorky na kůži žirafy. Jedná se o granulaci slunečního povrchu. Světlé skvrny, nazývané granule, jsou místa, ve kterých na „povrch“ Slunce vystupuje horké plazma z jeho nitra. Temnějšími žilkami mezi granulemi ochlazené plazma klesá zpět. Jev se velmi podobá 96 Na zvětšeném snímku fotosféry je patrná granulace slunečního povrchu připomínající kůži žirafy na negativu. ASTRONOMIE varu vody či pokusu s olejem a stříbřenkou v nádobě. Jiná je samozřejmě velikost granulí, která je ve sluneční fotosféře srovnatelná s velikostí České republiky. Tvar a uspořádání granulí se neustále mění, i když pomaleji než v pokusu s olejem a stříbřenkou. Sluneční skvrny vznikají jen v oblasti kolem slunečního rovníku. Nikdy je nenajdeme v okolí pólů. Na Slunci se kromě granulace vyskytují i mnohem větší útvary. Jedná se o sluneční skvrny, které mohou být někdy dokonce větší než Země. Skvrny jsou tmavší než okolní fotosféra, protože mají nižší teplotu. Ve slunečních skvrnách je silnější magnetické pole než v okolí. Magnetické pole zde vystupuje ze sluneční fotosféry. detail sluneční skvrny Počet slunečních skvrn se mění. Systematickým pozorováním astronomové zjistili, že se pravidelně střídají období, kdy na Slunci skvrny téměř nejsou, s obdobími, kdy je počet slunečních skvrn maximální. Mluvíme o obdobích minima a maxima sluneční činnosti. Doba od jednoho minima k dalšímu je přibližně rovna 11 rokům. Tuto dobu označujeme jako sluneční cyklus. 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 sluneční fotosféra na snímcích z družice SOHO z let 1997–2007 Pozoruj na sérii obrázků, jak se mění počet slunečních skvrn, a zkus odhadnout, ve kterém roce nastalo maximum sluneční činnosti. Ověř odhad na obrázku vpravo. Výpočtem pak zjisti, kdy přibližně nastane příští maximum. Z pohybu slunečních skvrn zjišťujeme, jak se Slunce otáčí. Perioda otáčení Slunce v okolí rovníku je přibližně 27 dní, u pólů rotuje Slunce pomaleji. Nad sluneční fotosférou se nacházejí ještě další průběh slunečního cyklu v letech 1995–2007 (na svislou osu se vynáší počet skvrn) vrstvy, které jsou pro světlo průhledné, a proto je nevidíme. Přímo nad fotosférou je vrstva, kterou nazýváme chromosféra. Tu umíme pozorovat v ultrafialové oblasti spektra. V místech nad slunečními skvrnami se v chromosféře objevují jasnější oblasti. Z nich někdy vystupují proudy plazmatu. Když je rychlost plazmatu menší, dostává se plazma jen do okolí Slunce. Takové útvary se nazývají protuberance. běžná sluneční protuberance (vlevo) a obří protuberance (vpravo) 97 Minimum sluneční činnosti neznamená zmenšení výkonu Slunce. Přesná měření ukázala, že výkon slunečního záření dopadajícího na Zemi se v průběhu let téměř nemění. Pozor! Je nebezpečné dívat se přímo do Slunce! Sluneční záření by mohlo poškodit oko. Proto je možné Slunce pozorovat jen nízko nad obzorem, kdy je náš zrak chráněn silnější vrstvou atmosféry. V takovém případě můžeme někdy pozorovat pouhým okem velké sluneční skvrny. Samozřejmě možné je pozorování Slunce přes dostatečně silný filtr (například svářečský filtr číslo 12 a více). Vůbec se nesmíme dívat na Slunce dalekohledem! Bezpečné je promítnout Slunce na podložku a sledovat tento obraz. ASTRONOMIE Sluneční cykly jsou číslovány od poloviny 18. století, kdy začalo pravidelné sledování slunečních skvrn. V roce 2006 skončil cyklus s pořadovým číslem 23. V období minima sluneční činnosti dochází k přepólování magnetického pole Slunce. Jižní a severní magnetický pól si vymění místa. Mechanismu této změny zatím nerozumíme. Při vysoké rychlosti plazmatu vystupujícího ze Slunce mluvíme o erupci. V tomto případě oblak odvrženého plazmatu letí meziplanetárním prostorem a může dopadnout na některou z planet. Pokud se velký oblak plazmatu střetne se Zemí, nabité části dočasně zdeformují zemské magnetické pole – nastává magnetická bouře. Častěji vede srážka oblaku se Zemí ke vzniku polární záře. Polární záře se sice nejčastěji vyskytují v polársluneční erupce ních oblastech, ale velké polární záře jsou pozorovatelné i z našich zeměpisných šířek, a to jako načervenalé záření nad severním obzorem. Nejvyšší vrstvou Slunce je koróna, která se rozprostírá nad chromosférou až do vzdálenosti několika poloměrů Slunce. Je to však vrstva, která září jen slaboučce, a tak ji můžeme pozorovat jen při zakrytém slunečním kotouči. Korónu můžeme sledovat při zatmění Slunce. Při magnetické bouři 13. 3. 1989 došlo v kanadské provincii Québec [kebek] k poruše elektrické rozvodné sítě. Vlivem změn magnetického pole se totiž ve vedení indukoval značný elektrický proud, který zničil cívky v hlavní transformátorové stanici. Do okolí Slunce jsou i mimo erupce stále uvolpolární záře z 20. listopadu 2003 pozorovaná u Brna ňovány nabité částice. Jedná se například o protony, elektrony, částice α , … Tyto částice neustále proudící ze Slunce označujeme jako sluneční vítr. Slunce vyzařuje do svého okolí nepřetržitě intenzivní záření v různých oborech spektra, ale odvrhuje také nabité částice. Co je zdrojem energie Slunce? Směrem do středu Slunce teplota roste. Ve středu Slunce je teplota větší než 10 000 000 stupňů. Protony (jádra vodíku) v centrálních oblastech Slunce mají proto dostatečnou rychlost, aby se při srážce mohly spojit. Přitom se uvolní obrovská energie. Zdrojem energie Slunce jsou tedy termonuleární reakce, při kterých se přeměňuje vodík na helium. Shrnutí Ve sluneční fotosféře se vyskytují sluneční skvrny, jejichž počet se mění. Podle počtu slunečních skvrn mluvíme o minimu a maximu sluneční činnosti. Jeden sluneční cyklus trvá přibližně 11 let. Nad fotosférou jsou chromosféra a koróna. Ze Slunce neustále proudí nenabité i nabité částice, například protony a elektrony. Mluvíme o slunečním větru. Při erupcích je ze Slunce odvržen velký oblak částic, které na Zemi mohou způsobit magnetické bouře nebo polární záře. Zdrojem energie Slunce jsou termonukleární reakce. Otázky a úkoly 1 Pozorování koróny je možné jen při zakrytí slunečního kotouče. Aby astronomové mohli pozorovat sluneční korónu neustále, nejen při zatmění Slunce, zakrývají obraz Slunce clonkou v ohniskové rovině dalekohledu. Jak se takový přístroj nazývá? 2 Najdi na internetu vzorec, podle kterého se počítá, kolik je na Slunci skvrn. Rozloha provincie Québec je dvacetkrát větší než rozloha České republiky. 98 ASTRONOMIE Kamenné planety Merkur je pojmenován podle římského boha obchodu a zisku Mercuria. Jeho řeckým protějškem byl Hermes, bůh cestovatelů, obchodníků a zlodějů. V 19. století dostal česká jména Dobropán a Horana. Může existovat život i na jiné planetě než na Zemi? Jaké jsou vlastně podmínky pro vznik života? Pozemský život je založen na existenci vody v kapalném stavu. Země je právě ve vhodné vzdálenosti od Slunce. Kdyby byla blízko, byla by na ní voda jen v plynném skupenství a život by nevznikl. Kdyby byla naopak od Slunce příliš daleko, voda by byla jen ve formě sněhu a ledu a život by také nevznikl. Nejblíže ke Slunci obíhá planeta Merkur. Jedná se o planetu menší než Země. Na první pohled je velmi podobná Měsíci. Stejně jako Země či Měsíc má také Merkur pevný kamenný povrch, na kterém jsou nejnápadnějšími útvary krátery. Krátery na MerMerkur obíhá kolem Slunce ve kuru jsou pojmenovány po vzdálenosti menší než polovina významných spisovatelích, vzdálenosti Země od Slunce. Jeho poloměr je 2 400 km. umělcích a hudebních skladatelích. Z českých osobností mají svůj kráter Smetana, Dvořák a Janáček. Merkur nemá téměř žádnou atmosféru. Největším kráterem na Merkuru je pánev Caloris s průměrem 1 300 km. Její pravý okraj je na obrázku vyznačen červeně. Jak asi mohly vzniknout krátery na Merkuru? Krátery na Merkuru vznikly stejně jako krátery na jiných tělesech sluneční soustavy. Příčinou jejich vzniku je srážka s nějakým menším tělesem. Při dopadu takového tělesa dojde k uvolnění velkého tepla. Tím se zahřeje dopadající těleso i planeta v místě dopadu na teplotu několika tisíc Celsiových stupňů. Dojde k sublimaci Uvnitř pánve Caloris se nachází mnoho dalších kráterů. (často se nesprávně říká odpaření) horniny a vzniku prohlubně – kráteru. Dále od místa dopadu tělesa dochází jen k roztavení horniny a k její trvalé deformaci. Ještě dále od místa dopadu je hornina deformována jen dočasně. Dopadu tělesa se odborně říká impakt, proto se takto vzniklé krátery nazývají impaktní krátery. Největší impaktní krátery mají uprostřed centrální pahrbek. Proces vzniku impaktního kráteru můžeme sledovat například i při vhození kamene do bláta nebo vhození kousku másla do krupicové kaše. Kolem Slunce oběhne Merkur jednou za 88 dní, tedy za necelé 3 měsíce. Protože osa Merkuru je kolmá k rovině oběhu, nedochází ke střídání ročních období. Merkur se velmi zvolna otáčí kolem své osy. Proto je den i noc na Merkuru mnohem delší než na Zemi. Slunce na Merkuru vychází vždy po 176 pozemských dnech, 88 dnů je stále nad obzorem, 88 dnů stále pod obzorem. 99 Bedřich Smetana, Antonín Dvořák a Leoš Janáček jsou nejvýznamnější čeští hudební skladatelé. Merkur obíhá blízko Slunce, a proto se na obloze nikdy od Slunce moc nevzdálí. Může být proto vidět jen těsně před východem nebo těsně po západu slunce. ASTRONOMIE Impaktní krátery mají jiný tvar než krátery vzniklé sopečnou činností. Na straně přivrácené ke Slunci je Merkur rozpalován na teplotu vyšší než 400 °C, na odvrácené straně panuje mráz téměř –200 °C. Merkur a Venuše mají při pohledu ze Země fáze podobně jako Měsíc. Tvar a velikost fází závisí na vzájemné poloze planety, Slunce a Země. Venuše má jméno podle římské bohyně krásy. Jejím řeckým protějškem byla Afrodité, bohyně lásky. V 19. století dostala české jméno Krasopaní. Kamennou planetou je také Venuše. Je obklopena hustou atmosférou, která neumožňuje pozorovat žádné povrchové útvary. Ty známe teprve díky sondě Magellan, která počátkem 90. let minulého století pomocí radaru zmapovala povrch planety. Zjistila, že povrch Venuše byl přetvořen intenzivní sopečnou činností. I když žádná ze sopek na Venuši není v současné době činná, jsou v jejich okolí výrazná lávová pole. Na Venuši je mnohem méně kráterů než na Merkuru. Chybí menší krátery, protože malá tělesa při průletu hustou atmosférou úplně shoří. Krátery lidé pojmenovali podle významných žen; jeden z kráterů se jmenuje Němcová, další podle českých křestních jmen Hanka, Julie a Vlasta. Venuše má hustější atmosféru než Země. Atmosféra Venuše obsahuje zejména oxid uhličitý, který zabraňuje úniku tepla z planety do okolí. Proto teplota povrchu planety dosahuje téměř 500 °C. Vyhaslá sopka Maat Mons na Venuši je vysoká asi 8 km a je obklopena rozsáhlými lávovými poli. Venuše je jen o málo menší než Země (poloměr Venuše je 6 100 km) a obíhá Slunce ve vzdálenosti tří čtvrtin vzdálenosti Země od Slunce. Kruhové dómy (také nazývané lívance) jsou vyhaslé sopky o průměru asi 20–25 km, které se částečně zabořily do rozměklého povrchu. Mohl by člověk žít na Venuši? Proč? Sonda Magellan byla pojmenována podle portugalského mořeplavce Fernăo de Magalhăese [fernau de magaljanše], jehož loď jako první obeplula v roce 1522 zeměkouli. Takto vyfotografovala část povrchu Venuše po přistání sonda Veněra 13. Na snímku uprostřed dole je vidět část přistávacího modulu sondy. Kromě vysoké teploty by životu na Venuši nepřálo ani šero, které je způsobeno hustou atmosférou. Obyvatelé Venuše by neměli možnost skrz atmosféru pozorovat Slunce ani jiné hvězdy. Rovněž složení atmosféry není pro život člověka vhodné. Venuše oběhne kolem Slunce přibližně za 7,5 měsíce. Rok na Venuši je proto o něco delší než pozemský půlrok. Protože se Venuše otáčí kolem své osy velice pomaloučku, dochází ke střídání dne a noci jen jednou za 117 pozemských dní. Venuše se kolem osy otáčí opačným směrem než Země a většina planet. Proto tam slunce vychází na západě a zapadá na východě. 100 ASTRONOMIE Třetí planetou podobnou Zemi je Mars. Stejně jako Země má také Mars pevný povrch, je ale menší. Na Marsu jsou velmi nápadné polární čepičky v okolí obou pólů. Jsou tvořeny zmrzlou vodou (ledem) a zmrzlým oxidem uhličitým (suchým ledem). Planeta Mars je nejčastějším cílem kosmických sond. Sondy zmapoPlaneta Mars má ve srovnání se Zemí valy povrch přibližně poloviční poloměr (3 400 km) a obíhá Slunce 1,5krát dále než Země. Marsu a zjistily, že severní polokoule má nižší „nadmořskou“ výšku, zatímco jižní polokouli tvoří rozsáhlá pahorkatina. Výzkumy také odhalily, že se v dávné minulosti na Marsu nacházelo obrovské množství tekoucí vody. Je proto pravděpodobné, že na severní polokouli byl ohromný oceán. Sonda Magellan (anglický přepis jména Magalhăes) obíhala Venuši po polární trajektorii (prochází nad oběma póly planety) a fotografovala pomocí radaru povrch Venuše. Jak se planeta otáčela kolem své osy, byl zmapován celý povrch. Tento snímek povrchu Marsu pořídilo vozítko Spirit, které se svým dvojčetem Opportunity jezdí po povrchu Marsu od roku 2004 a získalo velké množství podobných obrázků. Načervenalá barva povrchu Marsu je způsobena oxidy železa. Krátery na Marsu jsou pojmenovány podle přírodovědců a podle měst. Svůj kráter mají i města Handlová, Cheb, Nýrsko a Tábor. Valles Marineris je kaňon hluboký 5–6 km a široký několik set kilometrů, který se táhne do vzdálenosti 4 000 km. Zajímavým útvarem na Marsu je kaňon Údolí Marineru (Valles Marineris). V jeho blízkosti se vypínají nejvyšší sopky na Marsu, které stejně jako sopky na Venuši nejsou v současnosti činné. Vůbec nejvyšší sopkou a horou na Marsu je štítová sopka Olympus Mons. Tato sopka je zároveň nejvyšší horou v celé sluneční soustavě. Zopakuj si ze zeměpisu, co je kaňon a co štítová sopka. Najdi na internetu nebo v encyklopedii rozměry nějakého kaňonu na Zemi a porovnej je s rozměry Valles Marineris. Pak najdi rozměry nějaké štítové sopky na Zemi a porovnej je s rozměry sopky Olympus Mons. Na Marsu byla v roce 1976 vyfotografována „Lidská tvář“. I když jde jen o zvětralý kámen zajímavého tvaru, zvýšila fotografie zájem lidí o průzkum Marsu. „Lidská tvář“ na Marsu na snímcích ze sond Viking (1976) – vlevo – a Mars Global Surveyor (2001). Vyhaslá sopka Olympus Mons, která se na ploše srovnatelné s plochou České republiky tyčí do výšky 21 km. Mars oběhne kolem Slunce přibližně za 1,9 roku. Osa rotace Marsu má téměř stejný sklon jako osa Země. Proto se podobně jako na Zemi střídají také na Marsu roční období. Mars je podobný Zemi i dobou rotace kolem osy. Jeden den na Marsu trvá 24 hodin a 37 minut. 101 Atmosféra Marsu obsahuje hlavně oxid uhličitý, stejně jako atmosféra Venuše. Atmosféra je však řídká, a tak vliv skleníkového jevu je mnohem menší. Mars má na obloze typickou načervenalou barvu. Proto byl pojmenován podle římského boha války. Jeho řeckým protějškem byl Árés. V 19. století dostal česká jména Smrtonoš a Řeřana. ASTRONOMIE Také měsíce Phobos a Deimos měly svá obrozenecká jména: Strach a Hrůza. Z průzkumu Marsu vyplývá, že v minulosti zde byly řeky a jezera plné vody. Dnes je však planeta vyprahlá, suchá. Voda se na Marsu nachází jen v podobě sněhu a ledu v polárních čepičkách, případně sněhu a námrazy v hlubokých kráterech. A tak jediný snímek kapalné vody na Marsu je ten následující. Kolem Marsu obíhají dva měsíce: větší Phobos [fobos] a menší Deimos [dejmos]. Jde o kamenná tělesa nepravidelného tvaru. Planety Merkur, Venuše a Mars tvoří skupinu planet podobných Zemi (terestrických). Jsou to kamenná tělesa podobně jako Země, Měsíc, Phobos, Deimos. Deimos má skoro o polovinu menší rozměry než Phobos a obíhá kolem Marsu ve vzdálenosti 24 000 km. Shrnutí Planety Merkur, Venuše, Země a Mars jsou kamenné planety s pevným povrchem. Kamennými tělesy jsou také měsíce těchto planet (Měsíc, Phobos a Deimos). Merkur nemá atmosféru a na jeho povrchu je mnoho impaktních kráterů. Venuše má velmi hustou atmosféru, na jejím povrchu jsou vyhaslé sopky a rozsáhlá lávová pole. Mars má řídkou atmosféru. Kolem něj obíhají dva měsíce, Phobos a Deimos. Otázky a úkoly 1 Vypočti, kolikrát větší je maximální vzdálenost Venuše od Země oproti minimální. 2 Seřaď kamenné planety podle velikosti od největší k nejmenší. Pak najdi pořadí podle hustoty atmosféry a podle počtu měsíců. 3 Které planety se mohou dostat mezi Zemi a Slunce a zakrýt tak část slunečního kotouče? Kdy k nějakému takovému jevu došlo? Venuše přechod Venuše přes sluneční kotouč Phobos je zhruba 10km kus skály, který obíhá kolem Marsu ve vzdálenosti 9 000 km. trajektorie Venuše Slunce Země trajektorie Země Plynné planety Která planeta sluneční soustavy má nejvíce měsíců? Je to největší Jupiter, nebo Saturn s nejvýraznějšími prstenci? Anebo Uran, či Neptun, které jsou tak daleko, že u nich můžeme odhalit jen největší měsíce? Co jsou to vůbec měsíce? Jak musí být těleso velké, abychom jej řadili mezi měsíce? Jupiter je pojmenován podle římského vládce bohů. Jeho řeckým protějškem byl Zeus. V 19. století dostal česká jména Králomoc a Prúhana. Největší planetou sluneční soustavy je Jupiter. Na rozdíl od Země, Merkuru, Venuše a Marsu nemá Jupiter pevný povrch. Jedná se o planetu plynnou, tvořenou převážně vodíkem a heliem. Proto se planeta otáčí kolem osy jinak než planety s pevným povrchem. Již v menším dalekohledu jsou na Jupiteru vidět pásy rovnoběžné s rovníkem. Plyn v různých pásech se pohybuje různou rychlostí, dokonce v některých pásech proudí plyn 102 Jupiter obíhá Slunce 5,2krát dále než Země. Poloměr planety je 71 500 km. ASTRONOMIE opačným směrem. Tam, kde se jednotlivé pásy stýkají, vznikají v plynu víry. Největší vír nazýváme Velká rudá skvrna. Vyskytují se podobné víry také v atmosféře Země? Jak se nazývají? Kolem Jupiteru obíhá mnoho měsíců. V roce 2007 jich známe 63. Největší čtyři měsíce Io, Europa, Ganyméd a Kallisto, které jsou vidět i v menších dalekohledech, objevil v roce 1610 Galileo Galilei. Proto se nazývají galileovské měsíce. Všechny Velká rudá skvrna se na Jupiteru nachází již několik stovek let. čtyři galileovské měsíce obíhají ve směru rotace Jupiteru. Je o něco větší než Země. U ostatních měsíců to však není pravidlem. Mnohé měsíce obíhají proti směru rotace planety. Nejmenší z těchto měsíců mají velikost jen asi 1 km. Io je kamenné těleso s velmi bouřlivou sopečnou činností. Sonda Galileo zde objevila asi 300 aktivních sopek. Ganyméd je největším měsícem ve sluneční soustavě. Velikostí převyšuje Pluto i Merkur. Jedná se o ledové těleso. Europa je tělesem s ledovým povrchem, pod nímž je velmi pravděpodobně voda v kapalném stavu – oceán. Kallisto je ledový měsíc. Na jeho povrchu je velký počet kráterů. Kromě měsíců obíhají kolem Jupiteru také mnohem menší tělesa. Obíhají spořádaně v rovině rovníku planety a vytvářejí při pohledu z dálky Jupiterovy prstence. Jupiter rotuje rychleji než Země, přestože je větší. Jedna otočka kolem osy mu trvá přibližně 10 hodin. Kolem Slunce oběhne za 12 let. 103 Jupiter v menším dalekohledu (na obrázku jsou vidět stíny jeho dvou měsíců) Galileo Galilei (1564–1642), významný italský fyzik a astronom. Jako první namířil dalekohled do vesmíru a objevil hory na Měsíci, fáze Venuše a čtyři největší Jupiterovy měsíce. Na počest panovníků ve Florencii je pojmenoval Hvězdy medicejské [medičejské]. V současné době jsou označovány jménem Galilea. Hustota kráterů na tělesech sluneční soustavy umožňuje odhadnout stáří povrchu měsíce a to, zda byl povrch dodatečně přetvářen sopečnou či tektonickou činností, nebo erozí. ASTRONOMIE Největší měsíce ve sluneční soustavě jsou: Ganyméd, Titan, Kallisto, Io, Měsíc, Europa a Triton. Ganyméd a Titan jsou dokonce větší než planeta Merkur. Saturn je pojmenován podle římského boha času. Jeho řeckým protějškem byl Kronos. V 19. století dostal česká jména Hladolet a Kruhana. Druhou největší planetou ve sluneční soustavě je Saturn. Je jen o málo menší než Jupiter a obíhá Slunce dvakrát dále než Jupiter. Saturn je jako Jupiter tvořen převážně vodíkem a heliem a nemá pevný povrch. Proto má i Saturn v atmosféře pásy rovnoběžné s rovníkem. Saturn je známý svými prstenci. Ty jsou tak nápadné, že jsou viditelné ze Země i menšími dalekohledy. Při bližším pohledu se v prstencích Saturn obíhá Slunce 10krát dále než Země. objeví mezery a mezírky rozdělující prstence na Poloměr planety je 60 300 km. jednotlivé prstýnky. Tyto mezery a mezírky jsou způsobeny pohybem větších těles v prstencích. Největší mezery způsobují až stokilometrové měsíce. Tyto měsíce vysbírávají tělíska prstenců, která se vychýlila z dráhy. Tím udržují hranice prstenců či jednotlivých prstýnků. Proto se jim říká pastýřské měsíce. Nejslaběji vázané části pastýřských měsíců se naopak často od měsíců oddělují a doplňují prstence. Detailní pohled na prstence Saturnu ze sondy Cassini ukazuje jejich rozčlenění na tenké prstýnky. Prstence jsou tvořeny spoustou těles (většinou ledových) s rozměry od 1 mm po stovky metrů, jak ukazuje kresba ve výřezu. Prstence zaujímají prostor od povrchu Saturnu až do vzdálenosti 500 000 km. Tloušťka prstenců je jen několik stovek metrů. Giovanni Domenico Cassini [džovany domenyko kasiny] (1625–1712), italský a francouzský fyzik a astronom. Zabýval se zejména zkoumáním planet. Objevil největší mezeru v prstencích Saturnu, která se jmenuje Cassiniho dělení. Čím se pastýřské měsíce podobají pastýřským psům? Čím se od nich odlišují? Největším Saturnovým měsícem je Titan. Titan Snímky povrchu Titanu ze sondy Huygens odhalily má hustou atmosféru, a tak jsme až donedávna řečiště metanu a metanová jezera. Ve výřezu je detailní pohled na povrch Titanu. nevěděli, jaký je Titanův povrch. Díky sondě Huygens víme, že na povrchu jsou světlé vyvýšeniny z ledu a tmavá údolí a řečiště. Při teplotách kolem –100 °C nemůže v řečišti téci voda. Jde o řeky a jezera z metanu, který může na Titanu existovat ve všech třech skupenstvích. Popiš koloběh metanu na Titanu. Kromě Titanu a pastýřských měsíců obíhají kolem Saturnu desítky dalších měsíců. Celkem jich v roce 2007 známe 60. Většina má podobně jako měsíce Jupiteru povrch z ledu. Christiaan Huygens [kristián hajchens] (1629–1695), holandský fyzik a astronom. Vynalezl kyvadlové hodiny, které výrazně zlepšily přesnost měření času. Zabýval se optikou, mechanikou a astronomií, objevil měsíc Titan. Doba rotace Saturnu je přibližně stejná jako doba rotace Jupiteru. Sklon osy je podobný jako u Země. Kolem Slunce Saturn oběhne za 30 let. Sklon osy rotace Saturnu způsobuje, že se nám při pohledu za Země zdá, že se Saturnovy prstence naklápějí. Někdy je vidíme „shora“, někdy „z boku“, jindy „zdola“. 104 ASTRONOMIE Vyrob si model prstenců Saturnu a ukaž, proč se prstence pozorovatelům ze Země naklápějí. Ze silnějšího papíru nebo kartonu vystřihni kruh a uprostřed kruhu malý otvor. Kruh navlékni na šestihrannou tužku. Pak „Saturn“ umisťuj do různých poloh vůči „Slunci“ (například pomeranč ležící na stole) a popisuj, jakou část prstenců vidí pozorovatel ze Země. Nezapomeň, že rotační osa Saturnu zachovává v prostoru svůj směr. Plynnými planetami jsou kromě Jupiteru a Saturnu také Uran a Neptun. Obě planety mají namodralou barvu, která je důsledkem nepatrného množství metanu v atmosféře. Uran je pojmenován podle řeckého boha vesmíru a nebe. V 19. století dostal česká jména Nebešťanka a Lehana. Neptun je pojmenován podle římského vládce moře. Jeho řeckým protějškem byl Poseidón. V 19. století dostal česká jména Vodan a Šeřana. Uran obíhá Slunce 19krát dále než Země. Jeho poloměr je 26 000 km. Neptun obíhá Slunce 30krát dále než Země. Jeho poloměr je 25 000 km. I Uran a Neptun mají podobně jako ostatní dvě plynné planety prstence. O Uranu a Neptunu a jejich měsících toho víme mnohem méně, protože je zatím navštívila pouze jediná sonda. V roce 2007 u Uranu zatím známe 27 měsíců, u Neptunu 13. Uranův měsíc Miranda má průměr necelých 500 km. Neptunův měsíc Triton má na povrchu aktivní sopky. Obě planety se otáčejí kolem osy velmi rychle jako Jupiter a Saturn; perioda rotace Uranu je 18 hodin, Neptunu 16 hodin. Sklon osy Neptunu je přibližně stejný jako sklon osy Saturnu či Země. Zato osa Uranu leží přibližně v rovině, ve které Uran obíhá kolem Slunce. 105 Uran a Neptun byly zkoumány zatím jen sondou Voyager 2, která byla vypuštěna v roce 1977. Po průletu kolem Jupiteru (1979) a Saturnu (1981) byla nasměrována i k Uranu (1986) a pak k Neptunu (1989). Protože kolem planet jen prolétala, nemohla pořídit snímky všech měsíců. Vyfotografovala jen ty, které se nacházely poblíž její trajektorie. ASTRONOMIE Uranovy měsíce jsou pojmenovány podle postav ze Shakespearových her: Julie, Ofélie, Ariel, Desdemona, … Jedinou výjimkou je měsíc Belinda nazvaný podle postavy z knihy Alexandera Popea. Vyrob si model Uranu, například z modelovací hmoty propíchnuté špejlí, která bude znázorňovat osu rotace. Pak rozsviť uprostřed místnosti stojací lampu znázorňující Slunce. Předveď rotaci „Uranu“ kolem osy a jeho oběh kolem „Slunce“. Přitom dbej, aby byl směr osy rotace Uranu v prostoru stále stejný. Sleduj změny osvětlení na pólech a na rovníku během uranského roku. Shrnutí Planety Jupiter, Saturn, Uran a Neptun jsou plynné planety. Všechny mají prstence a obíhá kolem nich hodně měsíců. Jupiter je největší planetou sluneční soustavy. Jeho čtyři největší měsíce objevil Galilei. Saturn má velmi výrazné prstence. Obíhá kolem něho měsíc Titan s ledovým povrchem a řekami metanu. Uran a Neptun mají namodralou barvu díky přítomnosti metanu v atmosféře. Otázky a úkoly Hudební stupnice je řada tónů uspořádaná podle určitých pravidel. Například stupnice C dur obsahuje tóny c, d, e, f, g, a, h, c. Poměr frekvencí konečného a počátečního tónu je roven 2, interval mezi nimi nazýváme oktáva. Různé stupnice se liší zejména počtem tónů a umístěním půltónů a celých tónů. Planetky se někdy označují také slovem asteroid. Toto označení není úplně správné, protože vychází z řeckého slova aster, hvězda. Přípona -oid znamená podobný. 1 Kolem kterých planet mohou obíhat pastýřské měsíce? 2 Seřaď plynné planety podle velikosti od největší po nejmenší. Pak je seřaď podle počtu známých měsíců. Malá tělesa Kolik planet je ve sluneční soustavě? Když byl v roce 1781 objeven Uran, pustili se astronomové intenzivně do hledání dalších planet. Planety byly hledány na základě výpočtů objasňujících poruchy v pohybech planet. Poruchy v pohybu planety Merkur vedly k hledání Vulkánu mezi Merkurem a Sluncem. Planeta Vulkán nebyla nalezena. Poruchy v pohybu Merkuru objasnil Einstein teorií relativity. Poruchy Uranu způsobuje planeta Neptun objevená na základě výpočtů v roce 1846. Poruchy v pohybu Neptunu zase způsobuje Pluto, objevené v roce 1930. Pluto bylo od objevu až do roku 2006 považováno za planetu. Dnes jej řadíme mezi trpasličí planety. V současné době známe ve sluneční soustavě 8 planet. Johannes Kepler hledal podobnost mezi poměrem frekvencí tónů a poměrem vzdáleností planet od Slunce. Domníval se totiž, že sluneční soustava musí být uspořádána harmonicky. Přitom si všiml, že poměr vzdálenosti Jupiteru ke vzdálenosti Marsu je příliš velký. Odpovídající tóny by musely ležet od sebe podstatně dále než tóny stupnice v rozmezí jedné oktávy. Předpověděl, že se mezi Marsem a Jupiterem nachází další, dosud neobjevená plaPlanetku Ida vyfotografovala sonda Galileo v roce 1993. Astronomové s překvapením zjistili, neta. Když pak po 200 letech hledané těleso objevil že kolem ní obíhá měsíček Daktyl. italský astronom Giuseppe Piazzi, domníval se, že objevil skutečně planetu. Jenže hned v dalším roce bylo objeveno také mezi Marsem a Jupiterem další těleso a během 7 let počet nalezených „planet“ narostl na čtyři. Protože šlo o tělesa menší než všechny známé planety, dostala později označení planetky. 106 ASTRONOMIE Právo pojmenovat planetku má objevitel. Protože Češi jsou častými objeviteli planetek, má několik stovek planetek česká jména. Najdi na internetu (planetky.astro.cz) některá z nich. V roce 2007 je známo již více než 150 000 planetek. I když největší počet známých planetek se pohybuje mezi Marsem a Jupiterem, planetky se nacházejí prakticky všude ve sluneční soustavě. Velmi pečlivě jsou sledovány planetky pohybující se poblíž trajektorie Země (například Eros) s ohledem na možnou srážku se Zemí. Nebezpečnými pro Zemi jsou zejména ty, které jsou Planetku Eros o délce 33 km a šířce 13 km navštívila sonda velké aspoň 180 m a přiblíží se k trajekNEAR a přistála na jejím povrchu. Ve výřezu je fotografie několika balvanů uvnitř velkého kráteru na Erosu. torii Země na vzdálenost 7,5 milionů kilometrů nebo méně. Planetky obíhající Slunce blíže než Jupiter jsou většinou kamenná tělesa. Od roku 1992 jsou objevovány také planetky obíhající za Neptunem. V roce 2007 je takových planetek známo více než 1 000, ale naprostou většinu planetek za Neptunem nemůžeme zatím ani nejlepšími dalekohledy odhalit. Planetky objevené za Neptunem jsou v průměru větší než planetky obíhající blíže kolem Slunce. Liší se od nich i tím, že to nejsou tělesa kamenná, ale ledová. Giuseppe Piazzi [džuzepe pijaci] (1746–1826), významný italský astronom. Objevil první planetku a pojmenoval ji jménem římské bohyně setby a úrody Ceres. Vyhynutí dinosaurů před 65 miliony let způsobila srážka Země s planetkou. Mnohé z ledových planetek mají podobnou trajektorii jako Pluto, proto byl jejich objev již několikrát ohlašován jako objev desáté planety. Astronomové se však naopak přiklonili k názoru, že Pluto má stejné vlastnosti jako ledové planetky. Vzhledem k velikosti Pluta jej označují od roku 2006 za trpasličí planetu. Pluto obíhá Slunce 40krát dále než Země. Jeho průměr je 2 300 km. Největším měsícem je Charon. K Plutu odstartovala začátkem roku 2006 sonda, která k němu doletí až v roce 2011. Malými tělesy ve sluneční soustavě jsou také komety. Jsou to tělesa, která se pohybují po silně protáhlých trajektoriích kolem Slunce. Jejich materiál po přiblížení ke Slunci intenzivně sublimuje a vytváří plynný obal zvaný koma. Od komety se táhne do velké dálky proud prachu a částic nazývaný ohon. Ohon komety je nejvýraznějším poznávacím znakem komety a může i za název tohoto astronomického tělesa. Pluto se pohybuje kolem Slunce po eliptické trajektorii, která je protáhlejší než trajektorie planet. Během svého 250letého oběhu se na 20 let dostává dokonce blíže ke Slunci než Neptun. Kolem Pluta obíhají tři měsíce. iontový ohon prachový ohon jádro koma trajektorie komety Slunce části komety 107 Eris a Dysnomia – kresba Zatím poslední větší těleso za Neptunem bylo objeveno v roce 2003. Bylo pojmenováno Eris a kolem něj obíhá měsíc Dysnomia. Eris je větší než Pluto a řadíme jej stejně jako Pluto a Ceres mezi trpasličí planety. Jméno kometa pochází z řeckého slova kométes (dlouhovlasý). V češtině se dříve používal název vlasatice, někdy také ohonice. ASTRONOMIE Proč se vytváří ohon jen u komet? Jméno Pluto vymyslela 11letá anglická školačka Venetia Burneyová [venýša bárnyjová]. Pojmenovala ho podle římského vládce podsvětí. Jeho řeckým protějškem byl Hádes. Měsíc Charon je pojmenován podle převozníka duší zemřelých. Látky, které sublimací vytvářejí komu a ohon komety, jsou suchý led (CO2 ) a led (H2O). Při sublimaci se do okolí komety do všech stran uvolňují i prachové částice, molekuly, atomy, ionty, … Tak si představujeme jádro komety Tempel 1. Aby k sublimaci došlo, musí se těleso dostat blíže ke Slunci než na vzdálenost Jupiteru. Malá tělesa, která jsou v této oblasti trvale, už veškerý led a suchý led ztratila. Ohon se proto může vytvořit jen u těles, která se do blízkosti Slunce dostávají z velkých vzdáleností. Nejznámější kometou je Halleyova kometa, která se ke Slunci vrací s periodou 76 let. Příští návrat se uskuteční v roce 2072. Halleyova kometa ztratí v blízkosti Slunce každou sekundu asi 5 tun prachu a 15 tun plynu. Za celý oblet ztratí přibližně miliardu tun materiálu, tedy asi 0,5 % své hmotnosti. Na ionty a jiné nabité částice působí elektrickou silou nabité částice proudící ze Slunce ve formě slunečního větru. Proto se nabité částice mohou vyskytovat jen „v úkrytu“ za kometou. Vytvářejí tak úzký a velmi dlouhý iontový ohon. Prachové částice a jiné nenabité částice jsou těžší a působí na ně menší síla slunečního záření. Vytvářejí proto „tlustější“ prachový ohon, který může být mírně zahnutý podobně jako dým z komína. Čím rychleji kometa kolem Slunce letí, tím je zakřivení větší. Kometa při průletu kolem Slunce ztratí mnoho tun materiálu. Na jejím povrchu zůstane jen šedý a černý povlak prachových částic a kousků hornin. Sublimace pak při dalším průletu probíhá jen z hlubokých průduchů. Proto komety astronomové připodobují k velmi špinavým sněhovým koulím. snímek komety Hale-Bopp z roku 1997 Některé planetky jsou podobně jako komety ledová tělesa. Jestliže taková planetka obíhá za Neptunem, jak víme, že to není kometa? U ledových těles obíhajících za Jupiterem skutečně nelze rozhodnout, zda jde o planetku či o kometu. Zatím je řadíme mezi planetky, ale v budoucnu (pokud se přiblíží ke Slunci a vyvinou komu a ohon) se mohou stát kometami. Jedno takové těleso už dokonce známe. Chiron byl objeven jako planetka a po objevu známek komy byl zařazen i mezi komety. Komety, jejichž perioda návratu ke Slunci je kratší než 200 let, označujeme jako krátkoperiodické. Ostatní komety jsou dlouhoperiodické. 108 Planetka Chiron je zároveň kometou. ASTRONOMIE Shrnutí Malými tělesy sluneční soustavy jsou planetky, komety a trpasličí planety. Nejvíce známých planetek obíhá mezi Marsem a Jupiterem. Některé další se přibližují k trajektorii Země. Jiné nacházíme za Neptunem. Komety jsou ledová tělesa, která se pohybují kolem Slunce po protáhlých trajektoriích. Po přiblížení ke Slunci se obklopí komou a vyvinou ohon. Pluto je trpasličí planeta, svými vlastnostmi je podobná planetkám. Komety přinesly na Zemi pravděpodobně v začátku existence planety velké množství vody a možná i organických látek, z nichž pak vznikl život. Otázky a úkoly 1 Komety se pojmenovávají jmény svých objevitelů. Najdi jména českých objevitelů komet. 2 Najdi na internetu poloměr Charonu a Pluta a spočti poměr jejich poloměrů. Pak proveď totéž pro Měsíc, Ganyméd a Titan a planety, kolem nichž obíhají. Urči, který z uvedených měsíců je vůči svému tělesu největší. Pluto a Charon na snímku z Hubblova teleskopu Keplerovy zákony Jak dlouho jsou známy vzdálenosti planet od Slunce? a) z doby starověkého Řecka, tedy asi 2 500 let; b) zhruba 1 000 let; c) méně než 400 let. Venuše 0,72 AU Mars 1,5 AU Saturn 9,5 AU Neptun 30 AU Slunce Merkur 0,39 AU Země 1 AU Jupiter 5,2 AU Některé komety spadnou do Slunce. Česky jim říkáme lízači. Uran 19 AU Na konci 16. století astronomové hledali, jak je uspořádána sluneční soustava. Vedle sebe existovaly geocentrická a heliocentrická představa. Přitom heliocentrická představa odporovala církevním názorům o výjimečnosti Země. K prověření obou hypotéz byla nutná přesná astronomická pozorování. Nejpřesnější pozorování v té době prováděl dánský astronom Tycho Brahe, který si nechal vyrobit několikametrové přístroje. Při pozorování jedné komety zjistil díky spolupráci s českým astronomem Tadeášem Hájkem z Hájku, že kometa volně procházela mezi planetami, tedy tam, kde měly být pevné sféry. S novým dánským králem se Tycho Brahe nepohodl, opustil Dánsko a cestoval po Evropě. Tadeáš Hájek, který nebyl jen skvělým astronomem, ale také výtečným botanikem a osobním lékařem císaře Rudolfa II., zařídil pozvání Tychona Ve filmu Pekařův císař Tycho Brahe poté, co obdržel nesprávnou čočku, ukazuje na sklenicích s vínem svoji představu uspořádání Brahe do Prahy. vesmíru. Zamíchá přitom sklenice tak, že nikdo neví, ve které je jed určený pro císaře. 109 Dnes víme, že ani Země, ani Slunce, ani naše Galaxie nejsou středem vesmíru. Je dokonce velmi pravděpodobné, že náš vesmír vůbec žádný střed nemá. Lékařství na přelomu 16. a 17. století vyžadovalo znalosti léčivých účinků rostlin, ale také znalost postavení planet na obloze, aby lékař mohl aplikovat léčebné postupy (zejména přikládání pijavic a pouštění žilou) ve vhodnou dobu. Proto byl Tadeáš Hájek z Hájku lékařem, astronomem a botanikem. ASTRONOMIE Slovo perihélium pochází z řeckých slov peri (poblíž) a hélios (Slunce). Slovo afélium pochází ze slov apo (pryč) a hélios (Slunce). O několik let později přijel do Prahy také Johannes Kepler, který byl výborným matematikem a toužil vysvětlit uspořádání vesmíru. Pro ověření svých hypotéz potřeboval co nejlepší pozorované astronomické údaje, tedy hodnoty Tychona Brahe. Výsledkem intenzivních Keplerových výpočtů byly zákony popisující pohyby planet, dnes nazývané Keplerovy zákony. Ve prospěch heliocentrické představy se definitivně rozhodlo díky Isaaku Newtonovi a jeho gravitačnímu zákonu. 1. Keplerův zákon: Planety se pohybují po elipsách (málo odlišných od kružnic). V jejich společném ohnisku je Slunce. Johannes Kepler (1571–1630), Zkratka pro astronomickou jednotku pochází z anglického názvu astronomical unit [astronomikl júnit]. významný astronom, který První Keplerův zákon zformuloval zákony pohybu popisuje tvar trajektorií planet. V letech 1600–1612 pobýval v Praze. planet. Po elipsách a se kolem Slunce pohybují nejen planety, ale také planetky a většina komet. Průsečíky spojnice A S F P středu elipsy S s ohniskem F (Slunce) s elipsou jsou dva. Když těleso prochází bodem P, je nejblíže Slunci. Tento bod nazýváme přísluní, perihélium. Naopak nejvzdálenější bod od Slunce A je odsluní, afélium. Vzdálenost AS = PS = a nazýváme velká poloosa elipsy. Čím je elipsa méně podobná kružnici, tím leží ohnisko dále od středu elipsy, elipsa je protáhlejší. Po protáhlých elipsách se pohybují komety. 2. Keplerův zákon se obvykle formuluje takto: „Plochy opsané průvodičem za stejné doby jsou shodné.“ Průvodičem se rozumí spojnice obíhajícího tělesa a Slunce. Vzdálenosti ve sluneční soustavě jsou příliš velké na to, abychom je vyjadřovali v metrech nebo v kilometrech. Používáme proto větší jednotku – astronomickou jednotku AU. Je rovna velké poloose trajektorie Země: 1AU = 149 600 000 km. S1 = S2 2. Keplerův zákon se týká rychlosti planety obíhající Slunce po elipse. Ze zákona vyplývá: Čím blíže je planeta u Slunce, tím rychleji se pohybuje. Největší rychlost má planeta v přísluní, nejmenší v odsluní. Mezi rychlostí vp v přísluní a rychlostí vo vp v odsluní platí: vp · rp = vo · ro . 3. Keplerův zákon platí podobně také pro měsíce a družice planet i pro pohyb planet kolem jiných hvězd. Ve vzorci se objeví navíc M Sluncí – číselná hodnota hmotnosti obíhaného tělesa v hmotnostech Slunce: 3 aAU = Trok2 ⋅ M Sluncí . Vzdálenost planety v přísluní je rp, vzdálenost v odsluní je ro. Druhý Keplerův zákon platí nejen pro planety, ale také pro planetky a komety, a dokonce i pro měsíce. F A vo ro rp P 3. Keplerův zákon objevil Kepler později než první dva. To už nebyl v Praze, ale v Linci. Třetí Keplerův zákon udává vztah mezi velikostí velké poloosy elipsy a periodou oběhu tělesa kolem Slunce. Označíme-li aAU číselnou hodnotu velké poloosy planety (planetky, komety) v astronomických jednotkách a Trok číselnou hodnotu periody oběhu tělesa kolem Slunce v rocích, platí: 3 2 aAU = Trok . 110 ASTRONOMIE Perioda oběhu Jupiteru kolem Slunce je 12 let. Jaká je velká poloosa jeho trajektorie? Ze zadání vyplývá, že Trok = 12. Tuto hodnotu umocníme na druhou a pak najdeme třetí odmocninu výsledku. Zjistíme, že aAU = 5,2. Velká poloosa Jupiterovy trajektorie je 5,2 AU. V Keplerově době byly známy vzdálenosti planet v astronomických jednotkách, nebyla však ještě známa hodnota astronomické jednotky, tedy skutečné vzdálenosti Země od Slunce. Tu určili až o více než 50 let později, v roce 1672, francouzští astronomové z pozorování Marsu z velmi vzdálených míst na Zemi (Francie a Francouzská Guyana na severovýchodním pobřeží Jižní Ameriky). Shrnutí Keplerovy zákony popisují pohyb planet kolem Slunce. Platí i pro planetky a komety. 1. Keplerův zákon: Planety se pohybují po elipsách málo odlišných od kružnic. V jejich společném ohnisku je Slunce. Ze 2. Keplerova zákona vyplývá: Čím blíže je planeta u Slunce, tím rychleji se pohybuje. 3 2 3. Keplerův zákon: aAU , kde aAU je číselná hodnota velké poloosy planety = Trok v astronomických jednotkách a Trok číselná hodnota periody oběhu tělesa kolem Slunce v rocích. Otázky a úkoly Přesnou hodnotu astronomické jednotky dnes známe například díky radarovým a laserovým měřením vzdálenosti Měsíce od Země. Při měřeních se využívá koutových odražečů, které na Měsíci umístili astronauti z projektu Apollo. Jiná metoda byla využita při přechodu Venuše přes sluneční kotouč 8. června 2004. Z měření téměř 3 000 pozorovatelů po celém světě byla určena její hodnota s výtečnou přesností 10 000 km. Na projektu se podílelo mnoho studentů škol, velmi početně byly zastoupeny české školy. 1 Saturn obíhá 10krát dále od Slunce než Země. Jaká je velká poloosa jeho dráhy v astronomických jednotkách a v kilometrech? 2 Halleyova kometa během oběhu kolem Slunce mění svoji vzdálenost mezi 0,6 AU km a 35 AU. V přísluní se pohybuje rychlostí 55 . Jakou rychlostí se pohybuje s v odsluní? 3 Pluto oběhne kolem Slunce za 250 let. Jaká je velká poloosa jeho trajektorie? Vznik a vývoj hvězd Koutový odražeč je soustava zrcadel, která vždy vrací paprsek do místa, ze kterého byl vyslán. Lidé si dlouho mysleli, že se hvězdy vůbec nemění. Zdálo se, že jsou neustále na stejných místech oblohy zdánlivě se otáčející kolem Země a že den za dnem a rok za rokem vypadá hvězdná obloha pořád stejně. Teprve po dlouhodobých pozorováních trvajících stovky a tisíce let se ukázalo, že i u hvězd dochází ke změnám. Na obloze se čas od času objevila „nová“ hvězda, u některých hvězd byly pozorovány změny jasnosti. Ovšem jak se hvězdy vyvíjejí a proč se na obloze objevují „nové“ hvězdy, to zjistili astronomové až v minulém století. Při vzplanutí supernovy dojde k obrovskému zjasnění hvězdy a k odvržení vnějších vrstev hvězdy rychlostí asi 10 000 kilometrů za sekundu. „Novou“ hvězdu, kterou pozoroval Kepler v roce 1604 v souhvězdí Hadonoše, dnes sledujeme jako rozpínající se obláček. Dnes takové „nové“ hvězdy označujeme jako supernovy. 111 ASTRONOMIE I když ke stlačení mračna může dojít několika způsoby, nejčastějším je vzplanutí supernovy v sousedství mračna, protože odvržená obálka se pohybuje vysokou rychlostí a mračno snadno stlačí. Hvězdy vznikají z prachoplynných mračen. Ta zaujímají ohromné oblasti mezihvězdného prostoru a vyznačují se tím, že je v nich hustota plynu a prachu větší než v okolí. Přesto je ale hustota prachoplynných mračen mnohonásobně nižší než hustota vzduchu. Takové mračno nemění svůj tvar, protože gravitační síla, která má snahu mračno smrštit, je v rovnováze s tlakovou silou plynu, která má snahu mračno rozptýlit. zárodky budoucích hvězd – globule Jak z mračna mohou vzniknout hvězdy? Aby v mračnu mohlo dojít k zahuštění a vzniku hvězd, musí na mračno působit nějaká vnější síla. Touto silou je obvykle tlaková síla jiného, rychle se pohybujícího plynu, která mračno stlačí. Ve stlačovaném prachoplynném mračnu vznikají zárodky budoucích hvězd, globule. Je-li hmotnost globule menší než 8 % hmotnosti Slunce, nedosáhne při stlačování teplota v centrálních oblastech dostatečně vysoké hodnoty energie pro zahájení termonukleárních reakcí. Z takto malých globulí proto nemohou vzniknout hvězdy. Protože vznikne malý objekt, který nesvítí, ale jen vyzařuje tepelné (infračervené) záření, nazývají se tyto objekty hnědí trpaslíci. Globule se neustále smršťuje. Přitom se zmenšuje polohová gravitační energie a zvyšuje pohybová energie atomů plynu. Postupně se začne zvyšovat teplota v celé globuli, nejvíce v centrálních oblastech. Když tato teplota dosáhne několika milionů stupňů, začnou zde probíhat termonukleární reakce. Při nich se jádra vodíku (protony) slučují do přibližně 4krát hmotnějších jader helia. Z kapitoly Jaderné síly už víme, že hmotnost jádra helia je o trochu menší než hmotnost čtyř protonů. Část hmotnosti se při termonukleární reakci uvolní ve formě elektromagnetického záření. Z globule vzniká zářící hvězda. Již víte, že nejčastější termonukleární reakce přeměňující protony na jádra helia se označují jako proton-protonový cyklus. 1 1 H 2 1 H 3 2 ν 1 1 H He 1 1 H 1 1 H γ 4 2 γ 1 1 H 1 1 H ν 1 1 H 1 1 H He 3 2 2 1 H He proton γ foton neutron ν neutrino pozitron Při proton-protonovém cyklu do reakcí vstupuje 6 protonů a vystupuje jádro helia a 2 protony. Při vzniku jednoho jádra helia se uvolní energie 4,3 pJ (=· 27 MeV), kterou odnášejí hlavně fotony a neutrina. 112 ASTRONOMIE Jak víme, co probíhá uvnitř hvězdy, když do jejího nitra není skrz neprůhledné povrchové vrstvy vidět a ani žádná sonda by nepřežila podmínky, které v nitrech hvězd jsou? Abychom poznali, co se děje uvnitř hvězd, sestavují astronomové rovnice vycházející z fyzikálních zákonů. Tyto rovnice popisují průběh hustoty, tlaku a teploty v různých vzdálenostech mezi středem a povrchem hvězdy. Výsledky takových výpočtů pak astronomové porovnávají s pozorovaným chováním hvězd. Takový postup se označuje jako vytváření modelů hvězd. 10 000 °C 8 000 °C Vega – pohled na pól hvězdy Slunce Vega – pohled na rovník hvězdy Pohled na Slunce a na Vegu. V obou hvězdách se přeměňuje vodík na helium. Poloměr Vegy je 3krát větší a Vega je 3krát hmotnější a 50krát zářivější. Také její povrchová teplota je větší (asi 10 000 °C). Vegu vidíme tak, jak je na horním obrázku. Rotuje rychleji než Slunce, a proto je mírně zploštělá. Naše Slunce se nachází v této fázi života hvězdy již 4,6 miliardy let a je přibližně uprostřed tohoto období. Doba života hvězdy závisí na hmotnosti. Čím má hvězda větší hmotnost, tím má v centrální oblasti větší teplotu a tím více vyzařuje. Tak se stane, že hmotnější hvězdy žijí kratší dobu. Jaký je další vývoj hvězdy? H H H, He struktura hvězdy při přeměně vodíku na helium V centrálních oblastech hvězd vzniká při termonukleárních reakcích rentgenové a gama záření. Energie fotonů je mnohem větší než energie fotonů ve viditelném oboru, na které máme přizpůsobený zrak. Jak fotony postupují z centrálních oblastí k povrchu hvězdy, část energie předávají okolí, a tím se z rentgenového záření stává ultrafialové a viditelné. Přitom ohřívají hvězdu a zároveň zastavují její smršťování. Gravitační síla je tedy v rovnováze s tlakovou silou plazmatu a fotonů. Hvězda v tomto stabilním stadiu setrvává nejdelší část svého života. oblast termonukleárních reakcí oblast záření Zařízení pro záchyt neutrin Amanda v Antarktidě obsahuje jednotlivé detektory umístěné v 2km hloubce. oblast proudění struktura Slunce Během termonukleárních reakcí přeměňujících vodík na helium se uprostřed hvězdy zvětšuje vrstva helia. Slupka, v níž se vodík přeměňuje na helium, se pomalu stěhuje dál od středu hvězdy. V heliHe ovém jádře hvězdy nevzniká záření, a tak proti gravitační síle působí jen tlaková síla plynu. Jádro hvězdy se proto smršťuje, He, C, O dokud se v něm teplota nezvýší asi na sto milionů stupňů. Pak začne probíhat další termonukleární reakce: jádra helia se začnou přeměňovat na jádra uhlíku a kyslíku. Tato reakce probíhá bouřlivěji než přeměna vodíku na helium. Zvětší se počet fotonů i jejich tlaková síla, překoná gravitační sílu a hvězda se mnohonásobně zvětší. Tato fáze vývoje hvězdy se proto nazývá obr. H, He struktura hvězdy – mladého obra Díky zákonům zachování bylo zjištěno, že při proton-protonovém cyklu vyletují z hvězd nejen fotony, ale také další, lehké neutrální částice, které byly nazvány neutrina („maličké neutrony“). Později byla skutečně objevena. Neutrina hladce pronikají hmotou Slunce a Země, a tak se k jejich detekci musejí budovat veliká zařízení, která jsou většinou pod zemí. Pomocí těchto zařízení bylo dokázáno, že model Slunce správně předpovídá i počet uvolněných neutrin. 113 Tlak plynu je způsoben vzájemnými srážkami atomů či molekul plynu. Podobně vzniká i tlak fotonů neboli tlak záření. ASTRONOMIE Železo v centrální oblasti starých hvězd má sice přibližně kulový tvar, ale nevypadá stejně jako například náčiní k vrhu koulí v atletice. V nitru hvězdy je železo podobně jako jiné prvky silně ionizované, elektronový obal obsahuje mnohem méně elektronů než jádro železa protonů. Ostatní elektrony se pohybují mezi jádry železa. Už víme, že takové skupenství nazýváme plazma. Ve fázi obra se postupně v jádře hvězdy rozbíhají další a další termonukleární reakce. Hvězda v této fázi často mění své rozměry. Při termonukleárních reakcích se přeměňují lehčí jádra na těžší. Poslední prvek, při jehož vzniku se ve hvězdě uvolňuje energie, je železo. Proto mají staří obři uprostřed železné jádro. Jaká je struktura hvězdy ve fázi obra? H V nitru hvězdy ve fázi obra probíhají najednou různé termonukleární reakce. Proto se ve hvězdě vyskytují různé chemické prvky. Těžší prvky jsou blíže u středu hvězdy, lehčí dále. Na pomezí jednotlivých vrstev probíhají termonukleární reakce. H, He He, C, O C, O, Si Si, Fe velikost hvězdy průměr trajektorie Země Fe průměr trajektorie Jupitera struktura hvězdy – starého obra Hvězda Betelgeuze [ibtaldžauzá] v souhvězdí Orion je obrem. Shrnutí Hvězdy vznikají z prachoplynných mračen. Zahuštěním části mračna vnější silou vznikne globule, z té se pak gravitačním smrštěním vyvine hvězda. Zdrojem energie hvězd jsou termonukleární reakce v jejich nitrech. Nejdéle svítí hvězda při přeměně vodíku na helium. Při dalších reakcích uvnitř hvězdy se hvězda výrazně zvětší. V této fázi vývoje říkáme hvězdě obr. Otázky a úkoly Struktura obrů s jednotlivými vrstvami připomíná strukturu cibule, proto také říkáme, že obři mají cibulovou strukturu. 1 Připomeň si jednotlivé fáze vývoje hvězdy a u každé fáze uveď, která síla je v rovnováze s gravitační silou. 2 Doby trvání jednotlivých fází vývoje Slunce jsou: doba záření vyvolaného přeměnou vodíku na helium 10 miliard let, doba záření vyvolaného dalšími termonukleárnimi reakcemi (fáze obra) 1,6 miliardy let. Přirovnej vývoj zářícího Slunce k životu člověka (76 let) a vypočti, jak starý by byl člověk, kdyby byl ve stejné fázi vývoje jako v současné době Slunce. Zánik hvězd Trpaslíci se zcela běžně vyskytují v pohádkách. Vzpomeneš si na jména trpaslíků z pohádky O Sněhurce? Bílý trpaslík, neutronová hvězda a černá díra. Pojmy, které v astronomii zdomácněly v minulém století. Přitom mohly být známy již dříve, jenže svět nebral ani v tomto ohledu vážně českého velikána Járu Cimrmana. Aby se český vynálezce pojistil proti zapomnění, vtělil do své divadelní hry upozornění: „A nejhorší ze všeho jsou trpaslíci!“ Tento výrok znamená, že jako trpaslíci končí svůj život hvězdy s nejmenší hmotností. Kde jen svět mohl být, kdyby dal na českého génia! Zánik hvězd není pro všechny hvězdy stejný. Rozhodující pro způsob zániku hvězdy je její hmotnost. 114 Bílý trpaslík má hmotnost přibližně stejnou jako Slunce, ale je mnohem menší, asi jako Země. Proto je jeho průměrná hustota milionkrát větší než průměrná hustota Slunce. Litr látky bílého trpaslíka by vážil více než tisíc tun! ASTRONOMIE Hvězda může skončit jako bílý trpaslík, jako neutronová hvězda, či jako černá díra. Jak ale hvězda – obr – zaniká? V závěru vývoje obra se v centru zvětšuje železné jádro hvězdy. Oblasti termonukleárních reakcí se přesouvají blíže k povrchu, do oblastí s nižší teplotou. Dochází proto časem ke zmenšení množství vyzařovaných fotonů a poklesu tlakové síly fotonů. Tím se poruší rovnováha a dojde ke gravitačnímu smršťování hvězdy. Jak probíhá tato fáze u nejméně hmotných hvězd? U hvězd, které mají hmotnost menší nebo přibližně stejnou jako Slunce, gravitační smršťování zmenší prostor elektronových obalů atomů. Protože elektrony se podobně jako lidé v tramvaji či autobusu brání omezování „životního prostoru“, působí proti smršťování silou, až jej zastaví. Vznikne bílý trpaslík – malá hvězda, která zpočátku hodně září (proto „bílý“ trpaslík), ale postupně vyhasíná, protože v ní neprobíhají termonukleární reakce. Postupně se z bílého trpaslíka stane nezářivý černý trpaslík. Prstencovou mlhovinu, kterou pozorujeme v souhvězdí Lyry, osvětluje bílý trpaslík. Proč nekončí všechny hvězdy jako bílí trpaslíci? Je-li hmotnost obra výrazněji větší než hmotnost Slunce, je gravitační síla smršťující hvězdu tak velká, že překoná odpudivou sílu záření osa rotace mezi elektrony, která zastavila smršťování u bílého trpaslíka. Elektrony jsou zatlačeny do jader, jádra jsou stlačena těsně vedle sebe. neutronová Přitažlivá elektrická síla mezi kladným protohvězda nem a záporným elektronem přitáhne částice k sobě. Dojde k reakci, při níž z každé dvojice protonu a elektronu vznikne neutron. magnetické indukční čáry Protože jádra jsou nahuštěna těsně vedle sebe, vznikne vlastně jedno obří atomové záření jádro tvořené jen neutrony. Také neutrony se brání stlačování (jen odpudivá síla je mnohem větší než odpudivá síla mezi pevná Magnetické pole neutronové hvězdy má většinou jiný směr elektrony). než osa rotace. Záření vychází ve směru magnetických kůra indukčních čar. Proto neutronové hvězdy fungují jako Odpudivá síla majáčky a pozorovateli se zdá, že blikají. Takovým mezi neutrony neutronovým hvězdám říkáme pulsary. vyrovná gravitační sílu a zastaví smršťování. Taková hvězda se nazývá neutronová hvězda. Neutronová hvězda stejně jako bílý trpaslík nejdříve hodně září. Nepohlcuje-li hmotu ze svého okolí, kapalné postupně vyhasíná. nitro struktura neutronové hvězdy 115 Nejznámější bílý trpaslík je Sirius B, malý průvodce velmi jasné hvězdy Sirius, kterou můžeme pozorovat v souhvězdí Velký pes. Ve fázi obra hvězda ztratí významnou část své hmotnosti odvržením do okolí. Když z obra vznikne bílý trpaslík, osvětluje silně plyn v okolí. Ze Země pak můžeme v okolí bílých trpaslíků pozorovat tzv. planetární mlhoviny. Jedna z nejhezčích je Kočičí oko, jejíž obrázek nás provází jako ikona celou astronomií, nebo Prstencová mlhovina. Neutronové hvězdy se velmi rychle otáčejí kolem své osy. Podobně se krasobruslařka při piruetě roztočí rychleji, když ruce přitiskne k tělu. U neutronových hvězd způsobí veliká změna poloměru obrovskou změnu periody otáčení, a tak se 20kilometrová hvězda otočí kolem své osy i tisíckrát za sekundu. Také magnetické pole se podobně zesílí. Proto jsou neutronovými hvězdami takové exotické objekty jako pulsary nebo magnetary. Najdi na internetu, čím se vyznačují tyto zvláštní hvězdy. ASTRONOMIE Neutronová hvězda vzniká ze starého obra výbuchem supernovy. Při výbuchu je do okolí odvržena většina hmoty obra obrovskou rychlostí asi 10 000 kilometrů za sekundu. Zbytek hmoty se smrští a vytvoří neutronovou hvězdu. Hvězda má hmotnost dvojnásobnou než Slunce a její poloměr je 850 000 km. Vypočti poloměr neutronové hvězdy se stejnou hmotností na základě poznatku, že poloměr atomového jádra je roven stotisícině poloměru atomu. Kolikrát je průměrná hustota neutronové hvězdy větší než průměrná hustota Slunce? Urči hmotnost 1 mm3 kg neutronové hvězdy ze znalosti průměrné hustoty Slunce 1 400 3 . m Hvězdy s ještě větší hmotností (přibližně 40krát větší než hmotnost Slunce) neskončí jako neutronové hvězdy. Jejich gravitační síla překoná vzájemnou odpudivou sílu neutronů. Hvězda se zcela zhroutí a vznikne černá díra. Jak souvisí název černá díra s vlastnostmi zhroucené hvězdy? Gravitační pole černé díry je tak silné, že pohlcuje veškerá tělesa z okolí. Pohlcuje dokonce i světlo. Z černé díry nemůže nic vylétnout, a to ani světlo. Proto nemůžeme černou díru vidět. Krabí mlhovina je rozpínající se obálkou po výbuchu supernovy. Výbuch pozorovali lidé 4. července 1054. Neutronové hvězdy ztratí ve fázi obra a při výbuchu supernovy většinu své hmotnosti, a tak hmotnost žádné neutronové hvězdy nepřevyšuje trojnásobek hmotnosti Slunce. Shrnutí Hvězdy s hmotností menší nebo přibližně stejnou jako Slunce končí jako bílí trpaslíci, malé, velmi zářivé hvězdy. Hvězdy s hmotností několikrát větší než Slunce končí jako neutronové hvězdy. Nejhmotnější hvězdy končí jako černé díry. Otázky a úkoly 1 Kolikrát větší hustotu mají neutronové hvězdy než bílí trpaslíci? Potřebné údaje najdi v této kapitole. 2 Zjisti na internetu nebo v encyklopedii, proč se mlhoviny obklopující bílé trpaslíky nazývají planetární. Galaxie Charles Messier [šárl mesijé] (1730–1817), francouzský astronom Pokud se v okolí černé díry nachází dostatek hmoty, krouží tato hmota po spirále směrem k černé díře, zahřívá se a vyzařuje rentgenové záření. Díky němu můžeme černou díru odhalit, i když ji nemůžeme vidět. Francouzský astronom Charles Messier se zabýval hledáním komet. Ty však při větší vzdálenosti od Slunce v dalekohledu vypadají jako rozmazané hvězdičky. V dalekohledu nacházel i objekty, které vypadaly podobně jako komety, ale mezi hvězdami se nepohybovaly. Rozhodl se proto vytvořit katalog takových mlhavých objektů. Tak vznikl slavný Messierův katalog obsahující více než 100 galaxií, mlhovin a hvězdokup. Jednotlivé objekty jsou označeny velkým písmenem M a pořadovým číslem. kompletní Messierův katalog 116 ASTRONOMIE Osamocené hvězdy jsou ve vesmíru velmi vzácné. Nejčastěji jsou hvězdy seskupeny v ohromných galaxiích – gravitačně vázaných objektech obsahujících miliony až biliony hvězd, mezihvězdný plyn a prach. Kdybychom na galaxii pohlédli dostatečně silným dalekohledem, rozlišili bychom v ní jednotlivé hvězdy. Slunce je součástí galaxie, která se jmenuje Galaxie. Podle tvaru rozlišujeme galaxie eliptické, spirální a nepravidelné. Eliptické galaxie vypadají v dalekohledu jako mlhavé obláčky tvaru elips nebo kruhů. V okolí Galaxie pozorujeme nejčastěji eliptické galaxie menších rozměrů, obsahující několik milionů hvězd. Eliptickou galaxií je však rovněž jedna z největších známých galaxií (obrázek vpravo). Malou eliptickou galaxii M32 najdeme v souhvězdí Andromedy. Na detailním snímku vidíme jednotlivé hvězdy. Obří eliptická galaxie M87 je v souhvězdí Panny. Naše Galaxie a mnoho dalších kolem ní obíhá. Dlouhý výtrysk hmoty je jedním z důkazů existence černé díry ve středu M87. Spirální galaxie jsou ve srovnání s eliptickými více zploštělé. Jsou to nejčastěji větší objekty, obsahující až biliony hvězd. Tvarem připomínají spíše obří čočky. Jejich centrální oblast může mít kulový či protáhlý tvar. Galaxie s kulovou centrální oblastí nazýváme normální spirální galaxie. Protáhlou centrální oblast mají spirální galaxie s příčkou. Centrální oblast je u obou typů obklopena galaktickým diskem. Hustota hvězd a mezihvězdné hmoty není v disku všude stejná. Místa s větší hustotou se nazývají spirální ramena. spirální galaxie z boku (M104 – Sombrero) V angličtině se naší Galaxii říká Milky Way [milky vej], stejně jako světlému pruhu přes oblohu. V češtině oba astronomické pojmy rozlišujeme. Přesto je v denním tisku a v časopisech často pro naši galaxii nesprávně použit překlad anglického názvu Mléčná dráha. Mléčná dráha a Galaxie však mají mnoho společného. Světlý pruh na obloze je totiž na těch místech, kde se díváme v rovině galaktického disku a kde tedy vidíme mnohem více hvězd než v ostatních směrech. spirální galaxie shora (M100) 117 Jméno Mléčná dráha pochází z řeckých bájí. Podle báje pil Hérakles mateřské mléko Héry, aby se stal nesmrtelným. Při pití část mléka vystříkla a vytvořila Mléčnou dráhu. ASTRONOMIE Fernăo de Magalhăes objevil při své cestě kolem světa v letech 1519–1522 na jižní obloze dvě galaxie, které nazýval obyčejně mračna. Jménem mořeplavce je pojmenoval písař Antonio Pigafetta až po návratu výpravy. Sám Magalhăes zahynul v roce 1521 na Filipínách. Z výpravy, která měla původně 5 lodí a 234 námořníků, se vrátila jen jedna loď se 17 námořníky. normální spirální galaxie (M51) Naše Galaxie je spirální galaxií s příčkou. Má čtyři spirální ramena. Galaxie, které nejsou eliptické ani spirální, označujeme jako nepravidelné galaxie. Patří sem zejména vznikající galaxie, galaxie při srážce a trpasličí (velmi malé) galaxie. V blízkém okolí Galaxie se nachází asi 50 malých nepravidelných galaxií. Některé z nich jsou cupovány gravitační silou naší Galaxie, z jiných Galaxie odsává hvězdy, plyn a prach. Do této skupiny patří zvláště Velké a Malé Magellanovo mračno. galaxie při srážce NGC (The New General Catalogue) je Nový všeobecný katalog. Obsahuje skoro 8 000 mlhovin, hvězdokup a galaxií. spirální galaxie s příčkou (NGC 1300) Velké (vlevo) a Malé (vpravo) Magellanovo mračno trpasličí galaxie ve Střelci Jaké znáš jednotky délky? Která jednotka délky se hodí pro vzdálenosti ve sluneční soustavě? Jak je velká? Pro velikosti galaxií a vzdálenosti hvězd a galaxií jsou malými jednotkami nejen metr a kilometr, ale také astronomická jednotka. Proto astronomové používají jiné jednotky. Nejznámější jednotkou vzdálenosti je světelný rok. Je to vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za jeden rok. Vypočti, kolik kilometrů měří světelný rok. Světlo urazí za sekundu 300 000 km. Protože rok má 365 · 24 · 3 600 sekund, urazí světlo za rok vzdálenost 365 · 24 · 3 600 · 300 000 km = 9 460 000 000 000 km. Platí: 1 světelný rok = 9 460 000 000 000 km. Znáš nějakou píseň, v níž je chybně považován světelný rok za jednotku času? 118 ASTRONOMIE Světelný rok je jednotka vhodná pro vzdálenosti hvězd. Nejbližší hvězdy jsou totiž vzdáleny několik světelných let. Astronomové ale někdy používají také jednotky menší: světelný den, světelnou hodinu, světelnou minutu a světelnou sekundu. Jejich vztah ke světelnému roku je stejný jako vztah dne, hodiny, minuty a sekundy k roku. hvězda Proxima Kentaura vzdálenost ve světelných rocích 4,28 Barnardova hvězda 5,94 Sirius 8,65 Vega 26 Parsek je zkratkové slovo složené z počátků slov „paralaxa“ a „sekunda“. Parsek je vzdálenost, ze které je vidět poloměr dráhy Země kolem Slunce pod maliličkým úhlem 1 vteřiny ⎛ 1° ⎞ ⎜1′′ = ⎟. 3 600 ⎠ ⎝ Aldebaran 65 Světlo dolétne ze Země k Měsíci za 1,3 s. Vzdálenost Měsíce od Země je Polárka 690 1,3 světelné sekundy. Ze Slunce letí světlo k Zemi 8,3 minuty. Vzdálenost Země od Slunce je 8,3 světelné minuty. Za jak dlouho doletí světlo ze Slunce k Plutu? Pluto je 40krát dále od Slunce než Země. Pro vzdálenosti galaxií se používá ještě větší jednotka – parsek (značka pc), a zejména její násobky kiloparsek (kpc), megaparsek (Mpc) a gigaparsek (Gpc). Jeden parsek je o něco více než 3 světelné roky (přesněji 1 pc = 3,26 světelného roku). trajektorie Země kolem Slunce paralaxa Slunce hvězda Je pravda, že galaxie nyní nevypadají tak, jak je vidíme? Protože rychlost světla ve vakuu je největší možnou rychlostí ve vesmíru a protože galaxie jsou od nás velmi daleko, nemůžeme mít informaci o tom, jak galaxie vypadají právě teď. To, co vidíme, je podoba galaxií v době, kdy vyzářily světlo, které k nám právě doletělo. Je-li vzdálenost galaxie například 1 Mpc, vidíme ji, jak vypadala před 3,26 miliony let. Podobně Slunce vidíme tak, jak vypadalo před 8,3 minutami, Měsíc vidíme, jak vypadal před 1,3 sekundy. To, že nemůžeme vidět okamžitou podobu galaxií, je sice nepříjemné, ale zároveň je to velmi výhodné! Jenom díky této skutečnosti můžeme vidět, jak vypadaly různé galaxie před miliony a miliardami let. Sledujeme je totiž v různých fázích vývoje, a můžeme proto odvodit, jak probíhá vývoj galaxií. Stejně tak můžeme zčásti zjistit i to, jak se vyvíjel celý vesmír. Shrnutí Hvězdy jsou ve vesmíru většinou soustředěny v galaxiích. Galaxie jsou seskupení hvězd, plynu a prachu. Podle tvaru rozlišujeme eliptické, spirální a nepravidelné galaxie. Naše Galaxie je spirální galaxií s příčkou. Galaxie vidíme tak, jak vypadaly, když vyzářily světlo. Protože se světlo šíří konečnou rychlostí, pozorujeme galaxie v různých fázích vývoje. Pro vzdálenosti hvězd a galaxií používáme v astronomii zvláštní jednotky: světelný rok, parsek a jejich násobky. 119 To, že informaci o nějaké události nemáme okamžitě, známe z běžného života. Když se něco stane v městě vzdáleném 12 kilometrů, může informaci přinést chodec, cyklista, řidič auta, … O události se ale můžeme dozvědět také pomocí mobilního telefonu. Odhadni, s jakým zpožděním se o události dozvíme v jednotlivých případech. ASTRONOMIE Otázky a úkoly 1 Galaxie M64 je vzdálena 19 milionů světelných let. Galaxie M65 je vzdálena 10,7 Mpc. Která z nich je od nás dále? 2 Urči podle obrázků typ jednotlivých galaxií. U spirálních galaxií odhadni, zda mají příčku. M31 Pod vlivem objevů velkého množství nepravidelných galaxií ve velkých vzdálenostech se dnes často dělí galaxie na sférické a diskové. Sférickými jsou eliptické galaxie, mezi diskové patří spirální a nepravidelné galaxie. M59 M100 M109 NGC 1427A Sluneční a hvězdný čas Jak dlouhý je jeden den? Je dlouhý skutečně přesně 24 hodin? Nebo je to 23 hodin 56 minut a 4,09 sekundy? Je možné, že 24 hodin je jen zaokrouhlená hodnota? Stonehenge [stounhenž] a Woodhenge [vúdhenž] – dvě starověké pozorovatelny v Anglii, s jejichž pomocí určovali lidé před několika tisíci let začátky ročních období. V Egyptě se začátky ročních období určovaly pomocí ranních východů hvězd. Situaci, kdy se na ranní obloze před východem slunce objeví Sirius, nazývají astronomové heliakický východ Siria. Základní časové úseky, které si člověk nejdříve uvědomoval, byly postupně den, měsíc a rok, tedy úseky související s pohybem Měsíce a Země. Nejdříve si lidé začali všímat střídání dne a noci. Druhým časovým úsekem byl měsíc. Změna fází Měsíce byla totiž velice výrazným astronomickým jevem, který se nedal přehlédnout. Periody jednoho roku si lidé mohli všimnout až tehdy, když se starověké civilizace posunuly dále od rovníku, tedy do míst, ve kterých jsou zřetelné změny ročních období. Jednalo se zejména o Čínu, ale i v Evropě vznikaly několik tisíc let před naším letopočtem pozorovatelny Slunce, jejichž hlavním cílem bylo určení rovnodenností a slunovratů. Z jiných důvodů byla stanovena délka roku v Egyptě. V Egyptě znali ve starověku tři roční období: období záplav, období setí a období sklizně. Protože záplavy přicházely pravidelně, museli stanovit co nejpřesněji dobu mezi nimi, tedy dobu jednoho roku. Zjistili, že záplavy přicházejí brzy poté, co se na ranní obloze objeví těsně před východem slunce hvězda Sirius. východ slunce v Egyptě 120 ASTRONOMIE Lidem však nestačily tak velké jednotky času. Začali konstruovat různé hodiny pro menší časové úseky: vodní, přesýpací, později kyvadlové hodiny, hodiny s nepokojem až ke dnešním atomovým hodinám. 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 vodní hodiny kyvadlové hodiny nepokoj v hodinkách miniaturní rubidiové atomové hodiny Jedny z prvních hodin byly sluneční hodiny. Jejich hlavní součástí je tyčka vrhající stín na stupnici. Sluneční hodiny mohou mít i další části, například stupnici letního času. Čas, který ukazují sluneční hodiny, je odvozen z pohybu slunce po obloze. Tento čas nazýváme pravý sluneční čas. Odpovídající jednotky času pak označujeme pravé sluneční dny, hodiny, … Najdi na internetu (http://au23.troja.mff.cuni.cz/~mira/sh/sh.php), kde se poblíž tvého bydliště či školy nacházejí sluneční hodiny. Jdi se na ně podívat a zjisti, zda je čas na tvých hodinkách shodný s časem na slunečních hodinách. Tyčka slunečních hodin se nazývá polos a u správně sestrojených slunečních hodin má směr rovnoběžný se zemskou osou. Míří tedy k Polárce. Se svislou rovinou proto svírá úhel rovný rozdílu 90 ° a zeměpisné šířky místa umístění slunečních hodin. V České republice je tento úhel přibližně roven 40 °. Poblíž přísluní se Země nachází začátkem ledna, poblíž odsluní začátkem července. Pravý sluneční den v přísluní je asi o čtvrt minuty delší než v odsluní. jednoduché sluneční hodiny složitější sluneční hodiny Jaké jsou hlavní nevýhody slunečních hodin? Pravé sluneční dny nejsou stejně dlouhé. Země se sice otáčí rovnoměrně kolem své osy, ale kolem Slunce neobíhá stálou rychlostí a ve stejné vzdálenosti. Jev je znázorněn na obrázcích. Země 1 je zakreslena větší, než odpovídá měřítku. Aby byl vliv nerovnoměr2 ného pohybu Země kolem Slunce patrnější, je také elipsa trajektorie Země kolem Slunce zakreslena mnohem protáhlejší než ve skutečnosti. Ve všech čtyřech polohách je na Zemi vyznačen pozorovatel, pro kterého právě nastalo pravé poledne. 4 3 121 Kdybychom nakreslili elipsu, po které obíhá Země kolem Slunce, ve správném měřítku, vypadala by jako na obrázku. Při střední vzdálenosti od Slunce 15 cm by Země byla v přísluní o pouhých 5 mm blíže než v odsluní. ASTRONOMIE Známé rčení k 13. prosinci „Lucie noci upije a dne nepřidá“ je často nesprávně vysvětlováno jako pozůstatek z doby, kdy byl používán juliánský kalendář. Ve skutečnosti souvisí s tím, že používáme střední sluneční čas. V prosinci, kdy se Země blíží k přísluní, jsou pravé sluneční dny delší než v průměru, proto se pravé poledne posouvá z 11.45 (koncem listopadu) postupně na 12.15 (koncem ledna). I když nejkratší bílý den (slunce nad obzorem) je nejčastěji 21. 12., tedy v den zimního slunovratu, je 13. prosinec významný tím, že v tento den slunce nejdříve zapadá. Nejpozdější východ slunce připadá až na počátek ledna. Mezi polohami 1 a 2 Země urazí v souladu s druhým Keplerovým zákonem větší dráhu než mezi polohami 3 a 4. Aby měl pozorovatel v poloze 2 pravé poledne, musí se Země otočit o větší úhel, pravý sluneční den poblíž přísluní trvá déle. Pravý sluneční den není během roku stejně dlouhý, nehodí se proto pro měření času. V praxi používáme střední sluneční čas, který běží rovnoměrně. Střední sluneční den je roven průměrné hodnotě pravých slunečních dnů za celý rok. Sluneční hodiny ukazují pravý sluneční čas, naše hodinky střední sluneční čas. Proto se nemůžeme spolehnout na čas měřený slunečními hodinami. Musíme počítat také s tím, že sluneční hodiny většinou neznají letní čas. Vzhledem k rozdílu mezi pravým a středním slunečním časem ukazují až o čtvrt hodiny jiný čas. Přesně ukazují jen 6. listopadu. 5. dubna, 18. května a 5. října jdou přesně o hodinu pozdě vlivem letního času. Další důvod rozdílu souvisí s používáním pásmového času. Čím jsou hodiny dále od příslušného poledníku, tím je tato chyba větší. Astronomové používají kromě slunečního času také hvězdný čas. Hvězdný den je doba, za kterou se Země otočí kolem osy o 360 °. Je to tedy doba vztažená ke vzdáleným hvězdám. Jaký je vztah mezi hvězdným a slunečním časem? Je delší sluneční den, nebo hvězdný den? Již z obrázku na předchozí straně je jasné, že sluneční den je delší než hvězdný. Země se kvůli ročnímu oběhu kolem Slunce totiž musí každý den ještě trochu pootočit, aby se pozorovatel dostal vůči Slunci do stejné polohy. 1 sluneční den Vypočti, o kolik minut je hvězdný den přibližně kratší než střední sluneční den. 3 hvězdný den 2 Elipsa, po které Země obíhá kolem Slunce, je málo protáhlá. Proto budeme výpočty provádět, jako by Země obíhala kolem Slunce po kružnici. Nejprve vypočteme, jak velký úhel vůči Slunci urazí Země za den. Za 365 dní urazí 360 °. Země urazí každý den úhel přibližně 1 °. Znamená to, že se každý den musí Země dotočit ke Slunci o 1 °. Protože o 360 ° se otočí přibližně za 24 hodiny, otočení o 1 ° bude trvat přibližně 24 24 ⋅ 60 h= min = 4 min. 360 360 Hvězdný den je přibližně o 4 minuty kratší než střední sluneční den. 24 hodin 1 stupeň y ut 4 min Shrnutí Pravý sluneční čas je odvozen ze skutečného pohybu slunce po obloze. Měří se slunečními hodinami a běží nerovnoměrně. Střední sluneční čas plyne rovnoměrně. Používáme ho v běžném životě. Astronomové používají také hvězdný čas, odvozený ze zdánlivého pohybu hvězd po obloze. Hvězdný den je asi o 4 minuty kratší než sluneční den. 122 ASTRONOMIE Otázky a úkoly 1 O kolik sekund je hvězdná hodina kratší než sluneční hodina? 2 Představ si, že rotace Země kolem osy se náhle zbrzdí tak, že ke Slunci bude neustále natočena stejná polovina. Doba oběhu kolem Slunce přitom zůstane stejná. Jak dlouhý by v tomto případě byl sluneční den? Jak dlouhý by byl hvězdný den? Souhvězdí V Etiopii kdysi vládl král Cefeus s královnou Kasiopejou. Kasiopeja se chlubila, že je krásná jako mořské nymfy Néreidy. To se nelíbilo bohu moře Poseidónovi, a proto se rozhodl potrestat celou Etiopii. K jejím břehům poslal mořskou obludu Velrybu, která vše živé ničila. Král byl nešťastný a žádal o radu věštce. Věštba však byla strašlivá: měl přikovat svou jedinou dceru Andromedu na skalnatý útes jako oběť Velrybě. Právě v tuto chvíli se tudy vracel Perseus s useknutou hlavou Medusy. Uviděl přikovanou Andromedu a rozhodl se ji zachránit. Když se Velryba vynořila z moře, ukázal jí hlavu Medusy a Velryba zkameněla. Perseus si vzal Andromedu za ženu. Tento příběh známe také z filmu Souboj titánů. Obluda se zde jmenovala Kraken. Lidé na různých místech na Zemi si stejné skupiny hvězd nazvali různými jmény. Například hvězdy v souhvězdí Velké medvědice známe pod jménem Velký vůz, jinde je znají jako Velkou naběračku, Pluh, Sedm mudrců, Řeznický sekáček, Karlův vůz, Otavu, Pánev, Losa, … Perseus a Andromeda Lidé již od pradávna sledovali noční oblohu. Pro lepší orientaci si výrazné skupiny hvězd pojmenovávali podle předmětů, zvířat, bájných postav a bytostí, … Tak máme na obloze souhvězdí Váhy, Býk, Drak, Pegas, Orion, … Podobně jako slunce a měsíc se také většina souhvězdí pohybuje po obloze od východu k západu. Čím je způsoben pohyb většiny souhvězdí od východu k západu? Pohybují se stejně rychle jako slunce? Pohyb nebeských těles po obloze je způsoben hlavně V našich zeměpisných šířkách se slunce Země rotuje od rotací Země, jde tedy o zdánpohybuje od východu k západu. západu k východu. livý pohyb. Protože Země se otáčí od západu k východu, většina hvězd, slunce i měsíc se na obloze pohybují opačným směrem. Hvězdy oběhnou dokola za hvězdný den, slunce za sluneční den. Hvězdy se proto po obloze pohybují rychleji. Všechny hvězdy jsou od Země velice daleko. Při pohledu na oblohu se člověku zdá, že jsou všechny stejně daleko, jako kdyby byly na vnitřním povrchu obrovské koule. Otáčení Země kolem osy se bude pozorovateli ze Země jevit tak, jako by se celá obloha s hvězdami otáčela kolem Země. 123 Teprve v minulém století se astronomové celosvětově domluvili a názvy sjednotili. Celá obloha byla rozdělena na 88 částí (bez mezer) a od té doby máme na obloze 88 souhvězdí. Souhvězdí mají svá latinská jména a označují se trojicí písmen odvozených z latinského jména. Například UMa je Velká medvědice (Ursa Maior), Per je Perseus, Cyg Labuť (Cygnus). ASTRONOMIE V různých zeměpisných šířkách najdeme Polárku různě vysoko. Nejvýše nad obzorem je na severním pólu, kde je přímo nad hlavou. Naopak na rovníku je na obzoru. Pro výšku Polárky nad obzorem platí jednoduché pravidlo: výška Polárky = zeměpisná šířka. Sedni si na otočnou židli uprostřed místnosti. Roztoč se. Bude se ti zdát, že stěny a zařízení místnosti se kolem tebe otáčí. Která místa v místnosti se vůči tobě nebudou pohybovat? Pohybovat se nebude židle, místo na podlaze pod otočnou židlí ani místo na stropu nad židlí. Z předchozího pokusu je jasné, že stejně jako místa na podlaze a na stropě také místa na ose rotace Země jsou stále v klidu. Říkáme jim světové póly (severní a jižní světový pól). V těsné blízkosti severního světového pólu je hvězda Polárka, dříve nazývaná také Severka. Polárka se nachází neustále na jednom místě oblohy. Najdeme ji vždy nad severním obzorem. Spojnice oka s Polárkou svírá v našich zeměpisných šířkách s vodorovným směrem úhel 50 °. Tomuto úhlu říkáme výška hvězdy. Hvězdy kolem ní se pohybují na obloze po soustředných kružnicích. Hvězdy, které jsou od Polárky na obloze úhlově vzdáleny méně než 50 °, jsou neustále nad obzorem. Nikdy nevycházejí a nezapadají. Souhvězdí skládající se Polárka 5krát Velký vůz a Polárka z těchto hvězd se nazývají severní cirkumpolární souhvězdí. Patří sem Velká medvědice, Malý medvěd, Kasiopeja, … Slovo cirkumpolární znamená „okolo pólu“. Cirkumpolárním souhvězdím se dříve říkalo také obtočnová. Z naší zeměpisné šířky vůbec nemůžeme pozorovat hvězdy do 40 ° od jižního světového pólu. Tvoří jižní cirkumpolární souhvězdí, z nichž nejznámější je Jižní kříž, podle něhož se určuje směr k jihu. Hvězdy se kolem Polárky pohybují po soustředných kružnicích. Fotografie byla pořízena s dobou expozice 1 hodiny. Velká medvědice 124 Malý medvěd Kasiopeja ASTRONOMIE Souhvězdí Jižní kříž je vyobrazeno na vlajkách několika států. Najdi na internetu aspoň dva. jižní světový pól Jižní kříž Mečoun Kentaur Ostatní souhvězdí v našich zeměpisných šířkách vycházejí a zapadají. Protože slunce se po obloze pohybuje pomaleji než hvězdy, postupně se mění hvězdy a souhvězdí, které můžeme vidět po západu slunce. Podle toho, která souhvězdí vidíme nad jižním obzorem večer v určitém ročním období, rozlišujeme souhvězdí jarní, letní, podzimní a zimní. Lev Pegas Panna Trojúhelník a Andromeda Labuť Orion Jižní světový pól neleží u žádné jasné hvězdy. Najdeme jej tak, že delší ze spojnic tvořících Jižní kříž prodloužíme asi 4,5krát. Delfín Býk Podívej se na noční oblohu a podle otáčivé mapy hvězdné oblohy urči alespoň jedno cirkumpolární a jedno jarní souhvězdí. Znáš souhvězdí zvěrokruhu? Vyjmenuj alespoň šest z nich. Zvláštní postavení mezi jarními, letními, podzimními a zimními souhvězdími mají souhvězdí zvěrokruhu. Jsou to souhvězdí, do kterých se během roku postupně promítá slunce. Takových souhvězdí je třináct: Beran, Býk, Blíženci, Rak, Lev, Panna, Váhy, Štír, Hadonoš, Střelec, Kozoroh, Vodnář a Ryby. Jak víme, do kterých souhvězdí se promítá slunce, když jsou souhvězdí vidět jen v noci a slunce naopak ve dne? 125 Souhvězdí netvoří hvězdy ve stejné vzdálenosti od Země. Jsou to jen hvězdy, které se na oblohu promítají vedle sebe. Nemá proto smysl letět na kosmickou výpravu do nějakého souhvězdí. Jak by vypadalo souhvězdí Oriona odjinud, vidíme na následující fotografii prostorového modelu souhvězdí. ASTRONOMIE Had ono š Ští r Vo dn ář Ryby Země 1.2. Země 1.1. Ber Poloha slunce ve znamení zvěroBý kruhu dnes již neodpovídá poloze k slunce v příslušném souhvězdí. Například ve znamení Střelce slunce postupně prochází souhvězdími Vah, Štíra, Hadonoše a Střelce. Le v an Příčinou toho, že poloha slunce v souhvězdí neodpovídá poloze slunce ve znamení, je hlavně pomalé stáčení zemské osy. Osa se do stejné polohy dostane až za 26 000 let. Tento pohyb zemské osy je způsoben gravitačním působením Slunce a nazýváme jej precese. K h oro oz Pan n a Zvěrokruhu se někdy říká také zvířetník. Souhvězdí zvěrokruhu byla známa již v Babylonii. Zde byl pás oblohy, kterým prochází slunce, rozdělen na 12 stejných dílů a souhvězdí v těchto částech oblohy dostala svá jména. Souhvězdí zvěrokruhu byla používána pro astrologické účely: z polohy slunce v souhvězdích v okamžiku narození dítěte byly odvozovány jeho vlastnosti. Ještě dnes se někdy mluví o znameních zvěrokruhu. Střelec hy Vá Rovina, v níž kolem Slunce obíhá Země (a blízko ní i ostatní planety), se nazývá ekliptika. Na obloze je vymezena body, kterými prochází střed slunce. Ve stejném pásu, ve kterém se mezi hvězdami pohybuje slunce, se pohybuje také měsíc a planety. Proto je určení souhvězdí zvěrokruhu jednoduché. Rak Blíženci Shrnutí Země se otáčí kolem osy. Tím se nám zdá, že kolem nás obíhají všechny hvězdy a souhvězdí. Na obloze jsou dva body, které zůstávají vůči nám v klidu: severní a jižní světový pól. Blízko severního světového pólu je hvězda Polárka. Souhvězdí jsou skupiny hvězd na obloze. Nesou jména předmětů, zvířat, bájných postav a bytostí. Rozlišujeme souhvězdí cirkumpolární, jarní, letní, podzimní a zimní. Do souhvězdí zvěrokruhu se postupně během roku promítá slunce. Otázky a úkoly 1 Podle mapy hvězdné oblohy najdi alespoň 4 souhvězdí, do kterých se promítá Mléčná dráha. 2 Zjisti pomocí seznamu souhvězdí v encyklopedii nebo na internetu, zda jsou souhvězdími: žirafa, králík, zajíc, vlk, mečoun, vosa, moucha, doga, labuť, delfín, čáp, kapr, býk, sova, lev, slepice. 126 VÝVOJ FYZIKY Vývoj fyziky Ve starověku byla pouze jediná věda. Zabývali se jí filozofové. Teprve ke konci středověku začaly vznikat samostatné vědy přírodní, později i vědy humanitní. Fyzika je základní přírodní vědou. Stejně jako ostatní vědy prodělala od svého vzniku až do současnosti složitý vývoj. Poznatky fyziky ovlivňovaly názory lidí na přírodu, ale i na společnost. Fyzika odhalovala důležité zákonitosti přírody. Využití nových poznatků v praxi ovlivňovalo i společenský vývoj. Novodobá fyzika začala vznikat v 16. a 17. století. Mezi první významné fyziky patří Galileo Galilei, William Gilbert a Isaac Newton. Galilei se proslavil svým zkoumáním pohybů těles. Jeho jméno je spojeno i s objevem Jupiterových měsíců. Gilbert je považován za zakladatele elektřiny a magnetismu. Největší osobností však byl Isaac Newton. Jeho dílo způsobilo bouřlivý vývoj mechaniky v 18. století. Dodnes používáme tři základní zákony mechaniky označované jeho jménem. Popsal také gravitační přitahování těles. Od Newtona si fyzikální poznání vynucuje rozvoj nových matematických metod. Objev dalekohledu a převratná teorie Mikuláše Koperníka způsobily zcela nové nazírání na postavení naší Země ve sluneční soustavě. Do 18. století pomáhala lidem při práci jen zvířata, vítr a voda. Parní stroje poskytly člověku velké síly a výkony, které nebyly závislé na přírodních podmínkách. Přednosti parních strojů vedly k průmyslové revoluci v 19. století. Proto bývá někdy 19. století označováno stoletím páry. Průmyslová revoluce vyžadovala stále dokonalejší stroje a výrobní postupy. Rozvoj průmyslu si vynucoval další rozvoj fyziky. Zdokonalování parních strojů vyžadovalo přesnější pochopení tepelných jevů. Rozvíjela se termika. Nejen fyzika, ale i astronomie a biologie vyžadovaly stále dokonalejší optické přístroje – dalekohledy, mikroskopy a další. Již ve starověku získávali lidé základní poznatky o neživé přírodě. Odhalili přitom některé jevy a zákonitosti, které dnes řadíme do fyziky. Znali mechanismus páky, využívali nakloněnou rovinu a kladkostroj. Archimédes dokázal určit sílu, která působí na tělesa ponořená v kapalinách. Lidé také využívali rovinná i zakřivená zrcadla. Při výpravách se orientovali podle kompasu. Ve kterém filmu zazněla věta: „Minulou hodinu jsme probírali jednoho z největších básníků století páry, Jana Nerudu.“? Ke kterým důležitým historickým událostem došlo v 19. století? Zpočátku nenápadné fyzikální objevy však vytvořily v průběhu 19. století páře silného konkurenta – elektřinu. Přístroje a zařízení, které využívaly elektrických jevů, postupně nahrazovaly obdobná tepelná zařízení. Elektřina se začala používat k svícení, v dopravě, k pohonu strojů. Ve 20. století se elektřina dostala do každé domácnosti a život bez ní si už nedovedeme představit. Proto se někdy 20. století označuje jako století elektřiny. Poznatky z elektřiny a magnetismu shrnul James Clerk Maxwell a fyzika se zdála být dokončenou vědou. Tvořily ji: mechanika, termika, optika, akustika, elektřina a magnetismus. Tato fyzika bývá dnes označována jako klasická fyzika. 127 VÝVOJ FYZIKY V době národního obrození se objevily pokusy o vytvoření českých názvů pro fyzikální pojmy. Například pro elektřinu se navrhovalo označení mlno či mluno, pro sílu hýbl, fázím Měsíce se říkalo měsíční měny. oblouková lampa Edisonova žárovka Křižíkova tramvaj Na konci devatenáctého století však fyzikové objevili skutečnosti, se kterými si klasická fyzika nevěděla rady. Při vysvětlování Brownova pohybu a jiných jevů se stále více prosazovala atomová a molekulární představa. Byla objevena radioaktivita. Na přelomu 19. a 20. století byl objeven elektron jako první elementární částice. Došlo k objevu rentgenového záření. Klasická fyzika nedovedla vysvětlit stabilitu atomů a molekul, nedokázala odůvodnit radioaktivitu. Nedařilo se jí objasnit původ rentgenového záření, elektron v atomu nemohl podle klasické fyziky existovat. Záhadou bylo i to, proč rychlost světla nezávisí na rychlosti zdroje světla. Také spektrum záření rozžhavených těles nebylo možno uspokojivě vysvětlit na základě zákonů klasické fyziky. Albert Einstein [albert ajnštajn] (1879–1955), německý fyzik Bylo zřejmé, že klasická fyzika neplatí ve světě malých rozměrů a také tam, kde se uplatňují rychlosti srovnatelné s rychlostí světla. Fyzikové začali hledat nové teorie. Začala vznikat moderní fyzika. Fyziku velkých rychlostí vyřešil Albert Einstein. Vytvořená teorie relativity změnila pohled na prostor, čas i hmotnost. Einsteinova teorie vysvětlila i některé zvláštní souvislosti prostoru a času s gravitací velmi hmotných těles (například v okolí neutronových hvězd a černých děr). Všechny důležité předpovědi relativistické fyziky se potvrdily. Ani v současnosti se při použití nejmodernější techniky nezjistily odchylky od výsledků získaných teorií relativity. Luis de Broglie [lui de broli] (1892–1987), francouzský fyzik Zjisti na internetu nebo v encyklopedii, kdy Albert Einstein působil v Praze. Teorie relativity je výchozí teorií pro popis vesmíru. Podařilo se už zjistit, jak se vesmír vyvíjel v minulosti. V současnosti se astronomové pokoušejí předpovědět, jak se vesmír bude vyvíjet v budoucnu. Využívají k tomu stále dokonalejší prostředky, jakými jsou velké dalekohledy. Na mnoha pozemních střediscích pracují s takovými dalekohledy i čeští astronomové. Příkladem je Evropská jižní observatoř v Chile nebo obrovský projekt Pierra Augera [óžéra] v Argentině. Jiné dalekohledy pracují na oběžné dráze kolem Země a na kosmických sondách. Výraznou pomocí jsou přitom nové elektronické součástky a počítačové zpracování dat. Werner Karl Heisenberg [werner karl hajznberk] (1901–1976), německý fyzik 128 VÝVOJ FYZIKY Snaha o vysvětlení stability atomů a vyzařování z rozžhavených těles vedla k vytvoření kvantové teorie. Zjistilo se, že v oblasti atomů a molekul (říkáme v mikrosvětě) neplatí celá řada zákonů klasické fyziky. Energie nepřechází z jednoho tělesa na druhé spojitě (asi tak, jak vnímáme přelévání vody z jedné nádoby do druhé), ale předává se v malých porcích – kvantech. Na vytvoření kvantové teorie se podíleli především Max Planck, Niels Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born a Paul Dirac. Kvantová fyzika umožňuje zkoumat ještě menší objekty, než jsou atomy. Pro poznávání elementárních částic a jejich struktury se budují obrovské vědecké aparatury – urychlovače částic. Na největším urychlovači, který je ve výzkumném středisku CERN v Ženevě, pracuje také několik českých fyziků. I zde je nezbytnou podmínkou úspěšného zkoumání obrovské výpočetní středisko. V současné době stojí před naší civilizací problém dostupných zdrojů energie. Fosilní paliva budou v několika příštích desetiletích vyčerpána. Proti letecký snímek CERNu s vyznačením urychlovačů jaderným elektrárnám vystupují některé skupiny ekologů, kteří straší obyvatelstvo domnělým nebezpečím jaderného zamoření. Proto se již řadu let naděje upírají k jaderné syntéze. Při ní by se lehká jádra slučovala v těžší jádra a uvolňovala by se energie. Naši vědci se na tomto výzkumu budou podílet v rámci evropského projektu ITER. Očekává se, že výsledky tohoto výzkumu povedou ke konstrukci zařízení, které bude uvolňovat energii bez radioaktivních odpadů. Rozvoj kvantové fyziky vedl ke vzniku fyziky pevných látek. Ta mimo jiné vysvětlila, proč jsou některé látky izolanty, jiné vodiči. Zvláště významná byla při studiu vlastností polovodičů. Byl zkonstruován tranzistor a další polovodičové součástky. Jejich sdružování do integrovaných obvodů umožnilo výrazné zmenšení počítačů a dalších elektronických přístrojů a zařízení. Moderní fyzika tedy přispěla výrazně k mnoha vynálezům a ke konstrukci nových zařízení. Jedním z nejvýznamnějších je laser, který se dnes používá nejen v průmyslu a ve vědě, ale i ve školách a v domácnostech. Kteří fyzikové dostali Nobelovu cenu za objev laserů? Komu byla udělena Nobelova cena za objev tranzistoru? Erwin Schrödinger [ervín šredynger] (1887–1961), rakouský fyzik Max Born (1882–1970), německý fyzik Paul Adrien Maurice Dirac [pól adrien mórys dyrak] (1902–1984), anglický fyzik Pomocí kvantové teorie e teorie relativity fyzici vysvětlili, jaké procesy se odehrávají v nitrech hvězd. Fyzika pevných látek umožňuje výrobu nových materiálů s vynikajícími vlastnostmi. Jedná se například o dokonalejší magnety, tepelné i elektrické izolátory, tvrdé materiály a supravodiče. Fyzika pevných látek také významně přispěla k rozvoji přístrojů, kterými je možno manipulovat jednotlivými atomy a molekulami. Do budoucna si nejen fyzika, ale i lékařství, chemie a biologie 129 VÝVOJ FYZIKY Velký význam mají nanotechnologie i v biologii, kde se díky nim podařilo dešifrovat strukturu DNA (deoxyribonukleová kyselina). slibují velký pokrok od nanotechnologie. Cílem nanotechnologie je miniaturizace některých zařízení. Již byly sestrojeny miniaturní motorky, sondy roznášející léčivé molekuly do určených míst těla, miniaturní počítačové čipy. Fyzika vyřešila mnoho problémů světa, který nás obklopuje. Obklopuje nás spousta věcí, za něž vděčíme fyzice a které nám ulehčují a zpříjemňují život. U některých věcí, jako je automobil, televize, počítač, si to uvědomujeme. Obklopují nás však také věci, u kterých není podíl fyziky tak zřejmý. Například za teflonovou pánev, suchý zip či umělý kloub vděčíme kosmickému výzkumu. Nemůžeme v tak stručném přehledu postihnout všechny perspektivní obory fyziky. Je však jasně patrné, že fyzika není ukončená věda. Stále ještě se před začínajícími fyziky otevírá velké dobrodružství poznání. Až budeš uvažovat o svém dalším studiu či povolání, nezapomeň, že fyzika je zajímavou vědou s velkou perspektivou. Možná i ty jako budoucí fyzik přispěješ k řešení některých problémů lidstva. Shrnutí Díky supravodivosti se můžeme po železnici pohybovat rychlostí srovnatelnou s rychlostí letadel. Příkladem takových vlaků je Transrapid v Německu a v Číně, nebo Maglev v Japonsku. Fyzika se vyvíjí již více než 400 let. Většinu poznatků, ke kterým fyzika dospěla do konce 19. století, řadíme do klasické fyziky. V průběhu dvacátého století se vytvořila moderní fyzika. Ve fyzice existuje řada perspektivních oborů. Některé z nich mají bezprostřední vliv na rozvoj techniky, jiné přispívají k poznání našeho světa i vesmíru. Otázky a úkoly 1 Najdi na internetu, co je to supravodivost, kdy byla objevena a kde se uplatňuje. 2 Na internetových stránkách Fyzikálního ústavu AV ČR najdi, jaké jsou směry výzkumu tohoto ústavu. 130 REJSTŘÍK POJMŮ Čísla za jednotlivými pojmy označují stránky v učebnici, kde je pojem uveden. A absorpce fotonu aktivní zóna akustika alternátor ampérmetr magnetoelektrický amplituda napětí anoda archeologie astronomická jednotka astronomie atomová hmotnostní jednotka 68 86 127 19 14 21 47 77 110 94 72 B báze biologie bomba termonukleární 54 78 91 C cívka – primární – sekundární 24 25 25 Č čas hvězdný čas sluneční pravý čas sluneční střední černá díra čerpadlo primárního okruhu čerpadlo sekundárního okruhu čip číslo Avogadrovo číslo nukleonové číslo protonové dávka ionizujícího záření defektoskopie 122 121 122 116 88 88 56 64 64, 71 71 80 78 D Deimos detektor kouře deuterium dioda polovodičová dioda svítivá dioda Zenerova díra dozimetr dynamo 102 79 72 47 50 59 43 81 20 E Einstein Albert elektrické kmity tlumené elektrodynamika 128 34 12 elektromagnetická indukce elektromotor – stejnosměrný elektron – volný elektřina emise fotonu emitor erupce 15 31 31 64 42 127 68 54 98 F fáze fotodioda foton fotosféra frekvence – nosná fyzika klasická fyzika moderní fyzika pevných látek 28 49 67 96 21 61 127 128 129 G galaxie – eliptické – nepravidelné – spirální generátor elektrického napětí globule granulace H harmonický časový průběh hvězda – neutronová 95, 117 117 118 117 18 112 96 19 94, 95, 112 115 Ch chemie chladicí věž chromosféra 78 88 97 I integrovaný obvod monolitický integrovaný obvod vrstvový izotop 56 56 72 J jaderná elektrárna jaderná reakce jaderná syntéza jaderný reaktor jádro atomové Jupiter 88 82 90, 129 86 65 102 131 9 9 REJSTŘÍK POJMŮ K kapacita katoda Keplerovy zákony kmitavý obvod LC kolektor koma kometa komutátor kondenzátor kontejnment kontrola tenkých vrstev koróna kráter – impaktní krátký dosah kritická velikost kvantová teorie kvantum L lékařství M magnetická bouře magnetická indukce magnetismus magnetorezistor Mars maximum sluneční činnosti mechanika Merkur Měsíc měsíce – galileovské – pastýřské metoda značených izotopů mikroprocesor minimum sluneční činnosti mlhovina model atomu Bohrův model atomu planetární moderátor modulace – amplitudová – frekvenční mračno prachoplynné N napětí efektivní napětí fázové napětí harmonické napětí indukované napětí sdružené napětí střídavé napětí třífázové 132 23 47 110 34 54 107 95, 107 20, 31 22, 88 88 77 98 99 99 73 85, 86 129 67 78 98 13 127 59 101 97 127 99 94 95 103 104 78 57 97 95 67 66 85 61 61 61 95, 112 21 29 21 15 29 19 28 Neptun neutron nositel elektrického náboje nukleon nuklid O obal atomu obr obvod primární obvod sekundární odsluní ohon – iontový – prachový okruh primární Olympus Mons optika oscilátor P palivový článek paprsky katodové parogenerátor parsek perioda Phobos planeta extrasolární planetka plazma Pluto PN přechod pól světový Polárka polární čepička polární záře pole elektrické pole elektromagnetické pole magnetické pole magnetické točivé poločas přeměny polovodič – typu N – typu P polovodičová paměť polovodičový laser potravinářství pravidlo levé ruky procesor proton proton-protonový cyklus protuberance proud efektivní proud indukovaný proud střídavý prstence 105 71 42 71 71 67, 71 113 17 17 110 107 108 108 88 101 127 34 86 64 88 119 21 102 95 95, 107 96 107 46 124 124 101 10, 98 35 35 35 30 76 43 45 45 58 50 78 8 57 65 91, 112 97 21 15 19 103, 105 REJSTŘÍK POJMŮ první pomoc představa geocentrická představa heliocentrická přísluní R radioaktivita radiouhlík reakce endoenergetická reakce exoenergetická reakce řetězová reakce termonukleární reflektor reproduktor rotor S Saturn sievert signál síla elektrodynamická síla jaderná Slunce sluneční baterie sluneční cyklus sluneční článek sluneční hodiny sluneční skvrna sluneční vítr slupka směr propustný směr závěrný souhvězdí – cirkumpolární – zvěrokruhu spínač spirální ramena stator stínění světelný rok světlo Š štěpení jader T televize teorie relativity termika termistor tesla teslametr Titan tlaková nádoba tokamak transformátor 39 95 95 110 75 77 83 83 84 91, 112 87 14 19, 31 104 80 60 12 73 94 49 97 49 121 96 98 68 47 47 123 124 125 51 117 19, 31 81 118 69 82 61 128 127 43 13 14 104 87 91 25 transmutace tranzistor bipolární tranzistor řízený polem tritium trpasličí planeta trpaslík bílý trpaslík černý třífázový motor s kotvou nakrátko tříštění jader turbína tyče havarijní tyče regulační tyristor 82 54 51 72 95, 107 115 115 32 82 88 87 87 58 Ú úbytek hmotnostní účinnost transformátoru Údolí Marineru Uran 74 26 101 105 U určení stáří usměrňovač dvojcestný usměrňovač jednocestný 77 48 48 V veličiny kvantované velká poloosa elipsy Velká rudá skvrna Venuše vlnění elektromagnetické vodík vodivost příměsová vrstva – valenční vyhořelé palivo W wattmetr Z zachování elektrického náboje zapojení do hvězdy zapojení do trojúhelníku záření alfa záření beta záření gama záření infračervené záření ionizující záření mikrovlnné záření radioaktivní záření rentgenové záření ultrafialové zemědělství zesilovací činitel tranzistoru zesilovač 67 110 103 100 36, 69 72 45 68 68 89 12 76 29 29 75 75 70, 75 70 80 70 75 70 69 78 55 53 133 9 9 FOTOGRAFIE / CITACE FOTOGRAFIE J. E. Beckman; Mgr. Karel Brož; Zbyněk Bučíval; R. L. M. Corradi; Till Credner; Prof. RNDr. Miloslav Druckmüller, CSc.; Michael Fokt; L. J. Gentet; Calvin J. Hamilton (www.solarviews.com); Zdeněk Hejduk; Dr. Jaroslav Hyrsl; J. H. Knapen; Mgr. Václav Kohout; Ing. Antonín Kolos; Milan Kytar; R. F. Peletier; Jim Plaxco, Mars Art Gallery; Robert Morse, University of Wisconsin-Madison podílející se na výzkumu s detektorem neutrin Amanda; Milan Myslivec; Ing. David Převorovský; János Rohán, astrojan.ini.hu; Jana Smeliková, VINIS; Libor Šmíd, http://home.zcu.cz/~smid/; Vlastislav Tauterman; RNDr. Vojtěch Ullmann; Ing. Rudolf Volák; Michal Weigel; Nick Wright (University College London) on behalf of the IPHAS collaboration; Ing. Jiří Zahradník ALGIZ s.r.o.; Altro spol. s r. o.; Archiv Nakladatelství Fraus, s.r.o.; Archiv JE Temelín; ATAS Elektromotory Náchod a.s.; Baja Astronomical Observatory; Bankovní Technika spol. s r.o.; Binox s.r.o.; CERN copyright; Celostátní služba osobní dozimetrie; Courtesy: Pacific Northwest National Laboratory; Courtesy NASA/JPL-Caltech; ČEZ, a.s.; ČTK; ČTK/AP; ČTK/AP/Efrem Lukatsky; ČTK/AP/Kupferschmdit Michael; ČTK/Berger Jiří; ČTK/EPA; ČTK/Petrášek Radek; ČTK/Vlach Jiří; Digitized Sky Survey, ESA/ESO/NASA FITS Liberator; Dopravní podnik hlavního města Praha, a.s.; EFDA CSU Garchnig; ERILENS s.r.o. výroba a služby pro zdravotnictví; ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum); ESA, www.spacetelescope.org; ESO (European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphe); ETD TRANSFORMÁTORY a.s.; EurAstro Association ; FOTOOBCHOD.CZ; GARLAND distributor, s.r.o.; GHV Trading, spol. s r.o.; Grundig Intermedia GmbH; Hubble Space Telescope Science Institute, NASA; HubbleSite; Robert Hurt (IPAC); Chabot Space & Science Center; image © eddietapp.com; International BEZ Group, spol. s r.o.; INTOS, spol. s r.o.; Jadrová vyraďovacia spoločnosť, a.s.; Komutex, spol. s r.o.; Kovoplast Chlumec nad Cidlinou, a.s.; Max Planck Institute for Solar System Research / University of Arizona / ESA /; MAXI STORE; METABO; NOAO/AURA/NSF; NASA; NASA and J. Clarke (University of Michigan); NASA/JPL; Nemocnice Na Homolce Praha; Oblastní nemocnice Trutnov; Observatory/Association of Universities for Research in Astronomy/National Science Foundation; ON Semiconductor; Phywe Systeme GmbH & Co.KG, Göttingen; Photo by Tim Prevett, of a reconstructed hand axe by John Lord for The National Trust, Cardingmill Valley, England; PP ELECTRONIC; Radiologické oddělení FN Plzeň; Siemens s.r.o.; Silverfrost Limited; Slévárny Třinec, a.s.; SOLARTEC s.r.o.; Space Telescope Science Institute; Subaru Telescope, NAOJ; System Research / University of Arizona / ESA / NASA; Ústav experimentální medicíny AV ČR; Ústav jaderného výzkumu Řež a.s.; www.geocities.com; www.katastrofy.com; www.photocombo.cz CITACE http://web.hao.ucar.edu; http://web.sbu.edu; http://www.aldebaran.cz; http://www.alza.cz; http://www.anl.gov; http://www.arqnet.pt; http://www.astronomija.co.yu; http://astro.nmsu.edu; http://www.astrobio.nau.edu; http://www.astronomy.org; http://bbs.cpcw.com; http://www.bergoiata.org; http://blogs.cisco.com; http://borghetto.astrofili.org; http://br.geocities.com; http://common.ziffdavisinternet.com; http://www.czeckitout.com; http://digilander.libero.it; http://www.dvorakantonin.com; http://e3.uci.edu; http://foto.astronomy.cz; http://francehistoire.free.fr; http://www.frightprops.com; http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk; http://hep.ucsb.edu; http://homepage.eircom.net; http://www.hrw.com; http://www.championlaser.org; http://www.chemcool.com; http://i2.photobucket.com; http://www.jenskleemann.de; htp://www.klima-luft.de; http://www.kosmologika.net; http://landesregierung.schleswig-holstein.de; http://lpsc.in2p3.fr; http://www.luxus.cz; http://www.marcdatabase.com; http://www.mlp.cz; http://www.natur.cuni.cz; 134 http://www.nightbeacon.com; http://nicholnl.wcp.muohio.edu; http://www.noao.edu; http://www.nt.ntnu.no; http://oacosf.na.astro.it; http://www.oldstarlight.com; http://www.obchodni-dum.cz; http://www.onr.navy.mil; http://pauli.uni-muenster.de; http://perso.orange.fr; http://www.orbithangar.com http://www.phy.bg.ac.yu; http://www.pictinas.com; http://rayer.ic.cz; http://www.sas.org; http://www.seds.org; http://www.sil.si.edu; http://solarscience.msfc.nasa.gov; http://solar.to.astro.it; http://www.sovietmuseum.ru; http://www.spacetoday.org; http://spaceweather.com; http://starryskies.com; http://www.ti.com; http://www.ukay.net; http://www.umich.edu; http://www.uni-protokolle.de; http://upload.wikimedia.org; http://vega.fjfi.cvut.cz; http://velox.stanford.edu; http://www.virtual-productions.net; http://www.weizmann.ac.il; http://upload.wikimedia.org; http://www.aip.de; www.dentaku-museum.com; http://www.lapp.in2p3.fr; http://www.photos.aip.org; http://www.physik.uni-frankfurt.de; http://www.radio.cz; www.svarecky-eshop.cz RÁMCOVÉ VZDĚLÁVACÍ PROGRAMY Kompetence k učení Na konci základního vzdělávání žák: vybírá a využívá pro efektivní učení vhodné způsoby, metody a strategie, plánuje, organizuje a řídí vlastní učení, projevuje ochotu věnovat se dalšímu studiu a celoživotnímu učení vyhledává a třídí informace a na základě jejich pochopení, propojení a systematizace je efektivně využívá v procesu učení, tvůrčích činnostech a praktickém životě operuje s obecně užívanými termíny, znaky a symboly, uvádí věci do souvislostí, propojuje do širších celků poznatky z různých vzdělávacích oblastí a na základě toho si vytváří komplexnější pohled na matematické, přírodní, společenské a kulturní jevy samostatně pozoruje a experimentuje, získané výsledky porovnává, kriticky posuzuje a vyvozuje z nich závěry pro využití v budoucnosti poznává smysl a cíl učení, má pozitivní vztah k učení, posoudí vlastní pokrok a určí překážky či problémy bránící učení, naplánuje si, jakým způsobem by mohl své učení zdokonalit, kriticky zhodnotí výsledky svého učení a diskutuje o nich Realizace v učebnici Fyzika 9 Kompetence k učení jsou nedílnou součástí výuky fyziky. Oproti tradičním učebnicím fyziky jsou v učebnici Fyzika 9 vydané Nakladatelstvím Fraus akcentovány následující prostředky vedoucí k osvojení kompetencí k učení: • lišta, na níž žák nalezne poznatky z různých vyučovacích předmětů a poznatky z každodenní praxe • důraz na experimentální charakter vyučovacích hodin a odvozování základních fyzikálních poznatků a zákonů z experimentů • náměty pro experimenty s jednoduchými pomůckami, které si žák na základě úkolů z učebnice a pracovního sešitu provádí samostatně doma • rozvíjející úkoly z lišty učebnice a z pracovního sešitu vyvolávající potřebu žáka hledat informace v encyklopediích a na internetu Kompetence k řešení problémů Na konci základního vzdělávání žák: vnímá nejrůznější problémové situace ve škole i mimo ni, rozpozná a pochopí problém, přemýšlí o nesrovnalostech a jejich příčinách, promyslí a naplánuje způsob řešení problémů a využívá k tomu vlastního úsudku a zkušeností vyhledá informace vhodné k řešení problému, nachází jejich shodné, podobné a odlišné znaky, využívá získané vědomosti a dovednosti k objevování různých variant řešení, nenechá se odradit případným nezdarem a vytrvale hledá konečné řešení problému samostatně řeší problémy; volí vhodné způsoby řešení; užívá při řešení problémů logické, matematické a empirické postupy ověřuje prakticky správnost řešení problémů a osvědčené postupy aplikuje při řešení obdobných nebo nových problémových situací, sleduje vlastní pokrok při zdolávání problémů kriticky myslí, činí uvážlivá rozhodnutí, je schopen je obhájit, uvědomuje si zodpovědnost za svá rozhodnutí a výsledky svých činů zhodnotí Realizace v učebnici Fyzika 9 Fyzika je typická výchovou k řešení problémů. Teprve řešením fyzikálních problémů a problémů praktických s fyzikálním obsahem žák zvládne a pochopí význam fyziky pro praktický život. Při řešení těchto problémových situací si osvojí kompetence k řešení problémů, což je stejně významné. Problémové situace se linou celou výukou podle učebnice Fyzika 9, jsou žákům nabízeny jak ve všech fázích výuky, na konci jednotlivých kapitol, tak i v úkolech v pracovním sešitu. Kompetence komunikativní Na konci základního vzdělávání žák: formuluje a vyjadřuje své myšlenky a názory v logickém sledu, vyjadřuje se výstižně, souvisle a kultivovaně v písemném i ústním projevu naslouchá promluvám druhých lidí, porozumí jim, vhodně na ně reaguje, účinně se zapojuje do diskuse, obhajuje svůj názor a vhodně argumentuje rozumí různým typům textů a záznamů, obrazových materiálů, běžně užívaných gest, zvuků a jiných informačních a komunikačních prostředků, přemýšlí o nich, reaguje na ně a tvořivě je využívá ke svému rozvoji a k aktivnímu zapojení se do společenského dění využívá informační a komunikační prostředky a technologie pro kvalitní a účinnou komunikaci s okolním světem využívá získané komunikativní dovednosti k vytváření vztahů potřebných k plnohodnotnému soužití a kvalitní spolupráci s ostatními lidmi Realizace v učebnici Fyzika 9 Komunikativní kompetence se prolínají celou výukou fyziky. Jsou nedílnou součástí učebnice Fyzika 9. I když klíčová role v nabývání těchto kompetencí leží v rovině interakce učitele a žáka v rámci každé vyučovací hodiny, komplet učebnice + pracovní sešit + příručka učitele napomáhá a podporuje osvojení komunikativních kompetencí. Pro rozvoj komunikativních kompetencí jsou v učebnici využívány zejména následující prostředky: • barevné fotografie názorně doplňující probírané učivo a pomáhající díky sepětí s praxí jeho plné pochopení • zjednodušující náčrtky rozvíjející komunikativní kompetence o další dimenzi komunikačních prostředků • grafy využívající specifický způsob obrazové komunikace a názorného zviditelnění závislostí mezi veličinami, a to nejen fyzikálními • grafické prvky a graficky diferencované části textu umožňující snadno odlišit základní poznatky a rozšiřující učivo • grafické zvýraznění jednotlivých částí textu v učebnici pomáhající žákům a žákyním v rychlejší a snazší orientaci v učebním textu pomocí ikon, barevným a typografickým zvýrazněním shrnutí učiva, příkladů k procvičení, motivačních odstavců, … • lišta propojující poznatky z různých vyučovacích předmětů s běžným každodenním životem i navzájem podporující vytváření komplexní představy o fungování světa • otázky a úkoly v učebnici i v pracovním sešitu vyvolávající nutnost vzájemné komunikace mezi žáky i mezi žákem a učitelem • otázky na liště inspirující žáky k dalšímu získávání informací pomocí tradičních i moderních informačních a komunikačních prostředků, zejména pomocí encyklopedií, další literatury, televizních výukových programů a internetu Kompetence sociální a personální Na konci základního vzdělávání žák: účinně spolupracuje ve skupině, podílí se společně s pedagogy na vytváření pravidel práce v týmu, na základě poznání nebo přijetí nové role v pracovní činnosti pozitivně ovlivňuje kvalitu společné práce přispívá k diskusi v malé skupině i k debatě celé třídy, chápe potřebu efektivně spolupracovat s druhými při řešení daného úkolu, oceňuje zkušenosti druhých lidí, respektuje různá hlediska a čerpá poučení z toho, co si druzí lidé myslí, říkají a dělají Realizace v učebnici Fyzika 9 I kompetence sociální a personální získávají žáci zejména v rámci interakcí při vyučování, klíčová pro jejich osvojení je osoba učitele. Učebnice přispívá k jejich rozvíjení ve vyučovacích hodinách důrazem na aktivizující formy výuky. Jedná se zejména o následující prostředky: • diskuse třídy nad motivačními otázkami v rámci vyučovacích hodin posilující jednak zmíněné kompetence komunikativní, ale zejména kompetence personální • komunikace v malých skupinách při skupinovém řešení vybraných otázek a úkolů z učebnice a z pracovního sešitu • debata třídy nad výsledky a způsobem řešení otázek a úkolů • spolupráce a diskuse v rámci malých skupin při frontálních i demonstračních experimentech v rámci vyučovacích hodin • komunikace v malých skupinách při laboratorních pracích, a to jak mezi žáky ve skupině navzájem, tak i mezi žáky a učitelem - tento prostředek je z hlediska rozvoje sociálních a personálních kompetencí klíčový Kompetence občanské Na konci základního vzdělávání žák: chápe základní ekologické souvislosti a environmentální problémy, respektuje požadavky na kvalitní životní prostředí, rozhoduje se v zájmu podpory a ochrany zdraví a trvale udržitelného rozvoje společnosti Realizace v učebnici Fyzika 9 Osvojování občanských kompetencí úzce souvisí s charakterem vyučovacího předmětu fyzika jako oboru příslušného do celku Člověk a příroda. V rámci výuky fyziky se formování občanských kompetencí uskutečňuje jednak vyzdvihováním pozitivních příkladů péče o kvalitní životní prostředí, jednak upozorňováním na příklady negativní. I když se občanské kompetence rozvíjejí v průběhu celé výuky fyziky, nejvýznamněji se projevují při výuce následujících témat: • generátory, transformátory a přenos elektrické energie • proměnné elektromagnetické pole a elektromagnetické vlny • elektrické motory • zásady bezpečnosti práce s elektrickými spotřebiči a postup při úrazu elektrickým proudem • jak pracuje rádio a televize • radioaktivita • využití radioaktivity • bezpečnost při práci s radioaktivními materiály • jaderný reaktor • jaderná elektrárna Kompetence pracovní Na konci základního vzdělávání žák: používá bezpečně a účinně materiály, nástroje a vybavení, dodržuje vymezená pravidla, plní povinnosti a závazky, adaptuje se na změněné nebo nové pracovní podmínky přistupuje k výsledkům pracovní činnosti nejen z hlediska kvality, funkčnosti, hospodárnosti a společenského významu, ale i z hlediska ochrany svého zdraví i zdraví druhých, ochrany životního prostředí i ochrany kulturních a společenských hodnot využívá znalosti a zkušenosti získané v jednotlivých vzdělávacích oblastech v zájmu vlastního rozvoje i své přípravy na budoucnost, činí podložená rozhodnutí o dalším vzdělávání a profesním zaměření Realizace v učebnici Fyzika 9 Praktické kompetence si žáci osvojují zejména při praktické výuce, tedy při frontálních a demonstračních experimentech, při domácích pokusech, při laboratorních pracích, … Učebnice přímo uvádí hlavní zásady praktické činnosti a ochrany zdraví při praktických činnostech, zásady pro metodickou činnost učitele jsou pak formulovány v příručce učitele. Pracovní kompetence si samozřejmě žáci osvojují i při řešení jiných úkolů v rámci výuky, při řešení otázek a úkolů, či při přípravě na výuku. 135 9 9 RÁMCOVÉ VZDĚLÁVACÍ PROGRAMY Fyzika 9 a průřezová témata Z průřezových témat se ve výuce fyziky v šestém ročníku základní školy a v odpovídajícím ročníku víceletého gymnázia uskutečňuje zejména „Enviromentální výchova“. Je pochopitelné, že i ostatní průřezová témata (Osobnostní a sociální výchova, Výchova demokratického občana, Výchova k myšlení v evropských a globálních souvislostech, Multikulturní výchova, Mediální výchova) se při výuce fyziky realizují. Nesouvisejí však bezprostředně s některým tématem, ale prolínají výukou všech tematických celků a jejich začlenění je dáno zejména osobnosti učitele. Enviromentální výchova Environmentální výchova vede jedince k pochopení komplexnosti a složitosti vztahů člověka a životního prostředí, tj. k pochopení nezbytnosti postupného přechodu k udržitelnému rozvoji společnosti a k poznání významu odpovědnosti za jednání společnosti i každého jedince. Umožňuje sledovat a uvědomovat si dynamicky se vyvíjející vztahy mezi člověkem a prostředím při přímém poznávání aktuálních hledisek ekologických, ekonomických, vědeckotechnických, politických a občanských, hledisek časových (vztahů k budoucnosti) i prostorových (souvislostí mezi lokálními, regionálními a globálními problémy), i možnosti různých variant řešení environmentálních problémů. Vede jedince k aktivní účasti na ochraně a utváření prostředí a ovlivňuje v zájmu udržitelnosti rozvoje lidské civilizace životní styl a hodnotovou orientaci žáků. Ve vzdělávací oblasti Člověk a příroda zdůrazňuje pochopení objektivní platnosti základních přírodních zákonitostí, dynamických souvislostí od nejméně složitých ekosystémů až po biosféru jako celek, postavení člověka v přírodě a komplexní funkce ekosystémů ve vztahu k lidské společnosti, tj. pro zachování podmínek života, pro získávání obnovitelných zdrojů surovin a energie i pro mimoprodukční hodnoty (inspiraci, odpočinek). Klade základy systémového přístupu zvýrazňujícího vazby mezi prvky systémů, jejich hierarchické uspořádání a vztahy k okolí. Realizace v učebnici Fyzika 9 Průřezové téma Enviromentální výchova se ve fyzice realizuje zejména v následujících oblastech: ukázky jednání z hlediska životního prostředí a udržitelného rozvoje, a to žádoucích i nežádoucích hodnocení objektivnosti informací týkajících se ekologických problémů komunikace o problémech životního prostředí Fyzika 9 a výstupy Z očekávaných výstupů se ve výuce fyziky v 9. ročníku základní školy a v odpovídajícím ročníku víceletého gymnázia realizují zejména výstupy z tematických celků Látky a tělesa (některé), Pohyb těles, Síly (většina), Mechanické vlastnosti tekutin (všechny). Jsou zde samozřejmě opakovány, prohlubovány a realizovány na dalších příkladech z praxe i některé další výstupy. Hlavními výstupy jsou v jednotlivých tematických celcích: Tematický celek Elektromagnetické a světelné děje Žák rozliší stejnosměrný proud od střídavého a změří elektrický proud a napětí rozliší vodič, izolant a polovodič na základě analýzy jejich vlastností využívá prakticky poznatky o působení magnetického pole na magnet a cívku s proudem a o vlivu změny magnetického pole v okolí cívky na vznik indukovaného napětí v ní zapojí správně polovodičovou diodu (F9) Tematický celek Vesmír Žák odliší hvězdu od planety na základě jejich vlastností 136
Podobné dokumenty
FG = m g.
Tato síla působí stejně jako tíhové zrychlení svisle dolů.
Sborník seminárních materiálů II
tuhost a dosadíme experimentálně zjištěné hodnoty periody T, které určíme
pomocí Free Audio Editoru. Uspořádání je na obr. 3.
Měření bylo provedeno pro dvě závaží o hmotnostech m1 = 0,44 kg
a m2 = ...
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
přenosová rychlost až 24 Mbit/s (teoreticky 54 Mbit/s) – přenosy objemných dat,
zvýšení přenosové rychlosti za využití kanálu WiFi standardu IEEE 802.11 využívá protokolu 802.11 PAL (Protocol A...
- Katedra obecné fyziky
Učitelé nazývají fyziku často „Popelkou“ ve vztahu k ostatním výukovým předmětům.
Zájem o fyziku stále klesá, a tak se učitelé snaží přicházet s novými motivačními prvky,
aby se zájem o fyziku zvýš...
Stáhnout ve formátu PDF
asi 15 cm, průměr dosahuje 3 cm. Dřevěné topůrko je uvnitř téměř zuhelnatělé, jeho spodek je jakoby odříznut. Co si o tom myslet?
Skeptici myslí, že kladivo ztratil některý horník v 19. století a p...
D................................................................................................................................................................................. 6
E..................
