docAplikovaná fyzika - zpět na začátek
download 
Stížnost Transkript
Aplikovaná fyzika - zpět na začátek
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY APLIKOVANÁ FYZIKA A MODERNÍ ELEKTRONIKA JOSEF HUBEŇÁK JIŘÍ HUBEŇÁK Repronis 2007 Seminární materiál projektu Učíme fyziku moderně Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje Slovanské gymnázium Olomouc © Slovanské gymnázium Olomouc, 2007 ISBN 978-80-7329-158-7 Obsah Úvod Digitální zpracování signálu Obrazovky a displeje Elektromagnetické jevy a nové technologie Polem řízené tranzistory FET a Flash-disky Globální polohový systém GPS Mobily a síť GSM Objevy, vynálezy a jejich autoři Technika a fyzika plynového spotřebiče Elektrické tepelné spotřebiče a chladničky Principy bezpečnostních systémů pro zajištění objektů Moderní zdroje světla Číslicové měřicí přístroje Malé elektromotory 3 5 7 18 29 35 40 54 61 86 97 111 128 147 161 Úvod Učitel fyziky – a vlastně každý učitel – musí sledovat vývoj svého oboru a vkládat do výuky současné poznatky a aplikace. Pro fyziku je tento požadavek zvlášť naléhavý a žáci i studenti ocení pedagoga, který jejich dotazy skutečně pochopí a také dokáže vysvětlit srozumitelně s ohledem na znalosti tazatele třeba funkci špičkových technických zařízení. Není to snadné a ve fyzice a technologiích se objevují novinky stále rychleji. Vysokoškolský kurz fyziky tady mnoho nepomůže – učitel není specialista pro některý fyzikální obor a ještě méně se setká během studia s aplikacemi, založenými na využití celé škály současných poznatků. Ve škole základní i střední je učitel již natolik vytížen, že sledování vývoje fyziky a novinek v technologiích se dostává na okraj jeho aktivit. V té situaci je většina začínajících kolegů a teprve rutinní zvládnutí základní praxe uvolní čas pro hledání informací, novinek a také jejich učitelskému, chcete-li didaktickému zpracování a zařazení do výuky. Přitom nelze pochybovat, že větší část učitelů fyziky chce učit poznatkům na úrovni doby a ukázat studentům, že právě špičková technika je založena na fyzikálních poznatcích a je možné ji pochopit, vysvětlit, využít i dále rozvíjet. Autoři vybrali několik témat, v nichž jsou obsaženy aplikace současné fyziky, a pokusili se učitelům ušetřit čas potřebný na vyhledání a zpracování informací o digitálním zpracování signálů, o současných displejích, o globálním polohovém systému, o mobilním telefonu atd. Většina ze třinácti témat obsahuje také náměty pro vlastní práci žáků a studentů. Jsou zde i tabulkové údaje a méně obvyklá data, třeba o světelných zdrojích nebo měrných tepelných kapacitách potravin v ledničce. Některá z témat lze využít i jako námět pro fyzikální projekt. Vážíme si práce všech kolegů, kteří na základních a středních školách udržují a rozvíjejí fyzikální vzdělanost, a proto také přivítáme připomínky, náměty a poznatky z učitelské praxe. Autoři Doc. RNDr. Josef Hubeňák, CSc. RNDr. Jiří Hubeňák, Ph.D. E-mail: [email protected] [email protected] 5 Digitální zpracování signálu Možnosti počítačů narůstají s rychlostí zpracování dat: v osmdesátých letech minulého století procesory pracovaly s frekvencí 20 kHz a nyní je samozřejmostí frekvence 1,8 GHz a vyšší. Počet operací za sekundu narostl 100 000krát a těžko najdeme technický obor, kde pracovní tempo vzrostlo o pět dekadických řádů. Digitální formu dáváme dnes zvuku i obrazu a čeká nás přechod k digitálnímu pozemnímu televiznímu přenosu (DVB-T – Digital Video Broadcasting-Terrestrial) a digitálnímu rozhlasu. Většinou víme, že mobilní telefony vysílají a přijímají výlučně digitální signál a že satelitní vysílání obsahuje pouze data. Jak vznikají data z původního analogového signálu? Analogově digitální převodník ADC Zkratka ADC je z angličtiny – Analog-to-digital converter a princip funkce je na následujícím schématu. Obr. Převodník ADC 7 ⎞ U ⎛1 Odporový dělič má na výstupech odspodu nahoru napětí ⎜ + 0 ⎟ ⋅ ref , ⎠ 8 ⎝2 ⎞ U ⎛ 1 ⎞ U ref ⎛ 1 , ⎜ + 2 ⎟ ⋅ ref atd. Obvody se symbolem hysterezní smyčky ⎜ + 1⎟ ⋅ 2 8 2 ⎝ ⎠ 8 ⎝ ⎠ dávají na výstupu nízkou úroveň napětí „L“, je-li na spodním vstupu napětí větší než na horním, což odpovídá logické nule. V opačném případě se na výstupu objeví vyšší úroveň napětí „H“. Napětí analogové Ux je tady převedeno na sled jedniček a nul a v kodéru se přiřadí každé osmičlenné skupině číslo v binárním kódu: Vstup kodéru 00000000 00000001 00000011 00000111 00001111 00011111 00111111 01111111 11111111 Výstup kodéru 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 Analogové napětí Ux menší než Uref (referenční) je převedeno na binární číslo; v tomto případě s dosti hrubým rozlišením. Skutečné převodníky ADC mohou rozlišit běžně 256 hodnot napětí (8-bitový převodník v mobilu). Převodník ADC pro digitální kamery – typ TDA8787 provede až 18 milionů převodů na 10 bitové číslo, takže rozliší 1024 napěťových úrovní původně analogového signálu. V digitálních měřících přístrojích, kde tolik nezáleží na rychlosti převodu, jsou běžné 12ti bitové převodníky. Vzorkování signálu Analogový signál se s časem mění a jeho spojité hodnoty nahrazuje převodník omezeným počtem binárních čísel. I když převodník pracuje rychle, nepřevede do číselné podoby celý analogový signál – vybírá jen vzorky. Má-li být informace dostatečně přesná, musí být vzorků dostatek. Pro periodické signály, jako je zvuk nebo obrazový signál televizního řádku, musíme mít za jednu periodu nejméně 2 vzorky a dvě binární čísla, abychom mohli rekonstruovat na přijímači původní analogový průběh s přijatelným zkreslením. 8 Obr. Vzorkování signálu Obr. Rekonstrukce signálu Přijímač dostane z daného signálu jen dvě čísla N1 a N2 a analogový signál po zpracování není věrnou kopií signálu původního. V přijímači lze ovšem „dopočítat“ hodnoty vložené mezi skutečně přijaté vzorky a signál digitálně nebo analogově vyhladit. Přenos velkého množství dat je technicky náročný a proto se omezuje například pro mobily nejvyšší přenášený kmitočet na 4 kHz, i když v lidském hlase a hudbě mohou být i vyšší kmitočty. Frekvence vzorkování musí být dvojnásobná – 8 tisíc vzorků za každou sekundu. Osmibitová čísla vyžadují přenášet 64 tisíc bitů za sekundu. Poznámka V mobilní síti GSM se datový tok snižuje několika způsoby až na 13 kb.s–1 . Digitálně analogový převodník Datový signál musíme např. v mobilu převést na signál analogový. To je možné s pomocí operačního zesilovače a princip zapojení je na následujícím obrázku: Obr. DAC s operačním zesilovačem 9 Operační zesilovač má teoreticky nekonečně velké zesílení i vstupní odpor. Zesiluje rozdíl napětí na neinvertujícím vstupu a na invertujícím vstupu (u+ – u–). Tento rozdíl se ale vždy blíží k nule (nekonečné zesílení!) a protože je u+ = 0, je také na invertujícím vstupu napětí vůči zemi nulové. Z výstupu jde signál přes odpor R zpět na invertující vstup a díky opačnému znaménku zde vzniká záporná zpětná vazba, která zaručí stabilitu zesilovače. Vstupní odpor zesilovače je nekonečně velký a celkový vstupní proud je proto nulový. Platí i13 + i12 + i11 + i10 + i2 = 0 a za proudy lze dosadit u13 u12 u11 u10 u2 + + + + = 0. R3 R2 R1 R0 R Z této rovnice dostaneme u2 = − R R R R u13 − u12 − u11 − u10 . R3 R2 R1 R0 Logické jedničce přiřadíme napětí – 0,1 V a hodnoty odporů zvolíme tak, aby platilo R R R R = 8, = 4, = 2, =1. R3 R2 R1 R0 Vstupní datový signál 1011 bude převeden na výstupní napětí 1,1 V. Změna binárního čísla na vstupu vyvolá takřka skokovou změnu výstupního napětí. To má pak schodovitý průběh a je třeba jej „vyhladit“ vhodnou kapacitou, připojenou mezi výstup a zem. Obr. Úprava signálu za převodníkem DAC 10 V katalozích výrobců integrovaných obvodů najdeme řadu DAC převodníků – např. pro převod dat digitálního záznamu obrazu na spojitý signál RGB (red, green, blue) je určen obvod TDA 8771 (Philips). Pracuje s frekvencí hodinových impulsů 35 MHz a převádí 8bitový signál na analogový. Digitální syntéza harmonického signálu Přenos informací elektromagnetickou vlnou se přesouvá stále k vyšším frekvencím a klasické způsoby modulace – amplitudová a frekvenční – jsou nahrazovány metodami, které dovolí daleko lépe využít frekvenční pásmo, přidělené pro danou službu. Klasické oscilátory, jejichž úkolem je vytvořit harmonický signál u (t ) = U 0 sin ωt , používaly zesilovač s elektronkou nebo tranzistorem, paralelní nebo sériový rezonanční obvod LC a zpětnou vazbu. Jednoduché zapojení takového oscilátoru a současně vysílače s amplitudovou modulací ukazuje schéma: Obr. Vysílač s amplitudovou modulací Základem je paralelní rezonanční obvod, který tvoří indukčnosti L1, L2 a kapacita C. Po zapnutí zdroje se obvod rozkmitá, vazební kapacitou Cv se část signálu vede na bázi tranzistoru a ten jej zesílí a vrátí jako proměnnou složku proudu emitoru zpátky do rezonančního obvodu. Indukčnost L3 má funkci sekundárního vinutí transformátoru a přivádí do antény vysokofrekvenční proud. Mezi zdroj UB a kolektor tranzistoru je zapojen uhlíkový mikrofon a ten mění odpor podle snímaného zvuku. Amplituda kmitů v rezonančním obvodu se tím mění a proud přicházející do antény lze vyjádřit funkcí i = (I 0 + I m sin 2πf m t )sin 2πf 0 t , 11 kde je I0 … amplituda původního signálu oscilátoru bez modulace, Im … amplituda modulačního proudu, který odpovídá zvukovému signálu, f0 … frekvence vysokofrekvenčních kmitů, fm … frekvence zvuku. Na obrázku je znázorněn průběh tlaku ve zvukové vlně a odpovídající anténní proud. Obr. Zvukový signál a odpovídající anténní proud s amplitudovou modulací Současná elektronika používá místo oscilátoru integrovaný obvod přímé digitální syntézy DDS (Direct Digital Synthesizer) a princip jeho funkce ukazuje blokové schéma: Obr. Princip funkce obvodu přímé digitální syntézy 12 Referenční frekvenci fref vytváří krystalem řízený oscilátor, který je vyroben přímo na čipu. Jde o obdélníkový signál, který řídí načítání řídícího slova do akumulátoru – střadače. Do akumulátoru se neustále načítá řídící slovo M a po přetečení N-bitového akumulátoru tam zůstává zbytek a cyklus začíná znovu. Úkol: Zvolte 4-bitový akumulátor (N = 4) a M = 2D = 10B. Ověřte, že při počátečním stavu střadače 0000B nastane po 8. přičtení M přetečení (výsledek má být 10 000B) a zbytek v akumulátoru je opět 0000. V paměti jsou uloženy hodnoty sin xi pro všechny diskrétní hodnoty čísel, která se mohou ve střadači objevit, a do digitálně analogového převodníku jdou již diskrétní hodnoty sin xi. Na výstupu DAC je signál s vysokým obsahem vyšších harmonických frekvencí a ty se ve filtru odstraní. Samotný filtr je tvořen operačním zesilovačem s vhodnými členy RC, což je opět možné vyrobit na čipu. Filtr může být i pouze z pasivních členů RC. Na výstupu dostáváme frekvenci f osc = M ⋅ f ref . 2N Poznámka: Převodník DAC potřebuje alespoň dva vzorky pro jednu periodu f signálu a nejvyšší frekvence je vždy omezena na hodnotu f osc = ref . 2 Pro příklad lze uvést obvod AD9854: Referenční kmitočet může být maximálně 300 MHz a výstupní harmonický signál až 150 MHz. Akumulátor fáze je 48-bitový a to umožní nastavit frekvenci s přesností na 1 μHz. Převodníky DAC (12-bitové) na výstupu jsou dva a harmonické signály mají zde průběhy posunuté fázově o 90°. K dispozici jsou tedy dva signály, vhodné pro přenos s tzv. kvadraturní modulací (používá se např. pro přenos barevných signálů televize v systému PAL). Řídicí slovo M se může měnit až 100 milionkrát za sekundu a na výstupu může být frekvence velmi rychle změněna. Takové přeskakování nosné frekvence používají mobilní telefony a brání se tak poklesu signálu, který by byl způsoben interferencí přímého a odraženého signálu. 13 Základní použití obvodů přímé digitální syntézy DDS Úkolem mikropočítače v obvodu DDS je vytvořit řídící slovo M a samotný mikropočítač může k digitalizovaným vzorkům modulačního signálu přiřadit M podle zadaného programu. Bude-li modulačním signálem signál z mikrofonu, bude na výstupu k dispozici frekvenčně modulovaný signál. Obr. Frekvenční modulace s obvodem DDS Obvod DDS se dvěma DA převodníky na výstupu lze dobře použít pro vznik amplitudově modulovaného signálu. Digitalizovaný zvuk je na prvním DA převodníku převeden na analogové napětí a to slouží v druhém DA převodníku jako napětí referenční. Na výstupu obvodu DDS bude nyní signál M s frekvencí f osc = N ⋅ f ref , ale s amplitudou úměrnou modulačnímu signálu. 2 Obr. Amplitudová modulace s obvodem DDS 14 Obvod DDS ve smyčce fázového závěsu Obvod direktní digitální syntézy je vhodný pro tzv. smyčku fázového závěsu. Z radiotechniky jsou tyto obvody PLL (Phase Lock Loop) známy ještě z dob elektronkové éry, ale polovodiče a integrované obvody teprve umožnily plné využití tohoto zapojení. Ve smyčce jsou podstatné bloky: • Napětím řízený oscilátor VCO. V jeho LC obvodu je varikap, což je polovodičová dioda, jejíž kapacita se dá řídit napětím v závěrném směru. • Fázový komparátor – na dva vstupy se přivedou dva harmonické signály a na výstupu se objeví impulzy vždy, když tyto signály nemají stejnou frekvenci a fázi. • Integrátor impulzů – na výstupu je regulační napětí dané součtem impulzů. Jde v podstatě o postupné nabíjení kondenzátoru. Obr. Obvod DDS ve smyčce fázového závěsu Napětím řízený oscilátor VCO dává signál s počáteční frekvencí fx a ta je snížena děličkou Mkrát. Signál je dále použit jako hodinový kmitočet pro obvod DDS a spolu s řídícím slovem o N bitech vytvoří obvod výstupní frekvenci fr, která je vedena na komparátor. Dokud se nevyrovnají kmitočty na vstupu komparátoru, narůstá regulační napětí. Po „zavěšení“ smyčky, tj. při rovnosti fr = f, zůstane výstupní frekvence oscilátoru VCO konstantní. Pro výslednou frekvenci platí f .X f = fr = o N . M .2 Smyčka fázového závěsu má řadu využití. Dva příklady: Zdrojem signálu je přesný krystalový oscilátor a jeho frekvence je prakticky konstantní. Potřebujeme zdroj signálu s proměnnou a přesně určenou frekvencí. Pro výstupní frekvenci napětím řízeného oscilátoru platí 15 fo = M .2 N f X a je zřejmé, že řídícím slovem můžeme snadno a digitálně nastavit frekvenci fo. Druhý příklad: zdrojem signálu je jednoduchá anténa a z ní získaný frekvenčně modulovaný signál. Nosná frekvence je například 103,40 MHz a na ni se smyčka „zavěsí“. Je to ovšem frekvenčně modulovaný signál a jeho kmitočtový zdvih je až + 0,075 MHz. Smyčka se zavěšuje na proměnnou frekvenci a regulační napětí se bude měnit přesně s modulačním signálem. Regulační napětí bude mít stejnosměrnou složku a nízkofrekvenční signál, který po zesílení slyšíme z reproduktoru nebo ze sluchátek. Softwarové rádio Možnosti digitálního zpracování signálu stále narůstají a již existuje úplné softwarové rádio. Zkratka SDR znamená „programově definované rádio“, Software Defined Radio. Na straně vysílače jde o blok digitálního zpracování signálu a blok DAC, zakončený koncovým vysokofrekvenčním zesilovačem a anténou. Obr. Vysílač s digitálním zpracováním signálu Na straně přijímače probíhá opačný proces: Obr. Přijímač s digitálním zpracováním signálu 16 Signál (analogový) je převeden na data a v dalším bloku proběhne dekódování a demodulace a vzorky modulačního signálu jsou dalším převodníkem změněny na původní analogový signál. Po zesílení lze poslouchat zvuk. Takto pracuje příjem frekvenčně modulovaného rozhlasu v pásmu VKV, pokud posloucháme rádio na lépe vybavených mobilních telefonech nebo MP3. Systém má ale i zajímavější variantu: zesílit a vysílat lze přímo data a v přijímači odpadá první blok převodu na data. Takto pracuje pozemní digitální rozhlas a pozemní digitální televizní vysílání. U satelitního TV a rozhlasového vysílání je takový způsob přenosu informací běžný a s analogovým signálem se už prakticky nesetkáme. 17 Obrazovky a displeje Zkuste odhadnout, kolik času sledujete televizní obrazovku nebo monitor počítače. Televizní obrazovka září v každé domácnosti v průměru více než tři hodiny denně a pokud pracujete s počítačem, čas ani nesledujete. Koncem třicátých let byl navržen a poprvé zaveden systém televize,jak ji dodnes používáme: elektronické snímání obrazu a jeho přenos, rekonstrukce obrazu na stínítku vakuové obrazovky (Zvorykin, Bellovy laboratoře, USA). Co se podstatně mění, je snímací kamera, kódování signálu a přenos signálu. Všimněme si jen obrazovky – je posledním a nejdostupnějším článkem celého televizního řetězce. Většina obrazovek poskytuje barevný obraz. Lidské oko rozezná tisíce barev – jak se tvoří barva na stínítku? Úkol: Zapněte barevný televizor a lupou pozorujte malou plochu stínítka. Zakreslete! Výsledek vašeho pozorování bude pravděpodobně takový: Obr. Rastr TV stínítka Na stínítku září sloupečky červených obdélníčků, dále zelených a modrých. Za každými třemi následuje černá linka - black stripe. To, že vidíme mnoho jiných barev, je spolupráce našeho oka s obrazovkou. Žlutou vnímáme, svítí-li současně ploška červená a zelená, purpurová je složena z modré a červené atd. Černý pásek zvyšuje kontrast mezi sousedními trojicemi a pro naše oko vytváří ostřejší obraz. Bíle svítí ploška, kde všechny tři barvy svítí stejně intenzívně. Všimli jste si čelního skla obrazovky? Je silné asi 15 milimetrů a není čiré. Je to kouřové sklo, propouštějící asi 85 % světla. To má svůj dobrý důvod. V řezu na následujícím obrázku vidíme chod paprsků světla luminoforů – barevně zářících anorganických sloučenin, jimiž jsou pokryty barevné plošky, a světla z místnosti, které se také odráží v čelním skle. Barevné světlo se sice 18 zeslabí, ale pouze jedním průchodem, kdežto rušivé odrazy jdou do skla, odráží se od hliníkové vrstvy za luminofory a znovu se zeslabí při cestě ven. Výsledné zeslabení odrazů umožní sledovat obrazovku i v dobře osvětlené místnosti. Obr. Řez čelní stěny obrazovky Luminofory pro barevná světla mohou být: modrý blue zelený green červený red ZnS : Ag (ZnS+ZnSe) : Cu (3ZnS+7CdS) : Ag Prvek za dvojtečkou je příměs, která dotuje daný sirník nebo směs sirníků. Kromě sirníků se používají křemičitany, fosforečnany, oxidy zinku, vápníku, vzácné zeminy (cer ...), a další materiály. Jejich ukládání na správné místo je náročnou operací, protože středy dvou sousedních červených proužků jsou od sebe vzdáleny 0,8 mm. I pod lupou vidíte, že každý obdélníček je ostře ohraničen – jeho šířka je asi 0,15 milimetru. Dnes se pro nanášení luminoforů používá převážně nalévací metoda spolu s fotolitografií. Jemně rozemletý červený luminofor se smísí např. s octanem amylnatým a s nitrocelulózou a tento lak se naleje na sklo obrazovky. Pak se překryje fotorezistem, což je lak, který po osvětlení se nedá rozpustit, neosvětlená místa jsou rozpustná. Přes masku se vrstvy osvětlí ze směru, kudy budou přilétat elektrony z "červené" katody. Pak se rozpustí fotorezist na neosvětlených místech a rozpustí se a odplaví i odkrytý červený luminofor. Postup se opakuje pro další luminofory, jen osvětlení vychází z pozice zelené a modré katody. Organické složky se pak při vysoké teplotě odpaří a na skle zůstávají obdélníčky luminoforů. Stejně se nanesou i souvislé černé proužky. Dopadající elektrony tvoří kruhovou stopu a mohly by rozsvítit i sousední proužek. Výsledkem by byly mdlé, nevýrazné barvy. Tomu brání pigmentace luminoforů - do směsi jsou přidány nezářící černé příměsi. 19 Hliníková vrstva má tři funkce: 1. Světlo vyzářené zrníčkem luminoforu dozadu odráží vpřed, k pozorovateli. Tím zvyšuje jas obrazovky při stejném počtu a rychlosti dopadajících elektronů. 2. Zachytí těžké ionty, které vznikají ze zbytků plynů v obrazovce a směřují k luminiscenční vrstvě. Pokud by ionty dopadaly až na ni, vytvořily by uprostřed obrazovky velmi brzy slepou, temnou skvrnu. 3. Pomáhá odvádět z luminiscenční vrstvy záporný elektrický náboj, který tam každý dopadající elektron přináší. Pokud by tam elektrony uvízly, velmi brzy by úspěšně odpuzovaly další přilétající elektrony a obrazovka by za chvíli pohasla. Na vybíjení luminiscenční vrstvy se podílí i druhý děj – sekundární emise. Dostatečně rychlý elektron při dopadu na stínítku z něj vyrazí jeden, dva i více elektronů a ty pak letí zpět ke kladně nabité vodivé vrstvě, která zevnitř pokrývá kuželovou část obrazovky. Právě sem je přiváděno vysoké napětí – používá se až 25 000 voltů (v monitorech u počítačů asi 8 kV). Úkol: Přiložte malou feritovou magnetku nebo jiný permanentní magnet na čelní sklo obrazovky a pozoruj změny v obraze! Pokud jste našli odvahu k tomuto experimentu, pak jste zjistili, že obraz se v blízkosti magnetu mírně deformuje a na obrazovce se vytvoří barevné skvrny, které, i když nevýrazně, zůstávají v obraze i po oddálení magnetu. Zbavit se jich můžete tak, že magnetem pohybujete před obrazovku a postupně se vzdalujete, nebo prostě přijímač několikrát vypnete a po chvíli znovu zapnete. Po tomto pokusu víme, že elektrony lze vychylovat magnetickým polem. Na hrdle obrazovky jsou pevně umístěny vychylovací cívky, jimiž protéká střídavý proud. Jedna dvojice cívek vychyluje svazky elektronů vlevo a vpravo, druhá nahoru a dolů. Průběh vychylovacích proudů je přesně definován a přibližně vypadá takto: Obr. Vychylovací proud 20 Jeden řádek spotřebuje čas 64 μs, jeden celý obrázek 0,04 s. Také vychylovací proudy nejsou malé: amplituda proudu pro horizontální vychylování je 2,3 A a pro vertikální 1,2 A (pro obrazovku 561QQ22 TESLA). Amplituda napětí na vertikálních cívkách je 1600 V a na horizontálních 200 V. Proud každého ze tří elektronových svazků může dosáhnout až 400 μA a elektrony jsou urychleny napětím až 25 kV. V blízkosti TV obrazovky je dosti silné elektrické pole, které proniká i do prostoru před obrazovkou. Úkol: Nechť je vaše obrazovka poněkud zaprášená. Zaostřete lupu na zrnka prachu na jejím povrchu a zapněte televizi. Co pozorujete? Po zapnutí prachové částice ožijí: některé odlétnou z povrchu, jiné se usadí na skle, přemístí se, zorientují kolmo k povrchu skla. Hliníková vrstva a luminofor mají potenciál anody obrazovky, což je až 25 kV. Málo vodivé sklo představuje velký odpor, přesto povrch skla silně přitahuje zpolarizované částice prachu; některé se nabijí kladně a jsou odvrženy od obrazovky. (Všimněte si povrchu nábytkové stěny vedle televizoru!) Záporně nabité částice obrazovka zase silně přitahuje. Jsou-li ve vzduchu záporné ionty, jsou televizorem přitaženy i ze vzdálenosti desítek centimetrů. Od obrazovky teče iontový proud a lze se o něm snadno přesvědčit. K pokusu potřebujete malou doutnavku, která se používá k signalizaci zapnutí vypínačů nebo spotřebičů (v držadle žehličky) a kondenzátor 10 000 pF. Tyto součástky spojíte paralelně, k jednomu spoji připevněte 10 cm drátku, který na konci zaostříte a druhý spoj držte v ruce. Tím je tento spoj uzemněn, i když přes velký odpor. Hrotem zamíříte k obrazovce. Pak zapněte televizi a pozorně sledujte doutnavku. S intervalem asi 1 s bude blikat. Kladné ionty nabíjejí kondenzátor a vždy, když jeho napětí překročí zápalné napětí doutnavky, dojde k výboji. Úkol: V doutnavce svítí vrstva plynu u katody. Nabil se kondenzátor kladným nebo záporným nábojem? Úloha: Zápalné napětí doutnavky je 110 V, zhášecí 90 V a doutnavka bliká 1krát za sekundu. Jak velký je průměrný iontový proud? Obr. Sonda pro elektrostatické pole 21 Otázka: Pokus se daří jen několik sekund po zapnutí televizoru a probíhá stejně před monitorem počítače. Proč doutnavka nebliká trvale? Eektrony letí v obrazovce po zakřivené dráze asi 50 cm dlouhé. Nesmějí narážet na molekuly plynu, a proto je prostor velmi dobře vyčerpán – tlak uvnitř je 10–4 Pa. Úloha: Vypočtěte tlakovou sílu, kterou působí vzduch na čelní stěnu vaší obrazovky! Síly, působící na obrazovku, jsou překvapivě velké. Proto také je obrazovka, a zvláště stínítko, z pevného a silného skla. Celá obrazovka má hmotnost 15 i více kilogramů. Pokud praskne, tlakové síly ji rozmetají do okolí a úlomky mohou způsobit vážný úraz. Displeje z kapalných krystalů Molekuly některých organických sloučenin se i v kapalném stavu uspořádají do pravidelné struktury a pak je takový roztok sice homogenní, ale anizotropní. Taková kapalina se chová do jisté míry jako krystal a například světlo propouští podobně, jako polarizační filtr nebo krystal turmalínu. Proč? Je to způsobeno uspořádáním poměrně rozměrných podlouhlých molekul v kapalině. Je známo uspořádání smektické, nematické a cholesterické. Obr. Kapalné krystaly Ve struktuře smektické jsou molekuly orientovány rovnoběžně a uskládány v pravidelných vrstvách. Nematická struktura má rovnoběžné molekuly, ale vrstvy se částečně prolínají a nejsou pravidelné. Cholesterická struktura má vrstvy, v nichž se orientace pravidelně stáčí a molekuly tvoří jakoby zkroucené žebříčky. Displej z cholesterické kapaliny využívá polarizované světlo, které při vhodné orientaci polarizační roviny projde, v opačném případě je pohlceno. 22 Obr. Struktura pasivního displeje Světlo se polarizuje při průchodu horní folií, projde až k zrcadlu a odráží se. Orientované molekuly kapalného krystalu polarizaci nenaruší a světlo úspěšně vyjde ven. Tato plocha je světlá. Na průhlednou elektrodu segmentu a společnou spodní elektrodu přivedeme střídavé napětí. Elektrické pole naruší orientaci molekul, tím se 2krát ruší polarizace světla a tato ploška je tmavá. Vodivé průhledné elektrody jsou z oxidu cínatého SnO, vrstvička kapaliny mezi skly má tloušťku desetiny milimetru. Zobrazovač nesmí zmrznout ani se přehřát. Tento typ displeje se používá například v kalkulátorech. Střídavé napětí na elektrodách má efektivní hodnotu 5 V a frekvenci 50 Hz. Proud je nepatrný - na jeden segment pouze 0,1 μA. Chvíli ale trvá, než segment ztmavne a zase zjasní. Na ztmavnutí potřebuje 120 ms, na zjasnění 350 ms. O tom, že číslice kalkulátoru s LCD displejem pozorujeme v polarizovaném světle, se přesvědčíme pomocí "černého zrcadla". Kousek tabulového skla (10×10 cm) na jedné straně přelepíme černou izolepou, nebo přelepíme černým papírem. Stačí také jednu stranu stříknout černým lakem na auto. Sledujme obraz displeje a otáčejme kalkulátorem na stole. Dvakrát během otočení o 360° displej takřka zmizí a dvakrát je jasně viditelný. Při odrazu od skla se světlo také polarizuje a pokud je již polarizováno, odráží se dobře jen tehdy, pokud polarizační roviny souhlasí. 23 Obr. Polarizace Pasivní displeje LCD nemají vlastní zdroj světla a dnes je vytlačují displeje osvětlené zezadu elektroluminiscenční fólií. Obr. Aktivní LCD displej Na rozdíl od pasivních displejů jsou zde dvě polarizační fólie (polarizátor a analyzátor) a kapalný krystal má cholesterickou strukturu. Polarizační roviny polarizátoru a analyzátoru jsou zkřížené a aby světlo prošlo, otáčí kapalný krystal polarizační rovinu světla o 90°. Napětí vložené na elektrody změní stočení "žebříčku" molekul kapaliny a světlo neprojde. Elektroluminiscenční fólie obsahuje jako zdroje viditelného světla zrníčka luminoforů - podobně jako barevná obrazovka televizoru nebo monitoru. Nej24 starší známý luminofor je sirník zinečnatý ZnS doplněný kvůli barvě světla vhodnou příměsí. V jemném polykrystalickém materiálu se v silném elektrickém poli uvolňují elektrony a se zánikem pole se znovu vracejí do obalů molekul. Přebytek energie molekul se vyzáří ve formě fotonů. Intenzita elektrického pole musí dosahovat 100 V.mm–1 a pro trvalou luminiscenci musíme vytvořit střídavé elektrické pole s frekvencí několika set hertz. Elektroluminiscenční fólie má sendvičovou strukturu: Obr. Konstrukce elektroluminiscenční fólie Celá soustava má tloušťku 0,2 mm až 0,5 mm, vyzařuje rovnoměrně v celé ploše a potřebný proud je asi 0,5 mA na cm2. Displej nevytváří teplo a pracuje spolehlivě od – 30 °C do + 85 °C. Střídavé napětí musí mít ovšem amplitudu okolo 100 V, což v přístrojích s baterií vyžaduje další měniče napětí, které dovedou ze stejnosměrných 6 V až 24 V vyrobit např. 100 V/800 Hz. Typická barva světla je modrá a zelená, jen pro podsvícení velkoplošných displejů k počítačům a dnes i LCD televizorů musí fólie svítí bílým světlem. Jas fólie je dostatečný – až 100 cd/m2 (představte si sto dortových svíček rozestavených na ploše 1 m2). Barevné LCD displeje jsou zatím špičkovým oborem zobrazovací techniky, i když princip zůstává stejný, jako u výše popsaného aktivního LCD displeje. Jeden obrazový bod je tvořen třemi buňkami s kapalným krystalem. Cholesterická kapalina je doplněna organickým barvivem a ve stavu průhledném propouští z bílého světla jen složku jedné barvy. Napětí ovládající každou buňku je spínáno tranzistory, které jsou vytvořeny na společné skleněné podložce a jejich rozměry jsou tak malé, že se skryjí do hran vaniček, oddělujících jednotlivé buňky. 25 Obr. Obrazový bod barevného LCD displeje Displej s minimálním rozlišením 800×600 bodů má tedy celkem 3×800×600 = 1,44 milionů tranzistorů a právě tolik miniaturních barevných buněk. Úkol: Zjistěte, s jakým rozlišení pracují notebooky a LCD displeje, které jsou na škole k dispozici! Úkol: Obraz na displeji se obnovuje 100 za sekundu. Jak dlouho smí trvat návrat molekul kapalného krystalu do původního stavu, aby se za pohybujícím objektem na displeji nevytvářely "barevné chvosty" ? Kapaliny používané jako kapalné krystaly jsou složité organické látky. Smektickou strukturu vytváří molekuly mýdla při povrchu mýdlové bublinky: Obr. Smektická struktura v mýdlové bláně Při povrchu blány bubliny vně i uvnitř jsou molekuly mýdla ve vodě srovnány, jak ukazuje obrázek a teprve uvnitř je roztok s neuspořádanými molekulami. Mýdla se ovšem pro displeje nehodí; klasickým smektikem je paraethylazoxibenzoát 4,H-bis. Jeho strukturní vzorec zapíší chemici takto (šestiúhelníky zde znamenají benzenová jádra C6H6): 26 Příkladem nematika je methylbenzyliden p-n-butylanilin se vzorcem Cholesterické kapaliny jsou tvořeny ještě složitějšími molekulami a jako ukázku uveďme pouze cholesterylacetát: Molekuly těchto látek jsou asymetrické a dokáží samy stáčet polarizační rovinu procházejícího světla - jsou opticky aktivní. (Opticky aktivní je i roztok obyčejného cukru ve vodě - chemici jej nazývají přesněji sacharóza.) Plazmové displeje V zobrazovací technice nyní nastupuje další generace – plasmové displeje (PDP – Plasma Display Panel). Tlak na jejich vývoj začínal již dříve, ale první komerční výrobky byly k dispozici v 90. letech minulého století. Zprvu byly určeny pro velkoplošné zobrazovače, ale technologie je již natolik zvládnuta, že jsou v prodeji plazmové displeje s úhlopříčkou kolem 80 centimetrů. Vývoj šel od velkoplošných panelů k přístrojům vhodným do bytu. Plazmový displej používá výboje v plynu za sníženého tlaku (přibližně 60 kPa až 70 kPa). Mezi přední skleněnou deskou displeje a zadní stěnou jsou umístěny jednotlivé obrazové buňky. Pod skleněnou desku je průhledná vrstva dielektrika, pak následují obrazová a pomocná elektroda. Pod nimi je vrstva oxidu hořečnatého MgO. Je také průhledná a dostatečně vodivá, aby umožnila výboj, ale uzavírá prostor obrazové buňky, plněné argonem. Obrazové buňky jsou „vystlány“ luminoforem, který mění ultrafialové světlo výboje v argonu na barevné složky RGB (červené, zelené a modré světlo). Trojice takových buněk tvoří jeden pixel. Buňky spočívají na další skleněné desce a zespodu jsou vedeny datové vodiče – pro každou buňku jeden. Datové vodiče jsou kolmé k vodičům obrazovým a pomocným. 27 Obr. Složení plazmového panelu - jeden pixel RGB Pracovní cyklus Jednotlivé buňky jsou napájeny střídavým elektrickým napětím. Mezi obrazovou a pomocnou elektrodu je přivedeno napětí s amplitudou asi 200 V, které zajistí částečnou ionizaci argonu. Výboj ve vybrané buňce vzniká až po vložení napětí asi 50 V mezi datovou a obrazovou elektrodu. Po rekombinaci iontů vzniká UV záření, které luminofor převede na viditelné světlo požadované barvy. Výboj je ukončen přivedením nižšího napětí mezi obrazovou a pomocnou elektrodu. Úroveň jasu se reguluje dobou trvání výboje v buňce, nikoliv amplitudou použitých napětí. Plazmový displej má malou konstrukční hloubku, dobrou čistotu barev a velký pozorovací úhel. Pracuje dobře ve velkém rozsahu teplot. Ve srovnání s LCD displeji má ale menší kontrast, má životnost asi 2 roky (vakuová obrazovka pracuje spolehlivě aspoň 5 let) a příkon je také překvapivě velký – více než 200 wattů. Spěchat s výměnou LCD displeje za plazmový není proč. Poznámka: zpracováno podle článku Břichnáč, P.: Plazmové technologie (www.aldebaran.cz) Týdeník, č. 20/2004. Literatura Konstrukční katalog TESLA TELEVIZNÍ OBRAZOVKY 1986/87 Konstrukční katalog TESLA OPTOELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 1989 Sodomka, L.: Fyzika kondenzovaných látek II. Adhesiv, Liberec 2002. 28 Elektromagnetické jevy a nové technologie Od Hallova jevu až ke gigantické magnetorezistivitě Teslametr s Hallovou sondou využívá jevu, který v roce 1879 popsal americký fyzik Edwin Herbert Hall (1855-1938, profesor na Harwardské univerzitě). Při průchodu proudu vzorkem ve tvaru tenké desky, jíž prochází kolmo ke směru proudu indukční čáry magnetického pole, vzniká na protějších stranách napětí. Příčinou je síla, kterou magnetické pole působí na pohybující se náboje. Obr. Vznik Hallova napětí Magnetické pole působí v kovovém vzorku na elektrony silou o velikosti Fm = Bev a ta je přesouvá částečně nahoru. Na spodní straně vzorku je elektronů méně a vzniká nové elektrické pole s intenzitou o velikosti Ey, které brání dalšímu přesouvání elektronů. Jakmile se síly vyrovnají, platí: E y = Bv U H = cE y = Bvc Střední rychlost uspořádaného pohybu elektronů lze určit snadno. Průřezem vzorku S = bc projde za čas t náboj Q = It = Snevt , kde n je počet volných elektronů v jednotce objemu, e je elementární náboj. Potom U H = Bc I I = B. bcne bne 29 Zatímco Hall pracoval s tenkými kovovými fóliemi (b musí být co nejmenší) a velkou koncentrací elektronů, dnešní Hallovy sondy obsahují plátek polovodiče s relativně malou koncentrací nosičů nábojů, např. vhodně dotovaný InAs nebo InSb (indium antimonid). Rozměry plátku jsou zlomek milimetru čtverečného a tloušťka b desetina milimetru. Hallovo napětí je asi 100 mV při indukci B = 0,1 T a proudu I = 5 mA. V roce 1998 se objevila v praxi nová čidla magnetického pole, využívající asymetrickou magnetorezistivitu slitiny 20 % niklu a 80 % železa - permalloye. Je-li velmi tenký proužek permalloye zmagnetován, má větší odpor pro proud procházející rovnoběžně se směrem indukčních čar a menší odpor, jestliže proud prochází kolmo k indukčním čarám ve vzorku. Kvalitativně vysvětlit tento jev lze jednou z vlastností elektronu. Ten má tzv. spin – vlastní rotaci a díky tomu má vlastnosti miniaturního magnetu. Obr. Asymetrická magnetorezistivita Anizotropická magnetorezistivita se projeví až ve velmi tenkých vrstvách permalloye: na křemíkovou podložku se ukládá vrstva o výšce 40 nm, což je asi 100 vrstev atomů železa a niklu. Šířka proužku je typicky 10 μm a délka 100 μm. Čtyři takové magnetorezistory tvoří můstek a bez přítomnosti vnějšího magnetického pole je výstupní napětí přibližně 0 mV. Obr. Můstek pro měření magnetické indukce 30 Šikmé proužky jsou zkratové spojky z kovu a proud v permalloyi teče kolmo k těmto spojkám (plné šipky ukazují směr pohybu elektronů). Proužky zmagnetované podélně a vlastní indukce Bi svírá s proudem úhel 45°. Vnější pole s indukcí B dá v proužku Rm1 výslednou indukci s větší odchylkou a tedy menším odporem, v proužku Rm2 naopak. Výstupní napětí UO1 se zmenší a ze stejných důvodů napětí UO2 vzroste. Výstupní napětí je přímo úměrné indukci v intervalu [– 10 mT; + 10 mT] pro čidlo KMZ10c od fy Philips a existují čidla ještě citlivější. (Čidlo KMZ10c má maximální výstupní napětí 50 mV.) Tyto snímače magnetického pole mají ve srovnání s Hallovými čidly jednu nevýhodu: příliš silné vnější magnetické pole může nevhodně změnit velikost a směr vlastní indukce Bi. V praxi se vnitřní pole obnovuje tak, že celý snímač je umístěn do miniaturní cívky a proudovým impulzem se Bi obnoví. V roce 1988 byl objeven další efekt, vhodný pro konstrukci extrémně citlivých snímačů magnetického pole. Baibich a Binasch mu dali název gigantická magnetorezistivita a jde opět o jevy v extrémně tenkých vrstvách magnetik, tentokrát kombinovaných s vrstvou kovového vodiče – mědi. Obr. Gigantická magnetorezistivita v nanovrstvách Co-Cu Vrstva mědi o tloušťce 0,9 nm (tj. asi 3 vrstvy atomů Cu) odděluje dvě feromagnetika a spontánně se vytvoří antiferomagnetické uspořádání: vlastní magnetické indukce Bi mají právě opačnou orientaci. Vrstvy kobaltu jsou ovšem také extrémně tenké – např. 1,1 nm. Elektrony v takovém systému mají větší počet možných energetických stavů a vodivostní elektrony mají více „příležitostí“ předat ve srážkách energii. Jestliže vnější magnetické pole donutí magnetikum k paralelní orientaci magnetické indukce Bi, počet možných energetických stavů se zmenší a vodivostní elektrony procházejí s menší pravděpo- 31 dobností na odevzdání energie ve vzorku. Změna odporu vyvolaná vnějším magnetickým polem je velmi výrazná – při pokojové teplotě až 75 %. Vrstvy kobaltu a mědi se opakují 30krát až 50krát. Pro měření magnetických polí se vytvářejí opět můstky a typický rozsah měřených indukcí jsou jednotky až desítky mT. Výrobce NVE Corporation USA uvádí pro nejcitlivější čidla GMR tyto údaje: Typ AAH002-02 linearita v rozsahu do 0,3 mT citlivost 75 mV/V.mT (při napájecím napětí můstku 1V a indukci 0,1 mT bude výstupní napětí v diagonále můstku 7,5 mV) celkový odpor můstku 2 kΩ Čidla s gigantickou magnetorezistivitou (GMR) jsou používána např. v harddiscích fy IBM ke čtení dat, v elektronických buzolách nebo také v detektorech kovů pro hledání nevybuchlé munice a min. Od Coulombova zákona k datovým projektorům DLP Coulombův zákon je obvykle prvním zákonem, se kterým se seznámíme při studiu elektřiny a magnetismu. Charles August de Coulomb jej formuloval na základě svých měření v roce 1785. Elektrostatické náboje jsou v praxi velmi malé a také síly se kterými se setkáváme jsou nepatrné. Praktické uplatnění našly v elektrostatických odlučovačích prachu a podílejí se na umístění zrníček toneru v laserových tiskárnách. Ve vakuových elektronkách určují pohyb elektronů a také se užívají k urychlování částic v některých typech urychlovačů. Tam jde ovšem o částice, jejichž setrvačné hmotnosti jsou řádově 10–31 kg (elektron) až 10–27 kg (proton). Nově se elektrostatické síly užívají ve velmi viditelné oblasti – v datových projektorech. Současné technologie umožňují vytvořit miniaturní polohovací prvky na křemíkovém plátku a na jejich vrcholy umístit ještě miniaturní zrcátka. Takový čip firmy Texas Instrument je základem technologie datových projektoru DLP (Digital Light Processing). Na čipu projektoru s maximálním rozlišením 1024×768 bodů je umístěno 786 432 zrcátek, při rozlišení 1280×1024 jich bude 1 310 720. Každé zrcátko je čtverec o straně 16 μm a mezi nimi je mezera 1 μm. Elektrostatické síly naklápějí zrcátka o 10° na jednu nebo druhou stranu. Na obrázku jsou zakresleny dva systémy se zrcátky. Pod každým je vidět nosný sloupek, posazený na tzv. jho. Tato ploška je spojena s pružným závěsem, má tvar písmene H a pokud není čip aktivní, je rovnoběžná s podložkou a s elektrodami A, B. Přivedené kladné 32 napětí na elektrodu A vytvoří v okolí nehomogenní elektrické pole a indukovaný náboj na jhu je přitahován k elektrodě A. Elektroda B je zatím spojena se zemí. Pokud vložíme kladné napětí na elektrodu B a uzemníme elektrodu A, zrcátko se nakloní na druhou stranu. Obrázek je snímek pořízený rastrovacím elektronovým mikroskopem a ukazuje jeden systém, zbavený sloupku se zrcátkem. Obr. Aktivní prvky DLP projektoru Obr. Systém jednoho zrcátka Poznámka: obrázky DLP jsou převzaty z www.dlp.com a doplněny textem. Způsob práce projektoru ukazuje obr. Zdroj světla osvětlí celou plochu čipu. Zrcátka Z1 a Z3 odrážejí světlo do objektivu a na promítací ploše odpovídající pixely svítí. Zrcátko Z2 odklání světlo do absorbéru a na plátně je odpovídající pixel tmavý. Barevný obraz vytváří projektor s jedním čipem tak, že mezi zdroj světla a čip je vložen rotující kotouč s průhlednými výsečemi v barvách RGB (red, 33 green, blue) a na plátno jdou v rychlém sledu za sebou tři obrazy v základních barvách. O spojení v jeden barevný obraz se postará setrvačnost našeho zrakového vjemu. Kvalitní projektory DLP mají tři čipy a bílé světlo xenonové výbojky se rozdělí interferenčními filtry na tři barevné složky. Každá se dostane na „svůj“ čip a tři barevné obrazy se ještě v projektoru složí pomocí hranolů a objektivem jsou promítnuty na plátno. Obr. Projektor DLP Ve srovnání s datovými projektory s kapalnými krystaly (LCD – Liquid Crystal Display) využívají projektory DLP daleko lépe světlo xenonové výbojky – až 61 % světla se dostane na plátno. Projektory LCD mají světelnou účinnost asi 35 %: světlo je nejdříve polarizováno-zbude 50 % a ještě 30 % pohltí přepážky mezi jednotlivými obrazovými body na LCD prvku v projektoru. Úkol: Před objektivem DLP projektoru rychle mávejte dlaní s roztaženými prsty. Pozorujte barvy v původně bílé ploše na plátně. Které barvy tam najdete? Úkol: V dokumentaci datového projektoru najděte světelný tok a příkon. Vypočtěte tzv. světelnou účinnost v lumenech na watt! 34 Polem řízené tranzistory FET a Flash-disky Velkokapacitní paměti jsou dnes uloženy v malém pouzdře a jejich kapacita dosahuje běžně 1 GByte. Přitom jde o paměť s libovolným přístupem k datům – Random Access Memory (RAM ). Lze do ní uložit data a bez závad je přečíst za rok, deset i více let. Pro srovnání: data na harddisku s magnetickým záznamem mají spolehlivou životnost asi dva roky. Libovolný přístup je také důležitý: ve skutečné knize si můžeme ihned otevřít požadovanou stránku a nejsme nuceni začít listovat vždy od stránky s číslem 1. Pohled do Flash-disku je na následujícím obr. Obr. Velkokapacitní paměťové zařízení – Flash disk Základním prvkem tohoto typu paměti je polem řízený tranzistor, tzv. FET neboli Field Effect Transistor. Jeho funkci vysvětluje obrázek. Celý tranzistor je vytvořen na podložce (substrátu) z křemíku dotovaného trojmocnou příměsí a tedy s vodivostí P. Kolektor a emitor jsou silně dotované oblasti s vodivostí N a netvoří v tomto případě PN přechod. Shora je vytvořená tenká vrstva oxidu o tloušťce menší než 4 nm, schopná propustit elektrony tzv. tunelovým jevem. Následuje vrstva polovodiče bez dotace a ta funguje jako 35 plovoucí hradlo. Silná vrstva oxidu křemíku nad ní je velmi dobrým izolantem a shora je vytvořen kontakt pro připojení napětí, tzv. řídící hradlo. Obr. FET s plovoucím a řídícím hradlem Logická 0 odpovídá stavu, kdy v plovoucím hradle jsou uloženy elektrony a mezi kolektorem nemůže protékat proud. Ten by mohly přenášet elektrony, jenže za tohoto stavu jsou odpuzovány z prostoru mezi emitorem a kolektorem a vodivý kanál zaniká. Tranzistor je nyní rozepnutým spínačem. Logická 1 je zobrazena stavem, kdy v plovoucím hradle není přebytek elektronů a mezi emitorem a kolektorem mohou procházet elektrony – tranzistor je v sepnutém stavu. Tranzistor pracuje ve třech režimech: write (zápis), erase (mazání), read (čtení). Write Kolektorové napětí 7 V stačí na vytvoření proudu elektronů od emitoru ke kolektoru. Vyšší napětí na řídícím hradle (12 V) způsobí přechod některých z nich do plovoucího hradla. Obr. Zápis 36 Erase Na řídící hradlo je vloženo napětí záporné – 9 V a na emitor kladné 6 V. Elektrony z plovoucího hradla jsou tunelovým jevem odvedeny přes vrstvu izolantu. Obr. Mazání Read Nižší kladné napětí na řídícím hradle (5 V) ruší vliv elektrického pole elektronů v plovoucím hradle. Na kolektoru je 1 V a to stačí k vedení proudu mezi kolektorem a emitorem. Tranzistor vede zanedbatelný, zbytkový proud – stav odpovídá logické 0 a tranzistor se chová jako rozepnutý spínač. Obr. Čtení Pokud při čtení nejsou v plovoucím hradle elektrony, vytvoří kladné napětí na řídícím hradle vodivý kanál a kolektorový proud má vyšší hodnotu. To odpovídá logické jedničce a tranzistor se chová jako sepnutý spínač. Každý tranzistor představuje jeden paměťový prvek, schopný „zapamatovat si“ logickou jedničku nebo nulu. Na čipu jsou vytvořeny řádky a sloupce vodičů a v místech křížení jsou umístěny popsané tranzistory. Schematická značka je jednoduchá – viz obr. Obr. Schematická značka tranzistoru s plovoucím hradlem 37 V následujícím obrázku jsou sepnuté tranzistory FET znázorněny jako sepnuté tlačítko (oranžové) a rozepnuté tlačítko (šedé). Zakreslen je pouze kolektor (vlevo) a emitor (vpravo). Svislé vodiče končí na spínačích y1 až y4 a vodorovné vodiče začínají na spínačích x0 až x7 . Všechny spínače jsou ve skutečnosti tvořeny dalšími tranzistory FET, tentokrát bez plovoucích hradel. Obr. Blok Flash paměti-čtení dat Blok paměti na obrázku je určen pro 4 osmibitová slova. Slovo č. 0 vybereme sepnutím spínače y0 a pak čteme bity tohoto slova postupným spínáním spínačů x0 až x1. Vždy je sepnut jen jeden z nich. Při sepnutém spínači x0 proud 38 neprojde, na vstup invertoru se dostane celý jeden volt – logická jednička a invertor bude mít na výstupu 0 voltů, tedy logickou nulu. Spínač x1 umožní průchod proudu a na odporu R vznikne úbytek napětí. Na vstup invertoru se dostane napětí blízké 0 V a to znamená logickou nulu. Na výstupu invertoru bude logická jednička. Celé osmibitové číslo zapsané v tomto slově bude Y0 = 01100110 V obrázku nejsou zakresleny vodivé cesty pro ovládání řídících hradel ani pro připojování potřebných napětí na kolektory a emitory FETů s plovoucím hradlem. Současné technologie umožňují na čipu vytvořit paměť pro několik GB (gigabajtů) záznamu a již existují harddisky, v nichž jsou data uložena v této podobě- každý bit je fyzicky vytvořen jako plovoucí hradlo s přebytkem elektronů nebo elektricky neutrální. Cena je zatím několikanásobkem ceny harddisku s magnetickým záznamem a proto se s nimi v obvyklých PC nesetkáme. Při hromadné výrobě budou obecně dostupné a z počítačů tak zmizí poslední dosud nezbytná elektromechanická část – harddisk s rotujícími disky. 39 Globální polohový systém GPS Určení polohy objektu na povrchu Země a polohy libovolné družice je dnes možné s přesností na několik centimetrů. Obecně je známo, že systém pracuje na základě příjmu signálu z několika družic a dál už stačí si za přibližně 10 tisíc zakoupit přístroj o něco větší, než mobilní telefon. Pro zvídavého studenta je to podnět k pátrání po informacích a snaze pochopit funkci systému. Pro učitele fyziky může být další text informačním i metodickým materiálem. Princip určení polohy ze zpoždění signálů V rovině umístěné vysílače radiových signálů (V1, V2, V3) vyšlou v čase t0 = 0 s krátký impuls a přijímač je zachytí se zpožděním – signál od V1 v čase t, signál od V2 v čase t + Δt1 a signál od V3 v čase t + Δt2 . Polohy vysílačů jsou známé a obsluha přijímače je schopna zjistit pouze rozdíl Δt2 – Δt1 . Signál od V2 urazil vůči signálu od V1 dráhu delší o Δs12. Body v rovině, jejichž vzdálenosti od V1 a V2 se liší o Δs12 leží na hyperbole H12. Podobně lze z rozdílu Δt3 – Δt1 určit hyperbolu H13 a přijímač se nachází v průsečíku obou hyperbol. Pro určení polohy v prostoru je nutný příjem signálu ze čtvrtého zdroje. Rádiový signál se šíří rychlostí světla a ta je ve vakuu konstantní: c = 299 792 458 m.s–1 . Jedna sekunda je definována časovým intervalem, který se rovná 9 192 631 770 periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133. 40 Předpokládejme, že zpoždění Δt zjistíme s přesností, obvyklou při sportovních měřeních – tam se měří na milisekundy. Za 1 ms urazí radiový signál dráhu Δs = c.Δt = 2,99. 105 m a určit polohu přijímače s chybou takřka 300 km nemá takřka smysl. Chybu polohy menší než jeden metr dostaneme až tehdy, budeme-li měřit časy s odchylkou menší než 1 nanosekunda. Z toho vyplývá požadavek na frekvenci rádiových signálů – musí být větší než 1 GHz. Systém GPS byl vytvářen od roku 1973 na objednávku ministerstva obrany USA a v roce 1978 byla na oběžnou dráhu umístěna první družice. Také oficiální název vypovídá o vojenském určení: NAVSTAR GPS je zkratkou: Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System. V civilním sektoru se ale nabízelo mnoho účelných možností využití a proto byl zpřístupněn v osmdesátých letech pro občany. Poznámka V době vzniku amerického systému reagoval také tehdejší SSSR: v roce 1976 bylo rozhodnuto o stavbě systému a v roce 1982 byla umístěna na orbitu první družice soustavy GLONASS (Globální navigační satelitní systém). Rusko provozuje svůj GLONASS podobně jako USA, přednost má ovšem vojenská část. Kosmická část amerického GPS má pokrývat signálem celou Zemi a z každého místa musí být viditelné nejméně 4 družice. Celkem 24 družic je rozmístěno na šesti kruhových drahách. Roviny drah svírají s rovníkem úhel 55°, výška nad povrchem Země je 20 190 km a doba oběhu 11 hod 58 min. Výška a tím také doba oběhu jsou stanoveny tak, že družice oběhne Zemi dvakrát za jeden hvězdný den. Na obrázku je pouze jedna z drah a čtyři satelity. Ty mají omezenou dobu života a jsou postupně nahrazovány novějšími a výkonnějšími typy. Prvním typem byly satelity Blok 1 stavěné firmou Rockwell International. Byly vybaveny dvěma rubidiovými a dále cesiovými atomovými hodinami a pracovat měly 4,5 roku. Skončily v roce 1995 a jejich místo zaujaly satelity Blok II. V devadesátých letech nastupují zdokonalené typy 41 Blok II A, vybavené laserovým odrážečem. S jeho pomocí lze přesně určit polohu laserovým impulzem vyslaným z pozemní stanice. Tyto satelity mohou pracovat až 180 dní bez nutnosti korekcí z pozemního střediska. Nejdokonalejšími jsou zatím družice Blok II R. Mají životnost 10 let, lepší ochranu před kosmickým zářením, větší zásobu paliva pro vlastní raketové motory a vlastní palubní počítač. Nesou si troje rubidiové atomové hodiny. S tímto vybavením jsou družice schopny si samy korigovat dráhu a sledovat své pozice bez zásahu pozemního střediska. V tabulce 1 jsou uvedeny podrobnější údaje družic GPS. Tabulka 1 Blok I Blok II Blok II A Blok II R Výrobce Rockwell Int. Rockwell Int. Rockwell Int. Lockheed Martin Vypuštění na oběžnou dráhu II/1978 – X/1985 II/1989 – X/1990 XI/1990 – XI/1997 XI/1997 – XI/2004 Vypuštěno ks 11 9 19 12 Hmotnost (při startu) 759 kg 1 816 kg 1 816 kg 2 032 kg Plánovaná životnost 4,5 roku 7,3 roku 7,3 roku 10 let V současnosti v provozu 0 2 16 12 Nosič na oběžnou dráhu Atlas E, F Delta II Delta II Delta II Inklinace dráhy letu 63° 55° 55° 55° Atomové hodiny na palubě 1×Cs, 2×Rb 2×Cs, 2×Rb 2×Cs, 2×Rb 3×Rb Vysílací frekvence L1, L2 L1, L2 L1, L2 L1, L2 Funkčnost bez kontaktu s pozemní stanicí 3 – 4 dny 14 dní 180 dní > 180 dní 42 Tabulka převzata z článku Kvapil, J.: Kosmický segment GPS a jeho budoucnost, č. 2/2005, www.aldebaran.cz. V tabulce jsou vysílací frekvence označeny symbolicky a již víme, že mají být větší než 1 GHz. Jaké signály družice vysílá? Atomové hodiny cesiové vycházejí z frekvence 9 192 631 770 Hz, hodiny rubidiové z frekvence 6,834 GHz. Děliče kmitočtu v obou případech sníží kmitočet na hodnotu f0 = 10,23 MHz a násobiče kmitočtu pak zvýší frekvenci na • nosnou frekvenci linky 1 f(L1) = 154.f0 = 1,57542 GHz • nosnou frekvenci linky 2 f(L2) = 120.f0 = 1,2276 GHz. Signál má binární informaci – tj. přenáší pouze dva stavy, odpovídající logické jedničce a logické nule. Je použita fázová modulace – logická jednička je zobrazena signálem s fázovým posunem 0 a logická nula s fázovým posuvem π. Doba trvání signálu jednoho číselného symbolu je omezena např. na dvě periody a přepínání fáze se uskuteční v okamžiku průchodu nulou. Na obrázku je znázorněn fázově modulovaný signál pro přenos binárního čísla 10110, tj. dekadické 22. Obr. Fázově modulovaný binární signál Rozeznat v přijímači kde končí jeden symbol a začíná další vyžaduje přesnou synchronizaci a také „čtení“ fáze je technicky náročné. Každý ze satelitů (21 z nich je vždy v provozu, 3 zůstávají jako záložní) vysílá několik kódů: C/A kód, tzv. Coarse/Acquisition kód je určen neautorizovaným uživatelům a je tvořen binárním číslem o 1 023 bitech a bity jdou za sebou s frekvencí 1 023 MHz. Vyslání jednoho čísla – kódu trvá právě 1 milisekundu a to se stále 43 opakuje. Kód každého satelitu je jiný a přijímač GPS – například navigační systém v autě, má k dispozici kódy všech satelitů. Postupně přijímač porovnává přijaté signály, až najde shodu. Tím je určen satelit, který poskytl signál. Dále potřebuje přijímač informaci o poloze satelitu. Ta je uložena v tzv. navigační zprávě a bity navigační zprávy jsou vysílány relativně pomalu – jeden bit za 2 setiny sekundy. Délka navigační zprávy je 1 500 bitů a obsahuje informaci o poloze všech družic a další data, například o stavu ionosféry. (Stav ionosféry je důležitý pro korekce výpočtu zpoždění a použije se pro přesnější navigaci.) C/A kód stačí pro určení polohy v rovině s přesností na několik metrů a to automobilistům a turistům bohatě stačí. Nosnou frekvencí pro tento kód je L1. Přesnější určení polohy umožňuje tzv. P-kód (Precision code), vysílaný na obou nosných frekvencích L1 a L2. Je určen autorizovaným uživatelům, kteří si zakoupili právo jej používat. Dvě frekvence umožní korigovat vliv ionosféry a troposféry na šíření radiového signálu a například geodetická měření polohy mají chyby jen několik milimetrů. Poznámka Tady se ale používá také korekce získaná referenčním přijímačem, jehož polohu na Zemi přesně známe. Pozici určíme nejprve pro referenční přijímač pomocí signálů družic a pak vypočteme korekce tak, aby výsledek souhlasil se skutečnou pozicí referenčního přijímače. Stejné korekce použijeme pro úpravu výsledků na dalším přijímači. P-kód vysílá své bity s frekvencí 10,23 MHz a jedno binární číslo má 15 345 000 bitů, vyslání trvá 1,5 sekundy. Za ním se umístí další binární číslo o 37 bitů delší. Každá z družic používá své zvláštní kódy týden a pak se (vždy v sobotu o půlnoci) kódy mění. Pro vojenské účely se kódy ještě šifrují – vzniká kód P(Y). Na první pohled je šifrování prosté: chcete poslat dekadickou informaci - číslo 1225, ale pošlete 1225 + 202035 = 203260. Adresát musí vědět, že od přijatého čísla 203260 musí odečíst „klíč“ 202035. Klíčem v systému GPS je tajná informace, tzv. W-kód, se kterým pracují jen vojenské přijímače. Vysílán je s frekvencí bitů 511,5 kHz. 44 Přesnost určení polohy s použitím P-kódu je na decimetry a teprve započtením dalších oprav se odchylky zmenší na centimetry (bez referenčního přijímače). Nutné opravy jsou relativistické a dopplerovské. Dopplerovská oprava je potřebná vzhledem k nedokonale kruhové dráze satelitu - je zdrojem signálu s kolísající frekvencí a má-li přijímač dostat časové informace na frekvenci 10,23 MHz, je nutný přepočet a ten si provede přijímač na Zemi. Relativistická oprava je také fyzikálně zajímavá: signál jde k Zemi z míst s menší intenzitou gravitačního pole a je přijímán na povrchu Země, kde je g větší. Z obecné teorie relativity vyplývá, že přijímač zaznamená signál s frekvencí nepatrně vyšší. Aby přijatý signál měl požadovaných 10,23 MHz, jsou hodiny na družici nastaveny na frekvenci (1– 4.10–10).10,23 MHz. Podrobně jsou korekce vysvětleny v článku Klepáč, P., Horský, J.: Teorie relativity a Globální poziční systém, Československý časopis pro fyziku, č. 5/2003. Soustava družic je pod kontrolou pozemních stanic s centrálou v Colorado Springs. Další čtyři jsou v blízkosti rovníku: Havajské ostrovy, Marshallovy ostrovy (atol Kwajalein), ostrov Ascension v Atlantiku, ostrov Diego Garcia v Indickém oceáně. Úkolem pozemní části systému je neustálá kontrola a korekce poloh satelitů, kontrola atomových hodin, synchronizace všech hodin na družicích a kontrola technického stavu družic. Tady jde o obousměrné spojení satelit – pozemní stanice a potřebné telemetrické údaje jsou součástí navigační zprávy, vysílané nejpomaleji s bitovou frekvencí 50 Hz. 45 Přijímače GPS jsou dnes dostupné každému a jsou vybaveny softwarem, který ze stanovených poloh dokáže dokonale navigovat na zemi, na moři i ve vzduchu. Špičkový současný software obsahuje: • Detailní bezešvou vektorovou mapu Evropy pokrývající ANDORU, BELGII, ČESKOU REPUBLIKU, DÁNSKO, FINSKO, FRANCII, NĚMECKO, MAĎARSKO, IRSKO, ITALII, LUCEMBURSKO, NIZOZEMÍ, NORSKO, POLSKO, PORTUGALSKO, RAKOUSKO, ŘECKO, SAN MARINO, SLOVENSKO, ŠPANĚLSKO, ŠVÉDSKO, ŠVÝCARSKO, ČÁST RUSKA, TURECKO, VATIKÁN a VELKOU BRITÁNII do úrovně ulic. • GPS satelitní navigaci o zobrazení aktuální pozice v mapě o ukládání a přehrávání cesty • Hlasovou navigaci o intutivní door to door hlasová navigace v různých jazycích o přehled aktuálních manévrů a vzdáleností, které se zobrazují na displeji o možnost nastavení vzdálenosti do spuštění hlasových instrukcí před dalším manévrem o orientace mapy podle severu nebo směru jízdy • Routing – plánování trasy o plánování door to door trasy celou Evropou o routování přes hranice mezi evropskými státy o silnice s poplatky a omezeními pro nákladní automobily o jednosměrky a dopravní omezení o zobrazí nejkratší, nejrychlejší nebo nejlevnější trasu k jednomu nebo více cílům o detailní itinerář cesty • Vyhledávání o index 9 420 000 ulic s popisnými čísly domů o přes 2 230 000 zajímavých míst o přidání vlastních uživatelských objektů o nalezení nejbližších bodů zájmu o PSČ 46 Na displeji svého Personálního Digitálního Asistenta (PDA) s GPS můžete mít například takový obraz: Nově zakoupený přijímač GPS nemá k dispozici údaje o drahách družic a platných kódech. Tyto údaje dostane po prvním zapnutí – je to soubor dat - tzv. Almanach. Jeho přenos je součástí navigační zprávy a je také poměrně pomalý a může trvat i několik minut. Platnost tohoto souboru dat je omezená (9 měsíců), takže dlouhodobé vypnutí přijímače znamená opět stažení nových údajů. Evropská unie a ESA (European Space Agency) budují postupně evropský systém Galileo. Bude mít celkem 30 satelitů, 27 v provozu a 3 jako zálohy na oběžné dráze. Ty budou tři se sklonem 56° k rovině rovníku. Satelity budou obíhat 23 222 km nad povrchem Země. Ověřovací satelit GIOVE A byl vypuštěn v roce 2005 a v lednu 2006 byly přijaty první signály. Všech 30 satelitů by mělo být v provozu v roce 2008. Galileo je navržen tak, aby mohl spolupracovat s americkým i ruským systémem. Uživatelům poskytne určení polohy s chybou menší než 1 metr. Na snímku je zmíněný satelit. Parametry satelitu: Vzletová hmotnost 450 kg. Celkový příkon 660 W. Rozměry 1,3×1,74×1,4 m Raketový pohon palivo butan 2 nádrže, každá 25 kg Fotočlánky SI 2 křídla po dvou panelech (0,98×1,74 m) Elektrická palubní síť 50 V stabilizovaný rozvod pro elektroniku 28 ± 6 V nestabilizovaný rozvod pro mechaniku 47 Atomové hodiny pro navigační satelity V tabulce s parametry amerických satelitů jsou uvedeny cesiové a rubidiové atomové hodiny. Cesiové jsou také pozemským normálem času a je zajímavé, jak vlastně tyto hodiny pracují. Proč právě cesium a ne jiný prvek? Cesium má 55 elektronů v obalu atomu a ve fyzikálních tabulkách zjistíme, že 54 elektronů zaplní všechny stavy s hlavním kvantovým číslem 1 až 5 a poslední 55. elektron je ve stavu s hlavním kvantovým číslem n = 6. Vedlejší kvantové číslo je v tom případě l = 0, magnetické kvantové číslo m = 0. Každý elektron má ale spin a magnetický moment spinový a orbitální. Valenční elektron cesia (padesátý pátý) může mít svůj magnetický moment orientován antiparalelně s celkovým magnetickým momentem ostatních elektronů (a jádra). V tomto stavu má atom nejnižší energii. Druhá možnost je paralelní orientace a energie atomu je nepatrně vyšší: ΔE = hf, kde h je Planckova konstanta a f je frekvence fotonu, který atom pohltí při přechodu z nižší na vyšší energetickou úroveň. Vlnová délka elektromagnetické vlny je přibližně 3,26 cm a frekvence právě f0 = 9 192 631 770 Hz. Atom má také v obou případech jiný magnetický moment a to atomové hodiny potřebují. Cesium zahřejeme a z kapalné fáze se odpařují jednotlivé atomy. Projdou mezi póly magnetu a odchýlí se – ty s nižší energií projdou do vakuové komory. Ta je rezonanční dutinou pro elektromagnetickou vlnu z oscilátoru, který kmitá na frekvenci f0. Právě tato frekvence je vhodná pro přechod atomů do vyššího stavu. Pak se svazek atomů dostává mezi póly dalšího magnetu a nabuzené atomy se odchýlí na vstup detektoru. V jeho komůrce 48 je rozžhavený wolframový drátek a atomy cesia se tepelně ionizují. Pak už jsou schopny vytvářet elektrický signál pro regulátor. Ten řídí elektrickým napětím kmity oscilátoru tak, aby „nabuzených“ atomů bylo co nejvíce. V celém systému je hluboké vakuum a atomy se nemohou vzájemně ovlivnit. Obr. Schéma cesiových atomových hodin Obr. Snímek cesiových hodin (Snímek pochází ze zdroje http://tycho.usno.navy.mil/cesium.htm)l Atomové rubidiové hodiny pracují s vyšší frekvencí 6,834 GHz a jsou miniaturizovány již na rozměry 100×204×114 mm (produk fy TEMEX TIME). Na snímku je jen základní modul s rubidiovou výbojkou a pracovní dutinou s parami rubidia, další přibližně stejný blok obsahuje napětím řízený oscilátor 10,3 MHz a řídící elektroniku. Řídící napětí cesiových hodin bylo odvozeno od počtu zachycených atomů v detektoru. Rubidiové hodiny odvozují řídící napětí od intenzity světla. 49 V hodinách se používá izotop 87Rb. Valenční elektron má základní stav s hlavním kvantovým číslem n = 5, vedlejším kvantovým číslem l = 0 a magnetickým kvantovým číslem m =0. Magnetický moment elektronu je orientován paralelně s magnetickým momentem zbytku atomu – energie elektronu je o něco vyšší, druhá možnost je orientace antiparalelní a energie je o něco nižší. Rozdíl energií valenčního elektronu v základním stavu odpovídá frekvenci fotonu f0 = 6 834 682 612,8 Hz. To je frekvence radiového signálu s vlnovou délkou přibližně 4,39 cm. Rubidiová výbojka poskytne fotony s energií odpovídající přechodu valenčního elektronu s n = 6 na n = 5. Vlnová délka tohoto světla je asi 780 nm. Základní stav je ale rozštěpen a světlo výbojky obsahuje fotony generované při přechodu do stavu s paralelní orientací (fotony s nižší energií) a při přechodu do stavu s antiparalelní orientací (fotony s vyšší energií). Fotony s nižší energií jsou absorbovány ve filtru, který obsahuje páry izotopu rubidia 85Rb. V pracovní komůrce jsou atomy izotopu 87Rb vystaveny působení elektromagnetického pole s frekvencí f0 a tím je stimulován přechod valenčních elektronů 50 v základním stavu z paralelního magnetického momentu na antiparalelní. Fotony světla pak tyto elektrony s velkou pravděpodobností převedou do vzbuzeného stavu s hlavním kvantovým číslem 6. Dojde k výrazné absorpci světla a fotodioda zaznamená ostré minimum signálu. Pokud je frekvence mikrovln odlišná, nedochází v pracovní komůrce k absorpci. Elektronika systému má tyto bloky: Analogový signál z fotodiody fyzikální části je zesílen a digitalizován. Mikroprocesor zjistí, zda absorpce dosáhla maxima. Pokud ne, pak na výstup pošle větší binární hodnotu, převodník DA pošle na napětím řízený oscilátor upravené řídící napětí a ten zvýší výstupní frekvenci. Ta se také dostane na vstup násobiče frekvence a po vynásobení se blíží hodnotě f0. Cyklus se opakuje, až je dosaženo maxima absorpce a to se stane právě na frekvenci f0. Data se ukládají do paměti. Podrobně o rubidiových atomových hodinách : http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/Manuals/FS725m.pdf Poznámka: Systém je nutné stínit před magnetickým polem a je třeba stabilizovat teplotu. 51 Doplněk Atomové hodiny na čipu Byly vyvinuty v NIST (National Institute of Standards and Technology) Vlevo (snímek 1) jsou schematicky části systému: a) laserová dioda – její světlo postupuje nahoru b) skleněné hranolky, výška 0,5 mm c) šedý filtr, tloušťka 0,5 mm d) kolimátor s čočkou, tl. 0,375 mm e) křemíková vrstva (nezakreslena, tl. 0,07 mm) čtvrtvlnná destička f) druhý šedý filtr, tl. 0,5 mm) g) sklo a vyhřívací vrstva z oxidu cínu a india (tl. 0,125 mm + 30 nm) h) sklo (tl. 0,2 mm) i) dutý křemíkový hranol, výška 1 mm j) sklo (tl. 0,2 mm) k) sklo a vyhřívací vrstva z oxidu cínu a india (tl. 0,125 mm + 30 nm) l) křemíková vrstva (tl. 0,375 mm) m) sklo (tl. 0,125 mm) Sestava má výšku 4,2 mm a základnu 1,5×1,5 mm. Foto 2 – sestava fotodiody, foto 3 - pohled do pracovního prostoru křemíkového hranolu, foto 4 – kondenzor s čočkou, foto 5 – laser, foto 6 – úplná sestava. Černá úsečka odpovídá délce 1 milimetr. V pracovním prostoru (i) jsou volné atomy cesia při teplotě asi 80 °C. Základní stav valenčních elektronů má dvě málo odlišné energie a přechod na 52 vyšší energetickou hladinu mohou vyvolat fotony s frekvencí f1 nebo f2. Jestliže v dopadajícím světle jsou obě frekvence současně, nastává nová situace: elektrony v základním stavu přecházejí koherentně mezi dvěma základními stavy a k přechodu na vyšší hladinu a tedy k absorpci fotonů již nedochází. Populace atomů cesia je koherentně zachycena jakoby v pasti. Anglický název pro tento jev je Coherent population trapping – CPT. Využití jevu pro atomové hodiny ukazuje schéma: Laserová dioda je napájena stejnosměrným proudem se střídavou složkou. Frekvence střídavé složky je rovna polovině rozdílu (f1 – f2). Frekvence světla diody je nosnou frekvencí amplitudově modulovaného signálu a modulace vytvoří navíc signál s frekvencí součtovou a rozdílovou. Tím se objeví v signálu frekvence vzdálené od sebe opět o rozdíl (f1 – f2) a atomy cesia se dostanou do vázaného stavu na základní hladině energie valenčního elektronu. Na fotodiodu dopadá v tomto případě maximum světla. Není-li frekvence modulátoru správná, větev zpětné vazby upraví kmitočet modulátoru. Ten je pak konstantní a slouží jako kmitočtový normál f0 a jeho dělením se získá sekundový signál. Přesnost a stabilita atomových hodin je velmi vysoká. Pro rubidiové hodiny udává výrobce TEMEX TIME odchylku 3.10–10 za rok. Rok má přibližně 3.107 sekund a odchylka za rok je tedy menší než 9.10–3 sekundy. Za sto deset let může být odchylka 1 sekunda. Škoda, že si na ni nepočkáme. 53 Mobily a síť GSM Česká republika má asi 10 milionů obyvatel a takřka stejný počet mobilních telefonů. Je škoda, že lidé dnes spíše hovoří s plastovou krabičkou než člověk s člověkem, ale pohodlí nade vše. Je však mnoho situací, kdy dovolat se odkudkoliv a být dosažitelný 24 hodin denně je opravdu výhodné a proto se mobily tak rozšířily. Na rozdíl od telefonu pevné linky umí mobil předat i krátkou textovou zprávu (SMS), dovede se připojit na Internet, má malý digitální fotoaparát a předá obraz i zvuk, barevný displej je samozřejmostí a… Funkcí mobilu přibývá a co bylo dnes špičkovou technikou, je zítra překonáno. Obr. Mobilní telefon s kamerou Zůstaneme jen u hlasového spojení a sledujme, co všechno mobil s naším slovem udělá. Změna zvuku na proměnné elektrické napětí V mobilech se osvědčily elektretové mikrofony. Na rozdíl od mikrofonů, jak je známe z vystoupení zpěváků nebo řečníků, jsou to mikrofony velmi malé – samotný mikrofon je ukryt např. v kovovém válečeku o průměru 6 mm a stejné délce. Z něj vedou jen dva vodiče. Elektretové mikrofony jsou dodávány se zabudovaným zesilovačem – polem řízený tranzistor má hradlo G spojené s elektrodou pokrytou nábojem v teflonu a kolektor vyveden pro připojení vnějšího zdroje. Samotný elektreto- 54 vý mikrofon pracuje jako kondenzátor s konstantním nábojem a proměnnou kapacitou. Obr. Elektretový mikrofon Membrána je vyrobena ze dvou vrstev: nosičem je destička z nitridu křemíku a na ní spočívá teflonová fólie s elektrickým nábojem. Protější uzemněná elektroda má vyleptány otvory, aby mohla membrána kmitat. Obr. Sestava mikrofonu – komůrka kondenzátoru Technologie integrovaných obvodů na křemíku dovolí vyrobit i tranzistor na tomtéž čipu. Všimněte si tloušťky plátků křemíku – jde o tisíciny milimetru a mikrofon v tomto provedení je skutečně citlivý. Snadno jej můžeme poškodit úderem nebo hlasitým zvukem: na mobil nekřičte! 55 Příprava dat pro vysílání Proměnné napětí z mikrofonu je dále zesíleno a kmitočty nad 4 000 Hz jsou odstraněny. Následuje digitalizace vzorků a je vytvořeno 8 000 osmibitových čísel za každou sekundu. Tím je stanoven bitový tok 64 kbitů za sekundu a celý systém není schopen tolik dat za sekundu přenášet. Proto nastupuje redukce informací na konečných 13 kbit/s a v nutných případech na 6,5 kbit/s. Redukce datového toku začíná „porcováním“ signálu na úseky po 20 tisícinách sekundy a zpracovává se vždy skupina 160 vzorků, tedy 160×8 = 1 280 bitů. V mobilu jsou uschovány modely zvuků lidské řeči a s nimi se vzorky porovnají. Najde-li mobil ve skupině dat daného úseku vzorky odpovídající modelu například hlásky „a“, zredukuje data na oznámení, že přijímač má ze své zásoby modelů použít zvuk „a“. Další omezení počtu vysílaných dat spočívá v předpovědi trvání daného zvuku: hláska „a“ zní obvykle 0,05 až 0,1 sekundy a jestliže se objevila v dané skupině 160 vzorků, bude i v následující. Řeč také obsahuje méně podstatné zvuky, které lze univerzálně nahradit šumem – zkuste si vyslovit „ssssssss“! Výsledkem redukce je pouhých 260 bitů na každý segment signálu o délce 20 milisekund. Dále mobil rozhoduje, které bity jsou nezbytné pro srozumitelnost příjmu. Vybere jich 50 a ty zařadí do první skupiny a ještě k ní přidá tři kontrolní bity. Kontrolní bity umožní, aby přijímač mohl opravit i chybný přenos. Další méně důležité bity (132 bitů) doplní čtyřmi bity označujícími konec „hlavní části“ a celá skupina 50 + 3 + 132 + 4 = 189 bitů se doplní obalem vložených bitů a vznikne 2 × 189 = 378 bitů. Z původních 260 bitů redukovaného zvukového signálu zbývá ještě 78 bitů, a ty se ke skupině jen připojí. Tak vznikne blok o 456 bitech, který zastupuje původních 1 280 bitů za 20 ms. Vysílat se bude pouze 22,8 kbitů za sekundu. Celý proces se podobá úkolu zabalit a odeslat porcelánový servis. Na dno krabice jistě dáme výstelku a zabalíme hluboké a ploché talíře – to je prvních 50 nejdůležitějších bitů. Mobil by sem přidal ještě tubu s lepidlem pro slepení talířů poškozených dopravou – 3 bity navíc. Pak zabalíme šálky a podšálky (132 bitů) a vše vložíme do krabice Oddělíme vše vložkou – 4 bity navíc. Proložíme vše kousky molitanu – zdvojnásobíme počet vložených částí. Zbyly nám ještě solničky, kořenky a ozdůbky z porcelánu (78 bitů) a ty přidáme v jednom papírovém obalu do krabice navrch. Připravený blok 456 bitů tvoří jeden datový rámec. Kdyby celý blok při přenosu postihl výpadek (rušení cizím signálem, atmosférické poruchy atd.), nemůže přijímač slyšet nic. Proto se berou sousední bloky a jejich data se vzájemně prokládají. Představte si odeslání zlatého a stříbrného servisu – pošleme dvě krabice, ale v každé bude část ve zlatě i ve stříbře. Příjemce může dostat 56 obě zásilky částečně poškozené, ale chybějící části má podle čeho nechat doplnit. Právě to je schopen udělat mobil – přijímač. Následující operací je šifrování vysílaných dat. Jistě nechceme, aby náš hovor poslouchal někdo další.V mobilu máme kartu SIM (Subscriber Identity Modul) a ta definuje jednoznačně přeskupení nul a jedniček ve vysílaných datech. Tím je náš hovor zašifrován a jak jej dešifrovat, se z našeho vysílání doví jen správně se legitimující přijímač, jehož číslo jsme zadali. Úkol: Zkuste vyslovit dlouhou větu a stopkami (použijte mobil) určete dobu jejího trvání a pak vypočtěte dobu trvání jedné hlásky. Úkol: Zašifrujte větu „Mobil je dobrý pomocník“ tak, že za každé písmeno i mezeru vložíte postupně písmena „a, x, t, c, n, e“. Rádiová síť GSM (Global System for Mobile Communications) Na stupnici rozhlasového přijímače najdete několik desítek vysílačů, které můžete poslouchat. Každý z nich má přidělenu frekvenci, na které smí vysílat a tak je zaručeno, že se vám v přijímači signály dvou stanic vzájemně neruší. Dosah rozhlasového vysílání VKV je dosti omezený a tak je možné, že stejnou frekvenci (např. 100,8 MHz) může použít jedna stanice v České republice a další v Anglii. Přidělení frekvencí je věcí mezinárodních dohod. Rozhlasový přijímač není zdrojem rádiového signálu, kdežto mobil je přijímačem a vysílačem současně a mobilů jsou miliony. Jak se mohou vzájemně dva účastníci najít a domlouvat, nerušit ostatní hovory, to zajišťuje zajímavý systém, z jehož principy se seznámíme. Váš mobil obsahuje rádiový vysílač pro frekvence 890 až 915 MHz a přijímač pro frekvence 935 až 960 MHz. Při navázání spojení použije mobil pro vysílání např. frekvenci 910 MHz a jeho signál obsadí frekvence 910 MHz + 100 kHz. Váš signál přijímá nejbližší základnová rádiová stanice BTS (Base Tranceiver Station). Ta vám také posílá signál, který posloucháte, ale na frekvenci přijímače vašeho mobilu, a ta je o 45 MHz vyšší, v daném případě 955 MHz. Přijímače mobilů pracují v pásmu 935 až 960 MHz. Šířka pásma pro jeden vysílaný nebo přijímaný signál je 200 kHz. K dispozici je pro vysílání 915 − 890 vašeho mobilu = 125 nosných frekvencí a stejný počet pro příjem 0,2 a základnová stanice si s vaším mobilem domluví, aniž bychom to mohli ovlivnit, na jaké frekvenci spojení proběhne. Takto by mohla jedna BTS zajistit spojení jen 125 účastníkům a to je málo. Další princip je tak zvané časové dělení kanálu – jednu frekvenci bude používat 8 účastníků, ovšem nikoliv současně, 57 ale v krátkých časových intervalech. Nazývají se „časové štěrbiny“ a trvají 576,9 mikrosekundy. To je umožněno tím, že data pro 20 milisekund řeči systém vyšle za podstatně kratší čas. (Analogicky je to u počítače s tiskárnou: ta vytiskne stránku za 20 sekund a vy ji budete číst dvě minuty; pak jedna tiskárna pohodlně zásobí textem 6 čtenářů.) Systém GSM má k dispozici 125×8 = 1 000 hovorových kanálů. Hovořících účastníků je ale více a je nutné použít další princip – dělení území na buňky obsluhované jednou základnovou stanicí a opakování nosných frekvencí na dostatečně vzdálené základnové stanici. Celulární (buňková) struktura sítě GSM Systém základnových stanic musí mít rezervovány některé kmitočty pro vzájemnou komunikaci a tak z možných 1000 kanálů použijí mobily jen 800. Jestliže základnová stanice č.1 smí použít kanály 1 až 114, pak další použije kanál 115 až 228 a konečně základnová stanice č. 7 bude pracovat na kanálech 685 až 798 a dva kanály nám zbudou pro jiné účely. Základnové stanice budou obsluhovat mobily na území ve tvaru šestiúhelníka – to je sedm BTS, tvořících jeden svazek. ( Počet buněk může být i jiný. ) Obr.10.3 Buňky sítě GSM Základnová stanice vysílá s tak malým výkonem, aby její signál nerušil práci další BTS, která pracuje na stejné frekvenci. Je zřejmé, že systém může pokrýt libovolně velké území. Jedna základnová stanice ale může zajistit v dané chvíli spojení jen pro 114 účastníků současně a ne více. Dojde- li k souběhu 58 více požadavků na spojení, sníží se počet zpracovávaných vzorků hovoru na polovinu a počet hovorů může být 228 současně. Více ale systém nezvládá. V místě s malou hustotou obyvatel bude základnová stanice obsluhovat větší území – velké buňky o průměru 10 až 30 km, střední hustota vede ke středním buňkám o průměru 3 až 10 km, pak jsou na řadě buňky malé 0,3 až 3 km a existují i mikrobuňky 100 až 300 m a pikobuňky pod 100 metrů v průměru. Úkol: Podívejte se po okolí ve svém bydlišti a odhadněte velikost „své domovské buňky. Navázání spojení v síti Mobil v pohotovostním stavu udržuje spojení s nebližšími základnovými stanicemi a je vyhodnocována kvalita signálu. Ta buňka, ve které má váš mobil nejlepší signál, je také místem, kde se váš mobil právě nachází. Celý systém má také ústřednu, která na „služebních“ kanálech je stále ve spojení se základnovými stanicemi. Na svém mobilu zadáte číslo volaného a stisknete tlačítko „volání“. Váš mobil nyní vyšle na základnovou stanici žádost o vytvoření spojení. Ve skutečnosti posílá volané číslo, druh požadované služby (hovor, SMS a jiné). Na radiotelefonní ústředně systém vyhodnotí vaši totožnost, služby, které smíte použít a začíná hledání volaného. Když ten přijme hovor, sestaví se spojení – jsou přiděleny vhodné volné kanály a hovor se uskuteční. Celá doba pro tuto operaci nesmí překročit jednu až dvě desetiny sekundy. Situace je ještě zajímavější, když máte mobil v autě a přejíždíte uvnitř buňky nebo do buňky sousední. Systém vyhodnocuje i během hovoru kvalitu spojení a přepne na jiný volný kanál, pokud kvalita spojení klesá – počet chyb v přijímaných datech roste. Výkony vysílačů v mobilech jsou relativně malé a dnes mají stanoveny hodnoty v několika třídách: 0,8 W, 3 W, 5 W, 8 W a 20 W. Běžný mobil vystačí se 3 watty a vysílaný výkon se automaticky snižuje na použitelné minimum. Po zapnutí mobilu a zadání PINu se mobil snaží přihlásit se na základnovou stanici plným výkonem a protože jde o intenzivní pulzy, je možné je zachytit i rozhlasovým přijímačem na libovolné frekvenci VKV, dokonce i na středních a dlouhých vlnách. Úkol: Položte mobil k rozhlasovému přijímači nebo k počítači se zapnutými reproduktory a mobil zapněte. Přihlaste se do sítě a sledujte, kolik pulsů se ozve v rozhlasovém přijímač. Pak vypněte mobil a sledujte odezvu v přijímači. Každý puls je odezvou na blok dat z vašeho mobilu. 59 Modulace signálu mobilních telefonů Přenášená data jsou při radiovém spojení kmity elektromagnetické vlny a zde se logické nule přiřadí nižší kmitočet a logické jedničce kmitočet vyšší. Při nosné frekvenci 910 MHz, kterou jsme použili v příkladu, bude logická nula mít frekvenci 910 000 000 Hz a logická jednička kmitočet nepatrně vyšší: 910 067 714 Hz. Tento způsob modulace se skrývá pod zkratkou MSK (Minimum Shift Keying) – modulace s minimálním fázovým posuvem. Každý bit přitom trvá 3,692 mikrosekundy a není dost dobře možné změnit kmitočet nuly na kmitočet jedničky okamžitě. Přechody frekvence jsou ve skutečnosti plynulé – takové modulaci se říká Gaussovská modulace s minimálním fázovým posuvem a zkratka je GMSK. Ochrana radiového spojení před únikem Považujeme za samozřejmé, že signál mobilu je vždy čitelný. Tak jednoduché to ale není. Při frekvenci 900 MHz je vlnová délka přibližně 33 cm a signál se ve městě mnohonásobně odráží, než se dostane na anténu mobilu. Interference může způsobit jak zesílení, tak zeslabení signálu pod použitelnou mez. Aby se únik signálu omezil, uskuteční se spojení mobilu se základnovou stanicí BSS (Base Station Subsystém) na rychle za sebou se měnících kmitočtech. Celkem 217krát za sekundu se kmitočet nosné vlny mění mezi pseudonáhodně zvolenými hodnotami. Podmínky pro destruktivní interferenci mohou nastat jen na velmi krátkou dobu a chybějící data si přijímač – mobil dokonce doplní výpočtem. Technika přeskakování na jiné frekvence byla původně určena pro utajení radiového spojení a má název „frequency hopping“. Tady se osvědčuje velmi civilně, ale pro utajení hovorů v mobilní síti nestačí. Data jsou proto před vysíláním kódována – jedničky a nuly jsou určitým způsobem přemístěny a klíčpořadí pro přemístění bitů- je uložen ve vaší SIM kartě. Literatura Žalud, V.: Moderní radioelektronika, BEN technická literatura, Praha 2000. 60 Objevy, vynálezy a jejich autoři Následující přehled objevů, dat a jmen preferuje oblast elektřiny a magnetismu a jejich využití. Dostupná data na internetu a vhodný podnět stačí, aby žáci začali vyhledávat samostatně potřebné informace. Formou projektu lze zadat řadu úkolů: • Určete objevy, které vám dnes umožnily přijít do školy. • Najděte vynálezy, které používáte o víkendu, při hře, pro zábavu. • Jaké poznatky z fyziky jsou užity v zařízeních, která použijí při práci rodiče? • Najděte neznámá slova, označující technická zařízení. • Najděte české vynálezce a objevitele. Určete národnost jiných vědců, objevitelů a vynálezců! • Který přístroj jste poznali ve sbírkách našeho kabinetu fyziky? • Staňte se vynálezcem, sestavte (telefon, dírkovou komoru, kompas ...)! Příležitost k samostatné práci dejme i těm, kteří inklinují k historii nebo ke studiu jazyků: • Kdy a kde žil český vynálezce bleskosvodu? • Jaké národnosti byl a jak správně vyslovit jméno objevitele telegrafu? Pro učitele je vhodné mít po ruce přehled významných objevů: 600 př.n.l 1600 1663 1729 1733 1752 1785 1789 Popis přitažlivých sil vznikajících třením jantaru První poznatky o elektřině získané třením Třecí elektrika - přístroj na získávání elektrického náboje třením Rozdělení látek na vodiče a nevodiče Rozlišení kladného a záporného elektrického náboje Důkaz elektrické povahy blesku, bleskosvod Zákon o silách působících mezi elektrickými náboji První poznatky, vedoucí ke zdrojům elektrického proudu (živočišná elektřina) 61 Thales z Milétu William Gilbert Otto von Guericke Stephan Gray Du Fay Prokop Diviš Benjamin Franklin Charles August de Coulombe Luigi Galvani 1796 Galvanický článek a baterie Alessandro Volta 1800 1802 První elektrolýza vody Objev a popis elektrického oblouku 1809 1811 1820 Elektrický telegraf Elektrická oblouková lampa Působení elektrického proudu na magnetku Objevení termoelektřiny Základy teorie elektromagnetických jevů Magnetizace železa elektrickým proudem, elektromagnet Vztah mezi elektrickým proudem, napětím a odporem První elektrický motor Objev elektromagnetické indukce, základy teorie elektromagnetického pole Pravidlo o směru indukovaného proudu Popsání zákonů elektrolýzy Elektromagnetický telegraf Elektromotor na stejnosměrný proud Závislost elektrického odporu na teplotě Morseův telegraf a abeceda Objev galvanoplastiky Zákon o přeměně elektrické energie v tepelnou energii Výpočet elektrických proudů v rozvětvených obvodech Konstrukce induktoru První dálnopis Objev katodových paprsků Olověný akumulátor Telefonní mikrofon Teorie elektromagnetického pole A. Carlisle V. V. Petrov, Davy Sömmering S. T. Humprey Davy Hans Christian Oerstedt T. J. Seebeck André Marie Ampére 1821 1824 1825 1826 1828 1831 1833 1833 1834 1834 1835 1837 1838 1841 1850 1851 1855 1859 1860 1861 1864 62 L. J. Gay - Lussac Georg Simon Ohm P. Barlow Michael Faraday Heinrich Friedrich Emil Lenz Michael Faraday K. F. Gauss, W. E. Weber M. H. Jacobi H. F. E. Lenz Samuel F. B. Morse M. H. Jacobi J. P. Joule G. R. Kirchhoff H. D. Ruhmkorff D. E. Huges J. Plücker G. R. Planté J. P. Reis J. C. Maxwell 1866 1876 1876 1877 1877 1878 1879 1879 1882 1882 1885 1886 1886 1888 1889 1891 1891 1893 1895 1895 1896 1897 1897 1898 1900 1901 1901 1902 1903 1903 1904 1905 Konstrukce dynama Elektrický telefon Oblouková lampa Fonograf Braunova trubice – použití katodových paprsků Regulace obloukové lampy Uhlíková žárovka Elektrická pouliční dráha Přenos elektrické energie na vzdálenost 57 km První veřejná elektrárna Otáčivé magnetické pole a indukční elektromotor Elektrolytická průmyslová výroba hliníku Objevení elektromagnetických vln Objev fotoelektrického jevu Třífázový generátor a třífázový rozvod Princip kinematografu Konstrukce transformátoru Konstrukce fotonky První rádiové spojení Rentgenové záření Objev přirozené radioaktivity Bezdrátový telegraf Změření elektrického náboje iontů Konstrukce obrazovky Žárovka s kovovým vláknem Zákon pro emisi elektronů z rozžhavených kovů Přenos lidské řeči rozhlasem Přirozený radioaktivní rozpad Vysílač netlumených elektromagnetických kmitů Základy elektronové teorie atomu Konstrukce vakuové diody Speciální teorie relativity 63 W. Siemens A. G. Bell P. N. Jabločkov T. A. Edison K. E. Braun F. Křižík T. A. Edison W. Siemens M. Depréz T. A. Edison G. Ferraris, N. Tesla P. L. T. Héroult Heinrich Hertz W. L. F. Hallwachs M. O. Dolivo-Dobrovolskij T. A. Edison N. Tesla H. F. Geitel A. S. Popov Wilhelm Conrad Röntgen H. Becquerel G. M. Marconi J. Townsend K. F. Braun Karl Auer von Welsbach O. W. Richardson R. A. Fessenden E. Rutheford, F. Soddy V. Poulsen J. J. Thomson J. A. Fleming Albert Einstein 1906 1934 1934 1935 1938 Konstrukce zesilující elektronky – triody Stanovení hmotnosti a náboje elektronu Vynález osvětlení majáku Vytvoření modelu atomu Elektronkový vysílač Obecná teorie relativity První umělá jaderná přeměna Zvukový film Základy polarografie První televizní přenos Objev neutronu Teorie o složení atomového jádra z protonů a neutronů Objev umělé radioaktivity Štěpení prvků neutrony Konstrukce radaru Štěpení jádra uranu 1939 1942 1947 Přenos barevné televize První jaderný reaktor Objev tranzistoru 1950 1950 1951 1954 Návrh na řízení termojaderné reakce Elektronový mikroskop Neřízená termojaderná reakce – vodíková bomba Objev maseru 1954 1957 1958 1958 První atomová elektrárna První umělá družice Země Pokusná telekomunikační družice Objev laseru 1959 Přenos fotografických snímků odvrácené strany Měsíce Přenos televizních pořadů pomocí družice Telstar 1909 1912 1913 1915 1916 1919 1919 1922 1926 1932 1932 1962 64 L. Forest, R. Lieben R. Millikan N. G. Dalén Niels Bohr L. Forest Albert Einstein E. Rutheford J. Engl, H. Vogt, J. Massole J. Heyrovský J. L. Baird J. Chadwick W. K. Heisenberg, I. J. Tamm, D. D. Ivaněnko Manželé Curieovi E. Fermi R. A. Watson-Watt O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitnerová J. L. Baird E. Fermi W. H. Brattain, J. Bardeen, W. B. Shockley I. J. Tamm, A. D. Sacharov E. W. Müller E. Teller Ch. H. Townes, A. M. Prochorov , N. G. Basov SSSR SSSR USA N. G. Basov, A. M. Prochorov, Ch. H. Townes SSSR USA 1966 1969 1972 1982 1986 Přenos televizních snímků z povrchu Měsíce Přistání astronautů na Měsíci Počítač s laserovou pamětí První kompaktní disk (CD) Ve strojírenství se poprvé používají laserové roboty SSSR USA USA Philips+ Sony, Hannover Kdo byl ... Pouhé jméno mnoho neříká, rychle zmizí z naší paměti. Najděme si více osobních údajů a také si připomeňme dějinné události doby, v níž tito lidé žili. Fyzika a technika je také dějinami lidstva – neméně, než historie sama. Gilbert William (džilbert), 1540-1603, fyzik a lékař na dvoře královny Alžběty. Ve spise De magnete, magneticisque corporibus, et de magnete tellure (1600) tvrdí, že Země je velký magnet a uvádí potvrzení experimentem. Objevil neoddělitelnost magnetických pólů. Zavádí pojem "elektřina" a dělí látky na elektrické a neelektrické. Guericke, Otto von (gerike) 1602-1686, fyzik a starosta Magdeburku. Objevil vývěvu (1650) a je znám experiment s magdeburskými polokoulemi. Dokázal, že zvuk se nešíří vzduchoprázdným prostorem. Prokázal pružnost, vážitelnost a rozpínavost vzduchu. Zjistil odpuzování souhlasně nabitých těles. Sestrojil třecí elektriku – elektrostat. Výzkumy o vlastnostech vzduchu shrnul ve spisu Experimenta nova (ut vocantur) magdeburgica de vacuo spatio (1672). Gray Stephen (gré)1670-1736, angl. elektrotechnik, člen Královské vědecké společnosti. Určil rozdíl mezi vodiči a nevodiči. Pozoroval vliv nabitých těles na nevodiče. Na obrázku je chlapec nabíjen elektrickým nábojem z třecí elektriky. 65 Du Fay Charles Francoise de Cisternay (dyfe), 16981739, fr. chemik a přírodovědec, člen Pařížské akademie věd. Studoval fosforescenci, optické jevy (dvojlom), konstruoval sluneční hodiny. Objevil, že existují dva druhy elektrického náboje. Franklin Benjamin (frenklin) 1706-1790, americký fyzik,vynálezce a politik. Populární přednáška r. 1746 ho přivedla ke zkoumání elektrických jevů. Vyslovil unitární teorii elektrických jevů, zavedl pojem kladný a záporný elektrický náboj, vysvětlil funkci leydenské láhve, setrojil deskový kondenzátor. Poznal elektrickou podstatu blesku. Poznatky vydal 1751 - Experiments and Observations on Electricity Carried out at in Philadelphia. Zmapoval Golfský proud. Coulomb Charles Augustin de (kulom) 1736-1806, francouzský fyzik a inženýr. 1777 uspěl v soutěži o nejlepší konstrukci kompasu, kterou vyhlásila Pařížská akademie věd. Od r.1782 členem Pařížské AV za teorii jednoduchých strojů a jejich konstrukci. 1784 vydal práci Recherches théoretiques et experimentales sur la force de torsion et sur l'élasticité des fils de metal a vypracoval metodu měření malých sil torzními vážkami. V r. 1784 proměřil síly, působící mezi elektrickými náboji. V letech 1785 až 1789 vydává 7 svazků Sur l'électricité et la magnétisme. Galvani Luigi 1737-1798, profesor anatomie na universitě v Bologni. Proslavil se fyziologickými pokusy s preparáty žabích svalů, které se při dotyku s kovovými předměty zachvívaly (1789). Spis nazval De viribus electricitatis in motu musculari comentarius. Vydáno 1791. 66 Volta Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio 17451827, profesor na universitě v Padově. V r. 1769 vydává spis O přitažlivé síle elektrického ohně, ve které popisuje experimenty s leydenskou lahví. 1787 sestavil citlivý elektroskop se slaměnými stébly. Prostudoval Galvaniho pokusy a dokázal, že jde o elektrický potenciál a proud, vznikající při ponoření různých kovů do elektrolytu. Sestrojil Voltův sloup, první baterii schopnou dodávat trvalý proud při napětí až 100 V. Carlisle, sir Anthony (karlajl) 1768-1840, fyziolog, profesor anatomie na Královské akademii umění v Londýně. V roce 1800 objevil spolu s W. Nicholsonem elektrolýzu vody. Petrov Vasilij Vladimírovič 1761-1834, ruský fyzik a elektrotechnik, člen Petrohradské akademie věd. Jeden ze zakladatelů elektrochemie. Jako prvý pozoroval a popsal elektrický oblouk (1802). Sömmering Samuel Thomas von 1755-1830, lékař a přírodovědec, královský lékař v Bavorsku, člen Mnichovské a Petrohradské AV, profesor v Mohuči a v Kasselu. Jako první podal přesný popis nervů v mozku. Zabýval se i fyzikou a v roce 1809 vynalézá telegraf. Davy, sir Humprey (dejvi) 1778-1829, angl. chemik a fyzik. Začínal jako po-mocník chirurga. Od r.1820 prezidentem Královské společnosti, čestný člen Petrohradské AV. Jeden ze zakladatelů elektrochemie. Elektrolýzou získal kovový draslík a sodík. Roku 1811 objevil oblouk mezi uhlíkovými elektrodami. 67 Oersted Hans Christian 1777-1851, dánský fyzik, profesor kodaňské univerzity. Zahájil studium elektromagnetických jevů. V roce 1822 vydává spis Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticum. Na jeho práci navazují Ohm, Ampère a Faraday. Seebeck Thomas Johann, něm. fyzik, člen Berlínské AV a Institut de France. Objevil termoelektrický jev (1821), základní poznatky o tepelném záření. Sestrojil polariskop. Ampère André Marie 1775-1836, francouzský fyzik a matematik. Od roku 1805 profesor Polytechniky v Paříži, 1824 na Colége de France. Člen Institut de France a mnoha AV. Zabývá se matematickou teorií her, aplikacemi vyšší matematiky na problémy mechaniky, rozvíjí variační počet. Po roce 1809 v několika pracích řeší matematicky problémy optiky a teorie plynů. Vybudoval matematickou teorii elektromagnetických jevů, vyslovil hypotézu o molekulárních proudech.Tyto objevy shrnul v díle La théorie des phénoménes electro-dynamiques v roce 1826. Gay-Lussac Louis Joseph (ge lysak) 1778-1850, fr. chemik a fyzik. 1808-1832 prof. na Sorbonne. Člen Institut de France a Petrohradské AV. Studoval vlastnosti plynů. V roce 1804 uskutečnil dva lety balónem, při druhém dosáhl výšky 7016 m. Dokázal, že v této výšce se intenzita magnetického pole podstatně nemění a vzduch má stejné složení, jako u země. V roce 1825 spolu s Francoisem Arago pozoruje zmagnetování železa, vloženého do závitu s proudem. 68 Ohm Georg Simon 1787-1854, univerzita v Erlangen a v Mnichově. Člen Královské společnosti. Na základě řady pokusů formuloval Ohmův zákon v díle Bestimmung des Gesetzes (1826). Ohmův zákon se setkával s nedůvěrou a teprve v roce 1881 na mezinárodním kongresu fyziků v Paříži byl plně přijat a na počest autora byla pojmenována jednotka odporu ohm. Barlow Peter (bárlou) 1776-1862, anglický matematik a fyzik, člen královské společnosti. V r. 1828 vynalezl první elektromotor - Barlowovo kolečko. Faraday Michael (feredy) 1791-1867, angl. fyzik a chemik. Pro nedostatek peněz nedokončil ani základní školu. Vyučil se knihařem a po večerech navštěvoval populární přednášky z fyziky a astronomie. Od r. 1813 asistentem H. Davyho na Královském institutu v Londýně. 1825 ředitelem tohoto ústavu, 1824 členem Královské společnosti a později členem Institut de France a všech evropských AV. 1831 objevil elektromagnetickou indukci, 1834 vlastní indukčnost cívky, téhož roku zákony elektrolýzy. Studuje dielektrika, poznává diamagnetika, objevil otáčení polarizační roviny světla magnetickým polem. Zavedl pojem siločar. Jeho pojetí elektromagnetických jevů dal matematickou formu J. C. Maxwell a pak teprve bylo všeobecně uznáno. 69 Lenz Heinrich Friedrich Emil 1804-1865, ruský fyzik německého původu, člen Petrohradské AV a profesor tamtéž. 1835 objevil závislost odporu na teplotě, v roce 1833 formuluje pravidlo, dnes zvané Lenzovo. Gauss Karl Friedrich 1777-1855, profesor univerzity v Göttingen. Zabývá se matematikou – důkaz základní věty algebry, teorie komplexních čísel, matematická analýza, diferenciální geometrie a jiné oblasti. Je považován za "knížete evropské matematiky". Úspěšný v teoretické mechanice, v měření magnetických polí, v astronomii. 1839-40 vytvořil teorii potenciálu. V roce 1833-34 vytvořil spolu s Wilhelmem Webrem elektrický telegraf. Weber Wilhelm Eduard 1804-1891, profesor na univerzitě v Götingen a v Lipsku; člen Královské společnosti a Institut de France. Zkoumá elektrické a magnetické jevy. Zavádí absolutní soustavu jednotek, objevil zákon vzájemného působení pohybujících se elektrických nábojů. Po něm je pojmenována jednotka magnetického toku. Jacobi Moritz Hermann von 1801-1874, něm. fyzik a elektrotechnik.Od r. 1835 působí v Rusku, člen Petrohradské AV. Zkoumá elektrický proud, elektrochemické procesy, objevil galvanoplastiku (1838). Nejznámější je jeho elektromotor na stejnosměrný proud z r. 1834. 70 Morse Samuel Finley Breese (mórs) 1791-1872, amer. vynálezce, původně malíř. 1837 sestrojil elektromagnetický telegraf, který zdokonalil v roce 1840 tak, že se začal úspěšně používat na lince Washington-Baltimore (1843). Morse sestavil telegrafní abecedu - morseovku Plücker Julius (plyker) 1801-1868, německý matematik a fyzik, profesor univerzity v Bonnu. Zkoumal magnetické vlastnosti krystalů, vodivost plynů, rozvíjel spektroskopii. 1859 objevil katodové paprsky. Přispěl k pokroku analytické a deskriptivní geometrie. Ruhmkorff Heinrich Daniel 1803-1877, německý inženýr a vynálezce, působil v Paříži. Objevil indukční cívku. Joule James Prescott (džaul) 1818-1889, angl. fyzik. Majitel pivovaru v Salfordu. Vystudoval u Daltona, od r. 1854 se věnuje jen vědě. Člen Královské společnosti a Institut de France. 1838 sestrojil elektromotor, 1840 objevuje stav magnetického nasycení magnetika, 1834 formuluje zákon pro přeměnu elektrické energie na tepelnou. Experimentálně prokazuje přeměnu mechanické práce na teplo.Vypočítal rychlost tepelného pohybu molekul. Hlavní práce jsou New Theory of Heat (1850) a Scientific Papers of J. P. J. (1885-1887). 71 Kirchhoff Gustav Robert 1824-1887, profesor na univerzitě ve Vratislavi, v Heidelbergu a v Berlíně. Člen Berlínské AV a Petrohradské AV. Během studia vyřešil problém rozvětvených elektrických obvodů: Kirchhoffovy zákony. Zabýval se elektrodynamikou, termodynamikou a mechanikou pružných těles. 1859 oznamuje objev zákonů záření. 1854-1862 spolu s Bunsenem vypracoval metodu spektrální analýzy. Hughes David Edward (hjús) 1831-1900, angl. elektrotechnik a vynálezce, působil i v USA. 1855 vynalézá telegraf, který tiskne přímo písmena. V roce 1878 zdokonalil Reisův mikrofon a zkonstruoval první uhlíkový mikrofon a dále elektromagnet. Maxwell James Clerk (mexvel) 1831-1879, profesor v Cambridgi, první vedoucí Cavendishovy laboratoře. Kolem r. 1860 zpracoval kinetickou teorii plynů (Theory of Heat 1871, Matter and Moution 1876). V 70. letech vytvořil teorii elektromagnetického pole (Treatise on Electricity and Magnetism 1873). Maxwellovy rovnice se staly základem Lorentzovy elektrodynamiky a později speciální teorie relativity. Maxwell předpověděl existenci elektromagnetických vln, které objevil H. Hertz. Planté Gaston 1834-1889, profesor na technice v Paříži. Objevitel olověného akumulátoru. 72 Reis Johann Philipp (rajs) 1834-1874, učitel ve Friedrichsdorfu. Objevil princip uhlíkového mikrofonu. Siemens Werner von (zímens) 1816-1892, vynálezce a elektrotechnik, člen Berlínské AV. Od roku 1870 se zabývá silnoproudem. 1846 zdokonalil jehlový telegraf, 1848 vynalezl elektrické zapalování námořních min, 1866 dynamo, 1879 postavil první elektrickou lokomotivu,1882 důlní lokomotivu. S mechanikem J. G. Halske založili továrnu a později koncern Siemens-Halske. Bell Alexandr Graham 1847-1922, americký fyziolog. Jako profesor na univerzitě v Bostonu přednášel o řečovém ústrojí. V r. 1872 zkonstruoval první telefon bez baterie a spolu s S. Tainterem fotofon. Jabločkov Pavel Nikolajevič 1847-1894, ruský technik. V roce 1876 dostal patent na elektrickou svíčku, která byla prvním elektrickým zdrojem světla. 1879 navrhl centrální výrobu el.energie a rozvody. Jabločkovovy vynálezy byly oceněny na světové výstavě v Paříži r. 1878. Edison Thomas Alva (edysn) 1847-1931. Původně kolportér, žurnalista a telegrafní úředník. Od r. 1868 profesionální vynálezce. Získal asi 1 300 patentů. Nejvýznamnější jsou sčítač hlasů pro volby 1868, telegraf s tiskem znaků 1868, psací stroj 1871, čtyřnásobný telegraf 1875, uhlíkový reostat 1876, mikrofon 1876, fonograf 1877, uhlíková žárovka 1879, regulátor elektrických strojů, elektrická 73 lokomotiva, elektroměr, magnetický třidič rud 1880, elektrické dynamo – světový úspěch na výstavě v Paříži 1881, první veřejná elektrárna pro New York 1882, pojistka 1883, kinematograf 1891, elektromobil 1902, rotační cementářská pec 1903, helikoptéra 1908, alkalický akumulátor 1909. Brown Karl Ferdinand 1850-1918, profesor fyziky na univerzitách v Karlsruhe, Tübingen a Strasburgu, od r. 1914 v USA. 1877 vytvořil vakuovou obrazovku – Braunovu trubici. 1898 sestavil kmitavý obvod-základ pro radiový vysílač. 1906 objevil unipolární vodivost krystalů a krystalový detektor. 1909 Nobelova cena spolu s Marconim za rozvoj bezdrátové telegrafie. Křižík František 1847-1941, český elektrotechnik a vynálezce. 1878 vynalezl regulátor pro obloukovou lampu. 1888 postavil první elektrárnu v českých zemích – Praha Žižkov, první tramvaj v Praze a první elektrickou trať Tábor-Bechyně. Depréz Marcel (depré) 1843-1918, fr. elektrotechnik a fyzik, profesor na Conservatoire des arts et métiers, člen Institut de France. Zabýval se přenosem el.energie a stavbou elektromotorů. 1882 postavil první dálkové vedení z Miesbachu do Mnichova. Magnetoelektrický systém měřicích přístrojů. 74 Ferraris Galileo 1841-1897, fyzik a elektrotechnik, ředitel muzea průmyslu v Turíně, člen Turinské AV. Objevil rotační magnetické pole, upozornil na význam třífázového proudu 1885. Tesla Nikola 1850-1943, chorvatského původu. Nezávisle na Ferrarisovi objevil 1885 točivé mg pole, zabýval se vícefázovými proudy a bezdrátovým přenosem el. energie. Teslův transformátor postavil 1891. Je po něm pojmenována jednotka magnetické indukce. Heroult Paul Louis Toussaint (érult) 1863-1914, fr. chemik. Zkonstruoval elektrickou pec na tavbu oceli a vypracoval technologii výroby hliníku. Hertz Heinrich (herc) 1857-1894, něm. fyzik. Profesor univerzity v Bonnu. Experimentálně prokázal elektromagnetickou vlnu, určil její rychlost. Zdokonalil zápis Maxwellových rovnic. Hlavní práce Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft 1889. 75 Hallwachs Wilhelm Ludwig Franz 1859-1922, něm. fyzik, profesor na Technice v Drážďanech. V r. 1888 dokázal, že kovy, ozářené ultrafialovým světlem, ztrácejí záporný náboj. (Obloukovou lampou ozářil záporně nabitou kovovou desku, spojenou s elektroskopem.) Dolivo-Dobrovolskij Michail Ivanovič 1862-1919, ruský elektrotechnik, jeden z vynálezců třífázové soustavy. V r. 1891 postavil pro výstavu ve Frankfurtu n. Mohanem první třífázové vedení. Prokázal výhody přenosu energie střídavým proudem. Geitel Hans Friedrich 1855-1923, profesor na univerzitě v Braunschweigu. Spolu s J. Elsterem vytvořil v r. 1893 vakuovou fotonku. V r. 1899 objevil exponenciální pokles aktivity radioaktivních vzorků. Popov Alexandr Stěpanovič 1859-1905, profesor Petrohradského elektrotechnického ústavu. Pokračoval v Hertzových pokusech, zkoumal polarizaci a lom elektromagnetických vln. Zkonstruoval přijímač pro registraci bouřek, sestrojil anténu a přístroj pro jiskrovou telegrafii. V Rusku poprvé vysílal radiogram (1895) a v roce 1901 měl jeho vysílač dosah 112 km. Röntgen Wilhelm Conrad 1845-1923, profesor fyziky v Giessenu, ve Würzburgu a Mnichově. Experimentálně zkoumal piezo- a pyroelektrické vlastnosti krystalů, měrnou tepelnou kapacitu plynů, stlačitelnost a roztažnost kapalin. V r. 1888 dokázal magnetické pole dielektrika rotujícího v elektrickém poli. Při experimentech s katodovým zářením objevil záření X, nazvané později rentgenovým zářením. 1901 Nobelova cena. 76 Becquerel Henri André (bekrel) 1852-1908, profesor fyziky Pařížského muzea, od r. 1895 na École Polytechnique. Člen Institut de France a mnoha AV. Studuje otáčení polarizační roviny světla procházejícího látkou v magnetic-kém poli, dále fosforescenci a fluorescenci. 1896 objevil záření solí uranu. Na jeho práci navazovala M. Curieová-Skłodowská a P. Curie. 1903 Nobelova cena za objev přirozené radioaktivity. Marconi Guglielmo Marchese 1874-1937, italský inženýr. 1895-96 vyřešil bezdrátový telegraf a dostal na něj v r. 1897 patent. Pracoval převážně v USA. 1901 radiotelegraficky spojil Newfounland (USA) s Cornwallem v Anglii. 1902 vynalezl magnetický detektor, 1903 duplexní telegrafii, 1904 rotační jiskřiště, 1905 vodorovnou směrovou anténu, 1916-1922 krátkovlnnou směrovou telegrafii. 1931 začíná vysílat Marconim postavený vysílač Vatikán. 1909 Nobelova cena za zásluhy o rozvoj bezdrátové telegrafie. 1943 Nejvyšší federální soud USA zrušil jeho patenty z oblast radiotelegrafie s tím, že obsahují vynálezy, patentované o 10 let dříve N. Teslou. Townsend John (taunzend) 1868-1957, profesor na Oxfordu, člen Královské společnosti. Vytvořil prvou teorii ionizace plynů. Auer Karl baron von Welsbach 1858-1909, rakouský chemik. 1885 vynalezl žárové punčošky pro plynové světlo, 1900 žárovky z vláknem z osmia, 1904 pyroforickou slitinu železa a ceru (kamínky do zapalovačů), 1885 izoloval prvky neodym a praseodym. Richardson, sir Owen Williams (ričerdsn) 1879-1959, angl. fyzik. Profesor v Princetonu (USA), od r. 1914 vede fyzikální výzkum na King's College v Londýně. Člen Královské společnosti. Objevil zákon pro emisi elektronů z rozžhavených kovů (1901). 1928 Nobelova cena za práce o termických iontech. 77 Fessenden Reginald Aubrey (1866-1932), americký elektrotechnik, spolupracovník T. A. Edisona. 1899 předvádí použití radiotelegrafie pro meteorologickou službu, 1901 sestrojil vysokofrekvenční rotační generátor a uskutečnil první přenos lidské řeči rozhlasem. Rutherford, sir Ernest, Lord of Nelson 1871-1937, angl. fyzik. Profesor na univerzitě v Montrealu, v Kalifornii, Illinois a Yale. Od r. 1907 ředitel laboratoře na univ. v Manchestru, 1919 prof. a ředitelem Cavendishovy laboratoře v Cambridgi. 1900 objevil radon. Spolu s F. Soddym vytvořil teorii radioaktivního rozpadu. Vypracoval model atomu. 1919 uskutečnil prvně umělou radioaktivní přeměnu (N + α → O + p). 1908 Nobelova cena za transmutaci prvků. Poulsen Valdemar 1869-1942, dánský elektrotechnik. 1903 vytvořil vysílač netlumených vln s elektrickým obloukem. Thomson, sir Joseph John 1856-1940, angl. fyzik. Univerzita v Cambridgi, od roku 1894 ředitel Cavendishovy laboratoře, od roku 1918 ředitel Trinity College. Komplexní výzkum el. proudu v plynech, 1897 objevil volné elektrony. 1903 navrhl model atomu. 1906 Nobelova cena za fyziku. 78 Fleming, sir John Ambrose 1849-1945, angl. elektrotechnik, profesor na University College, žák J. C. Maxwella. Pracoval na výzkumu radiotelegrafie a radiotelefonie. Vakuovou diodu vytvořil v roce1904. Einstein Albert (1879-1955), profesor na univerzitě v Zürichu, Berlíně, Praze, v Princetonu. Objevil kvantovou strukturu elektromagnetického záření, vytvořil speciální teorii relativity a všeobecnou teorii relativity. 1921 Nobelova cena za fyziku. Byl významným světovým vědcem a humanistou. Hlavní práce: Zur Elektrodynamik bewegter Körper (1905), Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? (1905), Die Grundlage der allgemeinen Relativitätsteorie (1916), Meaning of Relativity (1923), Builders of the Universe (1932), The World as I see It (1934). Forest Lee de (forist) 1873-1961, amer. elektrotechnik a zakladatel rozhlasové techniky. 1906 vynalezl triodu, 1915 první elektronkový vysílač. Řešil i otázky zvukového filmu. Lieben Robert von (1878-1913), rakouský fyzik a radiotechnik. 1906 nezávisle na Forestovi objevil triodu. 79 Millikan Robert Andrew (miliken) 1868-1953, amer. fyzik. Pracoval na univerzitě v Chicagu, 1921 ředitel fyzikálního ústavu v Pasadeně. Člen AV USA a jiných. Experimentálně určil náboj elektronu a poté energii elektronů, uvolněných po dopadu fotonu na povrch kovu. 1923 Nobelova cena za práce o elementárním náboji a fotoelektrickém jevu. Dalén Niels Gustav 1869-1937, švédský fyzik a inženýr. Člen švédské AV. Zavedl výrobu akumulátorů na acetylén a vypracoval automatickou regulaci acetylénových lamp pro majáky. V roce 1912 Nobelova cena za fyziku. Bohr Niels Henrik David 1885-1962, dánský fyzik. Jeden z největších fyziků 20. století. Pracoval v Cambridgi v Cavendishově laboratoři u J. J. Thomsona, poté v Manchestru u Rutherforda. Od r. 1916 vedl katedru teoretické fyziky na univerzitě v Kodani a od r. 1920 vedl Ústav teoretické fyziky tamtéž. Za války pracoval v USA na vývoji atomové bomby. Je zakladatelem kvantové fyziky. V r. 1922 Nobelova cena za výzkum struktury atomu. Engl Joseph Benedict 1893-1942, německý fyzik. V r. 1918 spolu s H. Vogtem a J. Mossollem vyrobil první zvukový film, který byl v r. 1922 poprvé veřejně promítán v Berlíně. 80 Heyrovský Jaroslav 1890-1966, český chemik. 19101914 studoval v Londýně, dokončil 1918 na Karlově univerzitě. Zde od r. 1922 profesorem fyzikální chemie. Studoval anomálie na elektrokapilárních křivkách, objevil a vypracoval polarografii 1922-1924. 1959 Nobelova cena za polarografii. Baird John Logie (bérd) 1888-1946, skotský vynálezce, člen královské společnosti v Edinburgu. 1926 vynalezl noktovizor a zkonstruoval televizní kameru. 1928 demonstroval černobílou, barevnou a stereoskopickou televizi. 1931 vysílal přímý tv přenos, 1932 přenos na UKV a 1939 realizuje barevnou televizi. Chadwick sir James (čedvik) 1891-1974, angl. fyzik. Pracoval s Rutherfordem v Cavendishově laboratoři, prof. na univerzitě v Liverpoolu, od r. 1948 v Cambridgi. 1932 objevil neutrony při bombardování berylia částicemi alfa. Pracoval v Los Alamos na vývoji atomové bomby. 1935 Nobelova cena za objev neutronu. Heisenberg Werner Karl (hajznberg) 1901-1976. Od r. 1927 profesor na univerzitě v Lipsku, 1941 ředitelem Ústavu císaře Viléma a profesor na univerzitě v Berlíně, 1946 řed. ústavu M. Plancka a profesor na univerzitě v Mnichově. Jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky. 1927 formuluje relace neurčitosti, 1932 teorie o složení jádra z neutronů a protonů, 1934 teorie jaderných sil. 1932 Nobelova cena za kvantovou mechaniku. 81 Tamm Igor Jevgenievič 1895-1971, profesor na univerzitě v Moskvě, člen AV. 1930 vypracoval kvantovou teorii rozptylu světla v tuhých látkách, 1932 nezávisle na Heisenbergovi a spolu s D. Ivaněnkem vyslovil hypotézu o složení jádra z protonů a neutronů. 1937 spolu s I. M. Frankem teoreticky objasnil podstatu Čerenkovova záření. 1958 Nobelova cena za fyziku . Ivaněnko Dmitrij Dmitrijevič 1904-1994, prof. na univerzitě v Moskvě. Spolu s I. J. Tammem položil základy teorie jaderných sil. Curie Pierre (kyri) 1859-1906, francouzský fyzik a chemik. Od r. 1904 profesor na Sorbonně a člen Institut de France. V roce1898 objevil piezoelektrický jev, zkoumá para-, dia- a feromagnetické látky. Roku 1895 se oženil s Marií Skłodowskou, 1898 objevili společně polonium a radium. 1903 Nobelova cena. Curieová-Skłodowská Marie 1867-1934, francouzská fyzička a chemička, členka Institut de France a mnohých AV. 1906 jako první žena se stává profesorkou na Sorbonně. 1896 začala zkoumat Becquerelův jev, 1898 objevila spolu s manželem polonium a radium, 1902 získala z jáchymovského smolince sůl radia a 1910 kovové radium. Zakladatelka radiochemie. 1903 je první ženou, která dostala Nobelovu cenu – za výzkum záření, 1911 podruhé Nobelova cena za chemii – za objev radia a polonia. 82 Fermi Enrico 1901-1954, italský fyzik, pracoval v Göttingen a v Leydenu. 1926-1938 prof. na univerzitě v Římě. Po emigraci profesor na univerzitě v Chicagu, pracoval v Los Alamos na vývoji atomové zbraně. Vypracoval Fermiho statistiku částic, 1934 teorii beta rozpadu, 1934-1938 rozvíjí fyziku neutronů. Vypracoval teorii řetězové reakce a v r. 1942, 2. prosince na stadionu v Chicagu spouští první jaderný reaktor. 1938 Nobelova cena za objev přeměny prvků, vyvolané bombardováním jader neutrony. Brattain Walter Houser (bretejn) 1902-1987, amer. fyzik a technik. Od roku 1929 pracoval v Bellových laboratořích v Murray Hill (New Jersey), přednáší na Kolumbijské univerzitě, od r. 1952 na Harvardské univerzitě v Cambridgi. Zkoumal elektrickou vodivost a otázky čištění polovodičů destilací (rektifikací), hlavně křemíku, germania a Cu2O. Spolu s Bardeenem objevil hrotový tranzistor (1947). 1956 Nobelova cena za výzkum polovodičů. Bardeen John (bardýn), nar. 1908, amer. fyzik a technik. Pracoval na Harvardské univerzitě, na univerzitě v Minnesotě, prof. elektrotechniky na Illinoiské univerzitě. Pracuje ve fyzice pevných látek, zkoumá kohezi a elektrickou vodivost kovů a polovodičů. Spolu s Brattainem a Shockleym objevil v roce 1947 hrotový tranzistor. 1956 Nobelova cena. Druhá Nobelova cena v roce 1972 spolu s Cooperem a Schriefferem za teorii supravodivosti. Shockley William Bradford (šokly) 1910-1989, amer. fyzik anglického původu. 1936 v Bell Telephone, 1953 vede laboratoř tranzistorů firmy Beckman. Za války poradcem Ministerstva obrany USA pro výzkum metod vyhledávání ponorek. Zabývá se teorií vakuových elektronek, teorií feromagnetik, teorií slitin. Má velký podíl na objevu a vývoji tranzistoru. 1956 Nobelova cena za objev tranzistoru. 83 Sacharov Andrej Dmitrijevič 1921-1989, sov. fyzik, člen AV. Zabýval se problémy plazmy a termonukleárních reakcí, pracoval na sovětské vodíkové bombě. Vystoupil proti zkoušce 100 megatunové bomby v ovzduší, obhájce lidských práv a občanských svobod. Od r. 1980 ve vyhnanství ve městě Gor´kij, umlčen až do r. 1986. Vrátil se do veřejného života za Gorbačova. Teller Edward, nar. 1908, americký fyzik maďarského původu. Ředitel Lawrencovy laboratoře pro výzkum záření na Kalifornské univerzitě. Jako jeden z prvních zkoumá termonukleární reakci. Pracoval v Los Alamos na vývoji jaderné zbraně. Je nazýván otcem vodíkové pumy. Müller Ervin Wilhelm 1911-1977, amer. fyzik německého původu. Profesor na univerzitě v Pensylvánii, 1950 zkonstruoval elektronový mikroskop. Townes Charles Hard (taunz), nar. 1915. Pracoval v Bell Telephone na vývoji radaru. 1948 profesor na Kolumbijské univerzitě. Pracuje v oblasti mikrovln. 1954 vytvořil maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Zpočátku používal čpavek, poté krystaly křemíku a v r. 1958 vyvinul laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). 1964 Nobelova cena za fyziku za základní práce v oblasti kvantové elektroniky (spolu s Basovem a Prochorovem). Basov Nikolaj Gennadijevič, nar. 1922. Od r. 1962 profesor na Fyzikálním a energetickém ústavu v Moskvě. 1953 spolu s Prochorovem přednesl referát, ve kterém formuloval principy kvantového molekulárního generátoru mikrovln. 1964 zhotovil laser s elektronovým a optickým buzením. 1964 Nobelova cena. 84 Prochorov Alexandr Michajlovič, nar. 1916, ruský fyzik, narozen jako syn emigranta v Austrálii. Od r. 1954 prof. na univerzitě v Moskvě. Od. r. 1953 spolupracuje s Basovem na kvantovém molekulárním generátoru. 1964 Nobelova cena. Literatura Bober. J.: Malá encyklopédia bádatelov a vynálezcov, Obzor, Bratislava 1973. Brittanica 1991 (Britská encyklopedie). Galerie objevitelů (Propagační soubor ČEZu, 1990). Snímky vyhledány Googlem a upraveny pro tisk. 85 Technika a fyzika plynového spotřebiče Plynové spotřebiče jsou běžným vybavením domácností a lze je využít pro vyučování fyzice. Navržený projekt může být zpracován skupinami žáků, zpestří výuku a přispěje k naplnění některých výchovných a vzdělávacích cílů – kompetencí. Vhodný technický objekt – v tomto případě plynový průtokový ohřívač – poslouží jako základ pro studium vybraných skupin fyzikálních poznatků. Projekt „Fyzika plynového PO“ může mít tyto části, formulované jako úkoly: 1. Najděte na Internetu technické parametry PPO fy Junkers, Mora, Karma nebo jiné. Nalezené údaje pro PPO (značka neuvedena kvůli nedovolené reklamě): jmenovitý tepelný výkon v rozsahu 7,0 – 23,8 kW jmenovitý tepelný příkon 27 kW Spotřeba plynu zemní plyn (výhřevnost H = 9,5 kWh/m3) 2,9 m3.h–1 Potřebný dynamický tlak plynu zemní plyn 20 mbar Směrné údaje pro vodu nejmenší vstupní tlak vody 0,3 MPa průtočné množství TV při 60 °C 2,0 – 7,0 l.min–1 Hodnoty spalin teplota spalin 170 až 230 °C Na tyto údaje lze navázat poznatky z fyziky: Účinnost η = jmenovitý tepelný výkon 23,8 kW = = 0,88 . jmenovitý tepelný příkon 27 kW Výpočet tepla, dodaného vodě s objemem 7 l a s počáteční teplotou, kterou změříme. mvody = 7,0 kg, t = 60,0 °C, t0 = 10,5 °C, cvody = 4 182 J.kg–1.K–1 Q = mc(t − t 0 ) = 7,0.4182.(60,0 − 10,5) J = 1 449 063 J ≈ 1,4 MJ Výpočet objemu plynu, spáleného za 1 minutu: 86 Vmin = 1 1 ⋅ spotřeba za hodinu = 2,9 m 3 ≈ 0,048 m 3 60 60 Výpočet tepla, získaného spálením plynu za 1 minutu: Q0 = Vmin . H = 0,048 m 3 .9,5.1 000.3 600 J.m -3 ≈ 1,6 MJ Odhad objemu vzduchu, spotřebovaného na spálení plynu za 1 minutu: oxidace metanu CH4 + 2O2 →CO2 + 2H2O Ve stejném objemu je stejný počet molekul a tedy poměr objemů metanu a kyslíku je také 1 : 2. Z toho Vkyslíku = 2Vplynu = 2.0,048 m 3 ≈ 0,097 m 3 . Vzduch obsahuje přibližně 1/5 objemu kyslíku a pak objem spotřebovaného vzduchu za 1 minutu bude Vvzduchu = 5 ⋅ Vkyslíku = 5 ⋅ 0,097 m 3 ≈ 0,48 m 3 . Poslední výpočet ukazuje na potřebu dobrého přísunu čerstvého vzduchu do místnosti, kde je instalován plynový průtokový ohřívač. Další úkol vyžaduje získat mechanické díly z vyřazeného plynového ohřívače a jejich přípravu pro snadnou demontáž. 2. Rozeberte vodní armaturu PPO a vysvětlete, proč teprve při průtoku vody se zvedá tlačná tyčinka, ovládající hlavní ventil plynu. O regulaci se stará automatika, využívající Bernoulliho rovnici: Obr. Funkce vodní armatury 87 Gumová membrána dělí armaturu na horní část spojenou se zúženým místem ve Venturiho trubici, a spodní část, spojenou s přívodní trubkou vody. Rozdíl tlaků (p1 – p2) vytvoří tlakovou sílu, která membránu prohýbá nahoru a tím zvedá terčík, tyčinku a zvedne hlavní ventil v přívodu plynu.Větší průtok vody vychýlí membránu výše a tím je i průtok plynu větší. Obr. Vodní armatura Obr. Detail vodní armatury Za pochopením funkce mohou následovat měření a výpočty; cílem je stanovit sílu, kterou tyčinka zvedá hlavní plynový ventil. πD 2 Výpočet síly: F = ( p1 − p2 )S terče = ( p1 − p2 ) 4 Průměr terče D = 30 mm Rozdíl tlaků získáme z Bernoulliho rovnice: 1 2 1 ρv1 = p 2 + ρv22 2 2 1 p1 − p 2 = ρ v22 − v12 2 p1 + ( ) Rychlost v1 určíme z minutového průtoku a průměru komory pod membránou: V = τ .v1 S1 v1 = V 4V = τS1 τπD12 88 Pro výpočet je třeba změřit průměr komory pod membránou D1 = 38,0 mm Známe V = 0,007 m3, τ = 60 s v1 = 4V 4.0,007 = m.s −1 ≈ 0,10 m.s −1 . 2 τπD1 60.3,14.0,038 2 Pro výpočet rychlosti v2 použijeme rovnici kontinuity a vodu považujeme za nestlačitelnou: S 2 v2 = S 1 v1 ⎛D ⎞ S v2 = v1 1 = v1 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ S2 ⎝ D2 ⎠ 2 Změřit vnitřní průměr Venturiho trubice je možné vkládáním a zatlačením špejle zastrouhané do špičky: D2 = 3,0 mm 2 2 ⎛D ⎞ ⎛ 38,0 ⎞ v2 = v1 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = 0,10 ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ m.s −1 ≈ 16 m.s −1 D 3 , 0 ⎠ ⎝ ⎝ 2⎠ Výpočty je vhodné provést pro všechny mezivýsledky, aby student získal představu o konkrétních hodnotách rychlostí a rozdílu tlaků vody. Rozdíl tlaků: p1 − p2 = ( ) ( ) 1 ρ v22 − v12 = 0,5.1 000 16 2 − 0,10 2 Pa ≈ 140.10 3 Pa 2 Jako poslední vypočteme hledanou sílu F: F = ( p1 − p2 ) πD 2 3,14.0,032 = 140.103 ⋅ N ≈ 96 N 4 4 Tyčka vodní armatury zvedá plynový ventil značnou silou. Naopak při zavření kohoutku bude pružina plynového ventilu bezpečně uzavírat průtok plynu. Pro průtok plynu přicházejícího do hořáku je důležité udržet konstantní tlak; to zajistí regulátor tlaku plynu. 89 Obr. Složený a rozebraný regulátor tlaku. Studentům lze zadat kvalitativní úkol: 3. Vysvětlete funkci regulátoru tlaku plynu Princip: rovnováha mezi tlakovou silou plynu, působící na membránu a silou pružiny. Obr. Regulátor tlaku Plyn přichází do spodní komory regulátoru a mechanické nečistoty jsou zachyceny filtrem. Plyn pokračuje sedlem kolem kuželky do prostřední komory a tlačí na membránu. Tím se ale kuželka blíží k sedlu a uzavírá přívod plynu. Rovnováha nastane, je-li síla pružinky a tlaková síla plynu v rovnováze. Tlak plynu na výstupu lze regulovat stlačením pružinky otáčením regulačního šroubu. Domácí plynové spotřebiče s regulátorem pracují s malým tlakem a pružinka regulátoru má malou tuhost. Vstupní tlak plynu je stanoven normou a plynaři jej udávají jako přetlak 200 mm vodního sloupce. Výstupní tlak za 90 regulátorem je nastaven tak, aby spotřebič – plynový průtokový ohřívač - měl jmenovitý průtok. Servisní technik kontroluje průtok podle plynoměru. Většina průtokových plynových ohřívačů má tzv. věčný plamínek, který zapaluje hlavní hořák. Pokud plamínek nehoří, musí bezpečnostní ventil uzavřít vstup plynu do spotřebiče. To zajistí termoelektrická pojistka: Obr. Princip termoelektrické pojistky Obr. Termočlánek a elektromagnet Studentům lze opět dát kvalitativní úkol: 4. Vysvětlete funkci termoelektrické pojistky plynového spotřebiče. Použijte obr. 91 Skutečný pojistný ventil je na obr. a pokud jej připravíme pro snadnou demontáž, lze ukázat skutečné uspořádání podstatných částí. Při zapalování věčného plamínku je nutné ručně přitisknout kotvu k elektromagnetu a počkat na dostatečné zahřátí hrotu termočlánku. Obr. Detail pojistného ventilu Kvantitativní úkoly lze také formulovat: 5. Změřte pomocí siloměru sílu, potřebnou ke stlačení pružiny! (Přibližně 30 N) 6. Termočlánek je tvořen vodičem ze slitiny mědi a vodičem z konstantanu. Najděte přibližnou hodnotu termoelektrického koeficientu! (Přibližně 50 μV.K–1.) 7. Změřte milivoltmetrem elektromotorické napětí termočlánku. Použijte plynový nebo lihový kahan. (Naměřeno 30 mV) 8. Vypočtěte teplotu hrotu termočlánku! Projektový program vyučování fyzice se obtížně vyrovnává se systematickým budováním soustavy znalostí. Projekt „Fyzika průtokového plynového ohřívače“ může nasměrovat studenta k získání některých teoretických znalostí: účinnost při přeměnách forem energie teplo přijaté tělesem spalné teplo a výhřevnost paliva souvislost mezi objemem plynu a počtem molekul plynu tlak a tlaková síla rovnice kontinuity Bernoulliho rovnice termoelektrické napětí 92 Současně projekt nabízí manipulaci s reálnými fyzikálními objekty a vyžaduje logické operace při pochopení funkce dílčích systémů – záleží na učiteli, jak bude zadávat jednotlivé úkoly a jakou informaci dá předběžně k dispozici. Vedle fyziky se v projektu objeví i hlediska ekologická (spotřeba paliva, skleníkové plyny) nebo společenská – odpovědnost konstruktéra, výrobce, servisního technika a každého uživatele za bezpečnou funkci technického zařízení. Pokud se vzdáme požadavku na systematické budování soustavy od mechaniky až k astrofyzice a kosmologii, můžeme i fyziku učit v podobných projektech. Není to nic objevného – podobně byly psány učebnice pro botaniku a biologii již ve 30tých letech minulého století (jedno téma např. Jarní život v potoce, [1]) a ještě dříve se experimentovalo s globální metodou i v jazycích. V současné škole je učitel vždy v časové tísni a projekt bude pravděpodobně nástrojem pro získání zájmu o předmět. Pro učitele fyziky je příprava projektu daleko náročnější než klasická práce s učebnicí, obvyklými přístroji a pomůckami. V projektu lze zdůraznit i vazbu na chemii. Stačí uvést otázku: jaká plynná paliva lze využít? Odpověď: a) svítiplyn - převážně oxid uhelnatý CO b) zemní plyn - převážně metan CH4 c) propan - butan, směs C3H8 a C4H10. Další souvislost je zeměpisná: Propan-butan se dodává zkapalněný a používá se tam, kde není potrubní rozvod plynu. Propan-butanová směs vzniká při zpracování ropy. Svítiplyn se v České republice používá ojediněle, většina plynových potrubí dodává zemní plyn, přicházející z nalezišť v Rusku, Norsku a v severní Africe. Ekologie a životní prostředí v projektu: Spalováním svítiplynu vzniká oxid uhličitý, spalováním zemního plynu a propan-butanu oxid uhličitý a vodní pára. Teplota plamene je dosti vysoká na to, aby současně vznikaly oxidy dusíku a tyto látky jsou považovány za karcinogenní. Spaliny je nutno pečlivě odvádět a rozptylovat. Další nebezpečí je nahromadění nespálené směsi plynu a vzduchu, která hrozí výbuchem. Proč vlastně se ještě používají plynové spotřebiče? Svítiplyn vzniká při výrobě koksu a bylo by naprosto nehospodárné jej spalovat bez využití. Zemní plyn je přírodní surovinou, jeho naleziště bývají spojena s nalezišti ropy a je surovinou pro chemické výroby právě tak, jako dobrým palivem. Propan-butan vzniká při zpracování ropy na benzín, naftu a oleje a jeho další využití znamená zhodnocení drahé suroviny – ropy. 93 Plynové spotřebiče vyrábějí teplo prakticky až v tom místě, kde je potřebujeme. Plamen vařiče ohřívá přímo nádobu s vodou, průtokový plynový ohřívač dává teplou vodu přímo v koupelně, plynová kamna WAW spalují plyn a odevzdávají teplo přímo do místnosti. To dovedou i elektrické spotřebiče, jenže zapomínáme na elektrárnu, která daleko od místa spotřeby spaluje uhlí a elektrickou energii vyrábí s méně než 50 % účinností, zatímco plynové spotřebiče mají účinnost asi 80 %. Pro použití je rozhodující výhřevnost paliva. Výhřevnost udává množství tepla, které získáme spálením 1 kg paliva, přičemž vodní páry zůstanou v plynném stavu. Plyn je pro spotřebitele dodáván v metrech krychlových a spotřebu v objemových jednotkách odečteme na plynoměru. Účet je ale za megajouly dodané energie. Schopnost vyhledávat informace podpoří vyhledání dalších parametrů plynných paliv. V tabulkách najdeme: Palivo Výhřevnost H (kJ.kg-1) hustota ρ (kg.m–3) svítiplyn 18 800 1,234 propan 50 000 1,293 butan 43 500 2,633 methan 49 610 0,707 S těmito znalostmi lze přejít i k ekonomice: Úloha: Za jeden metr krychlový zemního plynu platí spotřebitel 8,60 Kč, za jednu kilowathodinu elektrické energie 3,40 Kč. Co je výhodnější? Fyzikální obsah projektu doplní i následující úloha: Plyn přivádíme do domu nízkotlakým rozvodem. Přetlak je asi 20 mm vodního sloupce a plynaři jej měří opravdu U-trubicí naplněnou vodou. Jaký je tedy výsledný tlak plynu v potrubí? p = pa + ρgh = (1,013.105 + 1000.9,81.0,2)Pa = 1,033.105 Pa Tlak je jen o 2 % vyšší než normální tlak a stejně se změní i hustota plynu. Pro výpočet tepla získaného spálením můžeme použít údaje z tabulky bez oprav na teplotu a tlak. Pro domácí zpracování se hodí úkol: Zjistěte maximální průtok vašeho plynoměru. Najděte, jaký minimální přírůstek objemu je schopen váš plynoměr měřit. 94 Tady je vhodné doplnit technickou informaci k principu plynoměru: Uvnitř je lopatkové kolo s kapsami, které se postupně plní plynem a zvedají příslušnou lopatku z kapaliny. Plyn je dávkován po objemech jednotlivých „kapes“ a počet otáček kola je úměrný objemu plynu. Průtok plynu je omezen velikostí plynoměru. Obr. Plynoměr Pro dokonalé spalování plynu je výhodné jej nejdříve smísit se vzduchem ve správném poměru. Směs se v hořáku rozdělí na řadu malých plaménků a ty teprve ohřívají další těleso. Dnešní hořák plynového vařiče MORA vypadá v řezu takto: Obr. Hořák 95 Tryska je šroub, který má v ose přesně vrtaný otvor o stanoveném průměru – např. 0,55 mm. Z trysky vytéká plyn zvýšenou rychlostí do vertikálního směšovače a zde se mísí se vzduchem a stoupá hořákem. Regulační šroub tvoří překážku, tím se sníží rychlost a omezí přisávání vzduchu. Otvory mezi hlavou a víkem směs vystupuje a hoří. Pod víčkem je vložen věneček z vlnitého plechu. Ten stabilizuje plamen ochlazováním a brání šlehnutí plamene dovnitř hořáku. Otvor v trysce určuje průtok plynu a regulačním šroubem je nastaven ostrý plamen s jasně ohraničeným vnitřním kuželem. Otázku bezpečného používání plynového spotřebiče lze spojit s úkolem: Termočlánkovým teploměrem změřte teplotu na hrotu svítivého jádra plamene! Porovnejte výsledky pro zemní plyn a propan-butan. (Termočlánkový teploměr bude nutné zapůjčit, propan-butan se používá v turistických vařičích.) Pro výpočet lze zadat: Do místnosti o rozměrech 4×3,7×2,7 m unikl zemní plyn a směs 1 : 1 vybuchla. Vypočtěte spalné teplo! Jaký je nejvyšší možný tlak horkých plynů po výbuchu? Nevýhodou plynu je jeho výbušnost ve směsi se vzduchem. První ochranou je jeho značkování páchnoucí příměsí merkaptanu. Další opatření jsou technická a fyzikální - plynové spotřebiče mají většinou termoelektrickou pojistku. Literatura 1. Pastejřík, J.: Přírodopis pro druhou třídu měšťanských škol, Nakladatelství a vydavatelství Nová škola, Praha 1945. 2. Firemní materiály Mora. Byly použity internetové zdroje. 96 Elektrické tepelné spotřebiče a chladničky Elektrický vařič, elektrická kamna, kotel a na druhé straně chladnička a mraznička jsou běžná zařízení, používaná takřka v každé domácnosti. Přitom je v nich využita řada fyzikálních poznatků a proto jsou "hodny pozornosti učitele fyziky". V každém tepelném spotřebiči dochází k přenosu tepla. Nejčastěji jde o vedení tepla: Obr. Vedení tepla Teplo Q je vedeno pevnou látkou. Představme si stěnu o ploše S a tloušťce x. Nalevo je udržována stálá teplota T1, napravo T2 a platí T1 > T2. Za čas dt projde stěnou teplo dQ, pro něž platí dQ = λ S T1 − T2 dt . x Tepelná vodivost λ je materiálovou konstantou a pro tepelné spotřebiče volíme co nejvyšší λ tam, kde potřebujeme rychle odvádět teplo – z topné spirály vařiče na povrch plotny, z topného tělesa na desku žehličky atd. Jinde zase naopak volíme materiály s malou tepelnou vodivostí: držadlo žehličky nemůže být příliš horké. Ve varných konvicích se usazuje kotelní kámen a ten velmi zpomalí ohřívání vody na ranní šálek čaje nebo kávy. Podle definice je fyzikální jednotka tepelné vodivosti [λ] = W.m–1.K–1. Podívejme se do tabulky, jakou tepelnou vodivost mají některé materiály: λ [W.m–1.K–1] 63 205 Látka cín Sn hliník Al 97 měď Cu mosaz ocel uhlíková železo Fe asfalt kotelní kámen CaCO3 kotelní kámen CaSO4 bakelit papír porcelán sklo 395 80 až 115 46 až 52 67 0,7 0,43 až 0,98 1,7 až 2,50 0,25 0,11 1,05 0,7 Teplo může těleso přijmout nebo odevzdat do okolí i bez přímého kontaktu s prostředím nebo dalším tělesem. Pak jde o tepelné záření a zde platí Stefanův–Boltzmannův zákon dQ = SσT 4 , dt kde S je povrch tělesa, T teplota a dt časový interval. Stefanova-Boltzmannova konstanta σ = 5,67.10–8 W.m–2.K–4. Poměr výkonu a zářícího povrchu je dP = σT 4 . dS Tyto vztahy platí pro absolutně černé těleso, které je schopno pohltit veškeré dopadající záření. Skutečná tělesa splňují Stefanův-Boltzmannův zákon v upravené formě dP = Acn T 4 , dS kde A je pohltivost a cn součinitel sálání. Pro absolutně černé těleso je A = 1 a cn = σ. V tabulce jsou uvedeny hodnoty pro jiné povrchy reálných těles: 98 Látka a povrch pohltivost A Litina Ocel okysličená Ocel leštěná Zinek, matný povrch Beton Omítka vápenná Led hladký Lakový nátěr černý 0,44 0,82 0,26 0,20 0,89 0,91 0,63 0,91 součinitel sálání cn × 10–8 W.m–2.K–4 2,6 4,8 1,5 1,2 5,1 5,2 3,6 5,2 Všimněte si, jak lesklý kovový povrch špatně vyzařuje teplo. Povrchy málo vyzařující také méně pohlcují tepelné záření. Proto třeba lesklá hliníková fólie je dobrým prostředkem pro udržení nízké teploty mražené pochoutky a naopak žebrování chladičů v autech je černě natřeno. Co je černé na chladničce? Množství tepla, které musíme odvést z tělesa, abychom dosáhli potřebné nízké teploty, závisí na počáteční a konečné teplotě, na hmotnosti tělesa a měrné tepelné kapacitě látky. V chladničce se současně odvádí teplo z potravin a obalových materiálů. Pro výpočet podle vztahu Q = mc(T2 − T1 ) najdeme měrnou tepelnou kapacitu v tabulce: Látka c [kJ.kg–1.K–1] 1,67 4,186 3,94 2,43 0,235 0,920 0,395 0,385 0,460 0,460 0,130 0,390 olej olivový voda voda mořská glycerin cín hliník měď mosaz ocel nikl olovo zinek 99 sklo porcelán papír kaučuk ovoce čerstvé okurky, melouny maso telecí maso hovězí maso vepřové sádlo máslo sýr vejce pivo 0,8 1,05 1,34 1,42 3,8 4,0 3,0 3,2 2,2 2,25 2,3 až 2,7 1,8 až 2,7 3,2 3,8 Většina chladicích zařízení využívá toho, že kapalina na vypaření potřebuje teplo a to odnímá svému okolí. Kompresorová chladnička (a to je nejčastější typ v domácnostech) pracuje takto: Obr. Kompresorová chladnička Kompresor odsává páry chladiva z výparníku a adiabaticky je stlačí na tlak p1 a teplotu T1. Ta je vyšší než teplota okolí, proto se páry v chladiči za skříní ledničky ochlazují. Tlak je takový, že před kapilárou pára kapalní a natéká do výparníku ve chlazeném prostoru. Odsud kompresor odsává intenzívně páry a potřebné skupenské teplo výparné odebírá chladivo svému okolí. Ve výparníku se udržuje teplota T2 a tlak p2. 100 Pro správnou funkci je nutno najít látky s vhodnou kritickou teplotou a tlakem, biologicky nezávadné a nereagující s konstrukčními materiály. Není jich mnoho a žádná z nich není dokonalá. V tabulce jsou uvedena běžná chladiva a významné parametry : R11 R12 R13 Etan Propan NH3 oxid uhličitý CO2 CCl3F CCl2F2 CClF3 C2H6 C3H8 -33,65 -78,52 23,7 -29,8 -81,5 -88,63 -42,1 132,4 31,0 197,8 112,0 28,78 9,5 96,8 11,3 7,35 4,37 4,11 3,86 4,93 4,26 čpavek Chemická značka Teplota varu při pn ve °C Kritická teplota ve °C Kritický tlak v MPa Nejčastěji se dosud používá chladivo „R12“ – dichlordifluormetan, nyní se nahrazuje propanem. O tlacích v kompresorové chladničce nebo mrazničce vypovídá tabulka závislosti napětí nasycených par: Chladivo R12 t [oC] –20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20 25 p [MPa] 0,15 0,18 0,22 0,26 0,31 0,36 0,42 0,49 0,57 0,65 Kompresor musí udržovat před kapilárou tlak až 6,5krát vyšší než atmosférický a ve výparníku asi 2,6krát vyšší, má-li být chlazeno na –5 °C a v místnosti je 25 °C. Chladič za skříní je ovšem teplejší, proto nejvyšší tlak je až desetinásobek normálního tlaku. Kompresor pracuje s dostatečnou rezervou - je schopen stlačovat na 3 MPa. Kompresor domácích chladniček je spojen v jeden hermeticky uzavřený celek spolu s motorem. Výhodou je, že není potřeba žádných ucpávek pro přechod hřídele motoru do kompresoru a chladivo také částečně chladí motor. Hermetické uzavření celého systému zaručí, že náplň (asi 100 g) chladiva vydrží v chladničce několik desítek let beze změny. Jednofázový motor má společný hřídel s kompresorem, celek je umístěn svisle nad sebou. Parametry kompresoru Calex K5N: průměr válce D = 22 mm vypařovací teplota zdvih L = 15,5 mm kondenzační teplota i=1 příkon počet válců zdvihový objem V = 5,89 cm3 otáčky n = 2 840 min–1 čerpací rychlost V/t = 1 m3/h chladicí výkon P = 146 W 101 tmin = 15 °C tmax = 55 °C Pe = 175 W Schéma konstrukčního uspořádání je na dalším obrázku: Obr. Kompresor Úkol: Změřte teplotu v chladničce v prostoru výparníku, ve středním a spodním patru. Úkol: Do nejchladnější části chladničky vložte kovový hrnek s 200 ml vody. Odečítejte po 5 minutách teplotu. Úkol: Nastavte regulaci chlazení na maximum. Opakujte předchozí pokus. Sledujte současně dobu, po kterou pracuje kompresor a určete poměr tepla, odebraného chlazené vodě a elektrické práce, spotřebované motorem. Úkol: Zjistěte teplotu nejteplejší části systému. Určete pomocí tabulky napětí nasycených par chladiva, jaké tlaky jsou před a za kompresorem. Úkol: Odpařte na sklíčku 1 ml vody z vodovodu a na dalším sklíčku 1 cm3 ledu z výparníku. Porovnejte stopy na skle! Úloha: Do chladničky vložíme 1 kg hovězího a 1 kg telecího masa, 0,5 kg másla, 1 kg sádla a 2 láhve piva. Za jak dlouho se vše ochladí z 18 na 5 °C ? Elektrický ohřev Průchodem elektrického proudu odporem R se mění elektrická energie na teplo a platí Q=UIt, kde U je napětí na odporu, I proud a t čas. Ohříváme-li vodu, je třeba si uvědomit, že na ohřátí jednoho kilogramu vody o jeden stupeň je třeba 4 186,8 J. Voda má výjimečně velkou měrnou tepelnou kapacitu. 102 V průmyslu se odporový ohřev používá buď přímo - proud teče materiálem, který ohřívá, nebo nepřímo - proud ohřívá topné články a od nich se zahřeje materiál. Řez elektrickou šachtovou pecí je na následujícím obrázku. Obr. Elektrická pec Materiály pro topné články rezistivita maximální teplota °C Název složení v % bod tání nikelin konstantan manganin niklchrom ferochronin cekas I permaterm platina platiniridium molybdensilicid* wolframsilicid* silit * Cu67Ni30Mn3 Cu54Ni45Mn1 Cu86Mn12Ni2 Ni80Cr20 Ni62Cr15Fe23 Ni63Cr15Fe20Mn2 Fe75Cr20Al5 Pt99,9 Pt80Ir20 350 400 300 1 100 1 100 1 100 1 300 1 450 1 500 1 230 1 275 960 1 450 1 390 1 390 1 500 1 773 1 780 MoSi2 1 700 2 030 WSi2 1 900 2 150 SiC+Alsilikáty 1 400 >2 700 při tmax °C [× 10–6 Ω.cm] 40 42,2 50 50,6 43 42,6 110 115 110 118 112 140 144 9,88 64 30 66 při 20 °C 105÷109 *...používán na topné tyče Údaje převzaty z Manfred von Ardenne:Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Übermikroskopie, Band II, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1956 103 Topné články elektrických pecí, ale také topné články vařičů, žehliček a teplometů mohou být otevřené nebo uzavřené. V otevřeném článku je odporový vodič ve styku se vzduchem a hrozí oxidace. V uzavřeném článku je odporový drát stočen do spirály a uložen v ocelové trubce. Od ní musí být izolován vhodným materiálem, který nevede elektrický proud a nereaguje s vodičem ani s obalovou trubkou v celém rozsahu teplot. Jaké materiály se používají najdete v další tabulce: Izolační materiály pro topné články Název složení vlastnosti použití Porcelán mullit 2Al2O3.SiO2 elektrická pevnost VN izolátory křemen, živec Steatit enstatit MgO.SiO2 elektrická a mechaizolátory pro nická pevnost tepelná zařízení Kerit kordierit odolný proti změizolátory nn 2MgO.2Al2O3.5SiO2 nám teploty Pyrostat kordierit a přísady odolný proti změnosiče topných nám teploty drátů Periklasová periklas MgO žáruvzdorný izolace topných keramika článků Údaje podle Hassdenteufel, Květ: Elektrotechnické materiály, Praha SNTL 1967. Příjemným zdrojem tepla je infražárovka. Infračervený ohřev zajistí infračervené paprsky o vlnové délce 750 až 1 000 nm, které vysílá wolframové vlákno o teplotě blízké 2 000 °C. Obvyklá infražárovka má příkon 250 W, napětí 230 V, patici E27 jako obyčejná žárovka a baňku se zrcadlovou plochou a červeným sklem, které omezuje viditelné světlo. Zatímco obyčejná žárovka má průměrnou dobu života 1000 h, infražárovky vydrží až 3 000 h. Obr. Infražárovka 104 Infračervené záření proniká pod povrch látek a výborně se hodí pro prohřívání lakové vrstvy při sušení, vytvrzování povlaků z umělých hmot a sušení organických materiálů. Z ordinací lékařů znáte SOLUX - infračervenou lampu. Nejmladším a technicky a fyzikálně nejzajímavějším tepelným spotřebičem je mikrovlnná trouba. Ta využívá diatermický ohřev. Fyzikální princip je znám již od počátků radiového vysílání (~1920): Molekuly vody a řady organických i anorganických látek jsou elektrické dipóly - jeden konec částice má kladný, druhý záporný elektrický náboj. V elektrickém poli se dipóly natáčejí po směru siločar. Je-li elektrické pole střídavé, přetáčejí se dipóly tam a zpět a při vzájemných nárazech vzniká v látce chaotický tepelný pohyb - látka se ohřívá. Důležité je, že ohřívání probíhá v celém objemu látky, nikoliv od povrchu dovnitř. Obr. Diatermie Bude-li miska, na níž položíme oběd (párek a bramborová kaše), z materiálu, který nemá molekulární dipóly, dojde k zajímavému jevu: miska zůstane chladná a oběd se ohřeje. Šetříme energii s moderními spotřebiči! Pro vytvoření křupavé kůrky na upečeném kuřátku je mikrovlnná trouba doplněna topným tělesem - grilem a pro jiné kulinářské operace také horkovzdušným topením. To vše je možno načasovat pomocí programu. Hlavní částí mikrovlnné trouby je oscilátor, který kmitá s frekvencí 2 300 MHz až 2 700 MHz. Výrobci zde používají magnetron - vakuovou elektronku, v níž je tok elektronů řízen magnetickým polem. Vysokofrekvenční výkon magnetronu je až 700 W a při účinnosti 50 % potřebuje příkon 1 400 W. 105 Obr. Magnetron ETA Hlinsko uváděla pro typ ETA 3195 tyto parametry: Tři způsoby ohřevu - mikrovlnný - gril - horkovzdušný 19 programů, 10 stupňů ohřevu, časovač, otočný talíř, napětí 230 V Příkon magnetronu 1 400 W grilu 1 300 W horkovzdušného topení 1 400 W Objem 34 dm3 Úkol: Na vařiči s příkonem 400 W, 800 W, 1 200 W ohřívejte 0,5 l vody a měřte dobu, za jakou se ohřeje ze 20 °C na 70 °C. Porovnejte naměřené časy. Mění se potřebný čas podle očekávání? Úkol: Ohřejte ponorným vařičem 0,5 l vody a změřte dobu pro ohřátí ze 20 °C na 70 °C. Vypočtěte elektrickou práci a teplo přijaté vodou. Zjistěte účinnost ponorného vařiče. Úkol: Zjistěte, který vařič má největší účinnost! Úkol: Do vzdálenosti 40 cm před infražárovku umístěte teploměr se začerněnou baňkou. Mezi žárovku a teploměr vkládejte postupně skleněnou desku, desku organického skla, list papíru, hliníkovou folii. Počkejte na ustálení teploty a rozhodněte, jaký vliv mají dané látky na infračervené paprsky. Úkol: Infražárovka vysílá svazek paprsků podobně jako reflektor auta. Lze infračervené záření odrážet do jiného směru nebo soustředit do ohniska? Navrhněte způsob ověření a proveďte experiment. Úkol: V mikrovlnné troubě jsou místa, kde se soustřeďuje energie a místa s nižší hustotou energie. Dokázali byste je najít? Pozor, mikrovlnná trouba 106 musí mít při provozu pečlivě zavřená dvířka. Vysokofrekvenční elektromagnetické pole by mohlo poškodit živou tkáň! Úkol: Pokuste se zjistit, z jaké slitiny je topná spirála v teplometu, fénu, v remosce atd. Spirálu dostanete v prodejně náhradních dílů. Použijte znalostí fyzikálních parametrů a poraďte se i s chemiky. Chladnička s Peltierovými články Chladicí boxy do auta nebo campingové chladicí nádoby nemají kompresor, chladivo ani žádné pohyblivé části a stačí je připojit na 12V stejnosměrných nebo s adaptérem na síť 230 V/50 Hz. Chlazení zajistí tzv. Peltierovy články a jejich fyzika je také zajímavá. Obr. Chladicí box V r. 1834 objevil francouzský fyzik Peltier efekt, který je opakem Seebeckova jevu. Seebeckův efekt - jsou-li spojeny dva vodiče z různých kovů do uzavřeného obvodu a mají-li spoje různou teplotu T1 a T2 , protéká obvodem elektrický proud. Obr. Seebeckův jev Obr. Peltierův jev 107 Peltierův efekt - protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje stejným obvodem, pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji. Kovové vodiče nejsou pro Peltierův jev vhodné – dosažené teplotní rozdíly lze jen těžko měřit. Daleko lepší jsou výsledky v obvodu, sestaveném z polovodičů s vodivostí P a N a také příčinu jevu lze dobře vysvětlit. Obr. Peltierův jev v polovodičích Elektrony postupující po děrách v polovodiči P mají nižší energii a při přechodu do polovodiče N si doplní energii na úkor okolních atomů – kontakt je ochlazován. V opačném směru se kontakt ohřívá. Platí jednoduchý vztah: odebrané teplo nebo teplo uvolněné tímto mechanizmem je přímo úměrné prošlému náboji: QT = ΠIt. Koeficient Π je tzv. Peltierův koeficient. Požadavky na polovodivé materiály jsou jiné, než pro konstrukci diod – přechod PN nesmí usměrňovat. Materiál má mít malou tepelnou vodivost, malou rezistivitu a při Seebeckově jevu velký termoelektrický koeficient. Základním polovodičovým materiálem na Peltierovy články jsou převážně vizmut-telluridy, tj. ternární systémy Bi-Te-Se (N-typ) a Bi-Sb-Te (P-typ). Jeden Peltierův článek je sestaven ze dvou kostek polovodičů, spojených nahoře měděným můstkem. Obr. Peltierův článek 108 Na můstek je položen ochlazovaný předmět. Masivní měděné přívody na druhé straně hrají v přenosu tepla další roli: z Peltierova článku odvádějí Peltierovo teplo QT = ΠIt a také Jouleovo teplo Q = RI2t. V rovnovážném stavu je mezi horní a dolní stranou rozdíl teplot ΔT až několik desítek kelvinů. Skutečné formy Peltierových článků ukazuje další obrázek: Obr. Formy Peltierových článků Mezi horní a spodní keramickou desku je umístěno několik desítek polovodičových kostiček (uprostřed dole), jde vždy o celou baterii do série zapojených článků. Pro dosažení většího rozdílu teplot lze vytvořit vertikální uspořádání článku nad sebou. Jeden z Peltierových článků o rozměrech 40×40×3,5 mm má v katalogu údaje: teplota horké strany 25 °C teplotní rozdíl 67 °C maximální proud 2,3 A napětí 14,4 V chladicí výkon 20 W odpor modulu 5,76 Ω Viz http://www.melcor.com/, http://www.kryotherm.ru/ 109 Indukční ohřev pro domácnost V průmyslu se indukční ohřev ocelových hřídelí a podobných dílů bohatě využívá: v dutině pracovní cívky vytvoří střídavý proud s frekvencí 20 kHz až 50 kHz proměnné magnetické pole a vložený hřídel se vířivými proudy na povrchu zahřeje na potřebnou teplotu pro následné kalení nebo popouštění. Tak získá hřídel na povrchu odolnou a tvrdou vrstvu a uvnitř zůstává houževnatý materiál. Povrch lze pak dobře brousit pro přesná kluzná ložiska a houževnaté jádro zaručí, že hřídel nepraskne při rázovém namáhání. Generátory střídavých proudů v průmyslu byly alternátory s větším počtem cívek a vyššími otáčkami. Výkonové spínací tranzistory a integrované obvody dovolují dnes zkonstruovat výkonný střídavý zdroj s potřebnou frekvencí a přesto se vše vejde pod sklokeramickou desku na kuchyňské lince nebo dokonce do jednoplotýnkového vařiče. Jak takový vařič s indukčním ohřevem pracuje, ukazuje obrázek: Obr. Indukční vařič Ve střídavém magnetickém poli je kovové dno nádoby a v něm se indukují vířivé proudy. Výrobce doporučuje nádobí z litiny, ze smaltovaného ocelového plechu nebo jiného feromagnetika. To vede k zesílení magnetického pole a také rezistivita těchto látek je výhodná pro optimální využití výkonu zdroje. Podle výrobců se zužitkuje až 95 % dodané energie. Poznámka: Na Internetu lze nalézt i úplný návod na konstrukci indukční pícky. (http://danyk.wz.cz/) Literatura Voženílek, L.: Kurs elektrotechniky, SNTL, Praha 1988. Chlumský, V.: Technika chlazení, SNTL, Praha 1971. 110 Principy bezpečnostních systémů pro zajištění objektů Lidé si obvykle váží výsledků své práce a hodnoty takto vytvořené je nutné chránit. V bytech, ve školách, na pracovištích, v laboratořích, v dílnách a v továrnách máme celou řadu cenných věcí a zařízení, které chráníme před nepřízní přírodních vlivů a bohužel i před nekalými zájmy jednotlivců. Ve druhém jmenovaném případě jsme schopni konkrétní objekty chránit technickými prostředky, které využívají řady fyzikálních poznatků. Seznámení s nimi neznamená, že je chceme překonávat. Znát principy zabezpečovacích systémů umožní účelně je využívat k ochraně hodnot. Elektronická zabezpečovací signalizace Elektronická zabezpečovací signalizace (EZS) je systém, který při pokusu o vniknutí do zabezpečeného prostoru zapne poplachovou sirénu, telefonicky informuje policii nebo ostrahu objektu a uvede do chodu další zařízení – výstražná světla, přídavné uzamykání atd. Systém reaguje také na vznik požáru, na kouř, na zvýšení vlhkosti a další změny. Ústředna je centrem systému. Přijímá a vyhodnocuje signály z jednotlivých čidel. Je možné zde nastavit režim servisu – obsluha zasahuje do systému a není vyhlášen poplach, režim okamžitého poplachu při narušení hlídaného prostoru, režim zpožděný, nutný pro uvádění systému do chodu a jeho vypínání, režim 24 hodinový, kdy některá čidla podle programu pracují a jiná jsou v klidu. Dnešní ústředny jsou ovládány číselným kódem, který je vysílán radiovým vysílačem. Ústředna má zálohový akumulátor a je schopna několik dnů pracovat bez síťového napájení. Ochrana objektu může mít sestavu: 111 Prostorová čidla kontrolují chráněný prostor a v případě narušení vysílají signál na ústřednu. Používají řadu fyzikálních principů. Infrapasivní čidlo snímá teplotní záření objektů ve svém okolí. Mikrovlnný detektor vysílá do prostoru elektromagnetickou vlnu a vyhodnocuje rozložení elektromagnetického pole. Na změny reaguje vysláním signálu na ústřednu. Ultrazvukový detektor vysílá do prostoru ultrazvuk a přijímá odražený signál. Změny v přijímaném signálu znamenají narušení. Detektory tříštění skla jsou mikrofony, které navíc vyhodnotí zvukové spektrum. Odpovídá-li zvukové spektrum tříštění skla, aktivují ústřednu. Magnetické kontakty obsahují jazýčkové spínací prvky, které spínají v magnetickém poli. Permanentní magnet na zavřených dveřích je sepne. Jsou vhodné pro kontrolu řádného uzavření oken a dveří. Infračervené závory obsahují vysílač a přijímač infrazáření. Je signalizováno přerušení paprsku. Kapacitní detektor reaguje na polohu určitého předmětu. Může hlídat konkrétní objekt - sochu v galerii, dveře trezoru a podobně. Detektory vibrací jsou umístěny po skupinách na příchodech k objektu. Lze jimi hlídat velké plochy - mezi plotem a skladištěm, příjezdovou cestu atd. Tlakové rohože položené před určitým vchodem informují o vstupu osoby. Sirény jsou častým výstupním prvkem elektronických zabezpečovacích systémů. Zvuk o hlasitosti 110 dB dokáže zastrašit a vyvolat pozornost. Komunikátor je zařízení, které je schopno předat telefonem informaci o narušení objektu. Pult centralizované ochrany je součástí služeben policie a k němu se dovolají komunikátory chráněných objektů. Infrapasivní čidlo Je umístěno obvykle v rohu místnosti nebo na stropě. Základem je pyroelektrický detektor infračerveného záření - stručně pyročidlo. Z teorie je znám Wienův posunovací zákon: vlnová délka, na níž těleso o teplotě T vyzařuje maximum energie je nepřímo úměrná teplotě: λmax = b T Konstanta b = 2,898.10–3 m.K. Sluneční světlo má maximum energie na vlnové délce asi 500 nm a tomu odpoví112 dá teplota 5 800 K. Viditelné světlo má vlnové délky v intervalu 390 až 760 nm. Větší vlnové délky patří infračervenému záření, kde rozlišujeme oblasti λ = 780 až 1400 nm IR-A IR-B 1 400 až 3 000 nm IR-C 3 000 až 10 000 nm Lidské tělo vyzařuje jako těleso s teplotou asi 35 °C, tj. 308 K. Maximum energie nese vlnová délka 9 400 nm, spadající do oblasti IR-C. Pyroelektrický detektor je schopen z celého spektra elektromagnetických vln zjistit právě tuto oblast a změny v dopadajícím záření převést na elektrický signál. Jak? Obr. Pyročidlo – celek Pyročidlo – otevřené pouzdro Základem je destička z polykrystalického keramického materiálu PbZrTiO3. Po předchozích úpravách je destička zahřáta na asi 300 °C a vložena do elektrického pole. Dojde k orientační polarizaci molekul látky a polarizace je po vychladnutí trvalá. Destička se chová jako trvalý elektrický dipól (elektret): na protilehlých stranách najdeme kladný a záporný pól. Ovšem jen potud, pokud se na povrch elektrod nedostanou opačně nabité ionty, které jsou ve vzduchu nebo ve vodičích přítomny. Zahřátím se uspořádání molekul v destičce poněkud naruší, polarizace se sníží a část původně přitažených iontů odchází. Připojeným rezistorem protéká proud a vytváří se použitelný elektrický signál. Z fyzikálního principu funkce vyplývá, že elektrický signál vznikne jen při změnách teploty. Na příliš rychlé změny nestačí čidlo reagovat - horní mezní kmitočet je asi 3 Hz. Příliš pomalé změny nedají zase použitelný signál, takže dolní mezní kmitočet je asi 0,2 Hz. Napětí z pyročidla je malé a proto je ihned zesiluje polem řízený tranzistor nebo operační zesilovač, který je na čipu spolu 113 spolu s pyročidlem. Do pouzdra se dostává záření křemíkovým okénkem, opatřeným antireflexními vrstvami. Ty působí jako interferenční filtr a ze všeho záření propustí dovnitř právě tepelné záření lidského těla - vlnové délky kolem 10 um. Obr. Pyročidlo - princip Další úprava počítá s tím, že nežádoucí objekt se pohybuje. Do detektoru jsou umístěny dvě pyročidla a tranzistor zesiluje jen rozdíl jejich signálů. Vnější vzhled detektoru je podobný tranzistoru s tím, že má tmavě šedé křemíkové okénko pro vstup záření. Vnitřním polem řízený tranzistor je zapojen jako emitorový sledovač. Obr. Detektor s pyročidlem pro sledování pohybu osob Zatěžovací odpor uvnitř detektoru je asi 50 kΩ a proto se připojuje detektor na vstup dalšího, obvykle operačního zesilovače. Signál z výstupu OZ je vyhodnocen tak, aby byl rozeznán pohyb osoby a poplach nezazněl po náhodných impulzech, při rušení elektromagnetického původu nebo na jiný bezvýznamný podnět. 114 Obr. Zapojení pyročidla se zesilovačem První selekci signálu zajistí optický člen – Fresnelova válcová čočka s vhodným rastrem, umístěná před detektorem. Hlídaný prostor je tím rozdělen na zóny a detektor dává informaci o zdrojích záření, které se pohybují těmito zónami. Vytvářený signál má tvar impulzů, které vypovídají o přemístění zdroje záření. Obr. Zóny Fresnelovu čočku vidíme na detektoru velmi dobře – je to k nám přivrácená strana "krabičky", umístěné obvykle v rohu místnosti, na schodišti nebo u vstupu do objektu. Úkol: Dutým kulovým zrcadlem ze soupravy pro optiku zobrazte na stínítku plamen svíčky. Stínítko odstavte a do místa obrazu vložte termočlánkový teploměr ze soupravy digitálního měřícího přístroje. Před termočlánek vklá- 115 dejte vzorky plastových folií, skla, kovovou folii atd. Které materiály propouští lépe tepelné záření, které nikoliv? Úkol: Změřte teplotu povrchu elektrického vařiče, pozorujte plotýnku v zatemněné místnosti. Změřte teplotu plamene lihového a plynového kahanu, teplotu plamene svíčky. Zapalte kostičku pevného lihu a změřte teplotu. (Použijte termočlánek.) Úloha: Na jaké vlnové délce vyzařuje maximum energie těleso o teplotě 3 K, 30 K, 0 °C, 41 °C, 3 000 K ? Vypočtěte frekvence příslušné těmto elektromagnetickým vlnám! Úkol: V místnosti chráněné pyročidlem projděte před čidlem a sledujte kontrolní světlo na čidle. Při pohybu osoby bliká. Pohyb zpomalte a sledujte čidlo. (Na velmi pomalý pohyb nereaguje!) Ultrazvukový detektor Základem jsou vysílače a přijímače ultrazvuku, využívající piezoelektrický jev. Některé polykrystalické látky jsou současně feroelektrické. Název připomíná feromagnetika - látky, které se v magnetickém poli zmagnetují a lze na nich určit severní a jižní pól. Podobně některá feroelektrika v silném elektrickém poli: oblasti ve vzorku látky, kterým říkáme domény, se spontánně polarizují a celý vzorek je elektrickým dipólem s kladným a záporným nábojem na protilehlých stranách. Po vyjmutí z elektrického pole polarizace zcela nezanikne. Náboje jsou ovšem vázány na molekuly feroelektrika a nelze je odvést. Vzorky z takových materiálů mají vlastnosti stálých elektrických dipólů. Z okolí jsou pak na povrch vzorku přitaženy volné náboje a ty kompenzují pole vázaných nábojů ve vzorku. (Viz pyročidlo.) Polarizaci lze odstranit zahřátím a časem zaniká – podobně "stárne" i permanentní magnet. Rovnováhu narušíme také deformací takového vzorku. Stlačením nebo ohybem vzorku vnější silou vzniká rozdíl potenciálů mezi protilehlými plochami - tomu říkáme přímý piezoelektrický jev. Krystaly acentrické nemají střed souměrnosti a při deformaci vnější silou na nich vznikají elektrické náboje. Z přírodních krystalů to je např. křemen SiO2. Kolmo k tzv. polární ose jsou řezány destičky, ty se na protilehlých stěnách pokoví a opatří kontakty. Stlačování ve směru polární osy vyvolá vznik vázaných nábojů. Destičku lze také ohýbat a získat elektrický signál. Podstata jevu je ve vysouvání kladných křemíkových iontů a záporných kyslíkových iontů při deformaci silou. 116 Obr. Vznik vázaných nábojů Obr. Monokrystal křemene Piezoelektrický jev je výrazný právě u křemene, dále u vinanu sodnodraselného (Seignettova sůl) a turmalínu. Moderní piezokeramika používá BaTiO3, PbNb2O3 a další keramické materiály – polykrystalické pevné roztoky zirkoničitanu olovnatého a titaničitanu olovnatého při poměru Zr : Ti asi 1 : 1. Vlastnosti materiálů se upravují přísadami s oxidy olova, hořčíku, niklu, niobu, antimonu a kobaltu. Přímý piezoelektrický jev se využívá například v zapalovačích plynu. Deformace vzorku přiloženým napětím je piezoelektrický jev nepřímý a je využit v krystalových mikrofonech, piezoelektrických sirénách, piezoelektrických ventilátorech, v polohovacích systémech atd. (Podrobně např. na http://www.piezo.com) Obr. Piezoelektrická siréna 117 Destička z piezoelektrika, opatřená kovovými kontakty, má svou mechanickou rezonanční frekvenci. Jestliže na ni vložíme střídavé elektrické napětí, chová se jako rezonanční obvod. Pro sériovou rezonanční frekvenci platí empirický vztah f = N , d kde N je konstanta pro daný materiál a d je rezonující rozměr vzorku. Obr. Krystalový rezonátor 20 kHz Aplikační možnosti piezokeramiky 1. Piezoelektrické generátory akustického signálu - bzučáky - sirény - reproduktory, sluchátka 2. Piezoelektrické vysílače a přijímače ultrazvuku – dálkové ultrazvukové (uzv) ovládání - uzv radary - sonary - měřiče rychlosti proudění kapalin (i krve v těle) - měřiče vzdálenosti, hloubky, tloušťky - uzv defektoskopie - uzv tomografie - uzv telefony 3. Snímače zvuku a speciální mikrofony a sondy - snímače akustického tlaku zvuku a ultrazvuku - snímače pro fotoakustickou spektroskopii 4. Prvky pro radiotechniku a TV techniku - rezonátory - filtry objemové a s povrchovou akustickou vlnou – zpožďovací linky 118 - zdroje vysokého (vysokofrekvenčního) napětí - gramofonové přenosky 5. Výkonové aplikace pro technologii - ultrazvukové čištění - řezání, vrtání, dělení velmi tvrdých materiálů - sváření a tváření - uzv kontaktování - atomizace (rozprašování) kapalin - příprava suspenzí a emulzí - homogenizátory a mixéry - součásti tiskáren (tryskové JET tiskárny) - lineární motory - piezoelektrické rotační motory 6. Generátory pohybu - generátory mikroposuvů - lineární motory - piezoelektrické rotační motory 7. Piezoelektrické měniče pro měřící a regulační techniku - snímače tlaku - snímače vibrací - měřiče zrychlení - seismografy - dotykové spínače - dotykové ovladače Rozsah použití přímého i nepřímého piezoelektrického jevu je značný. Pro bezpečnostní techniku jsou důležité akustické měniče, které slouží jako generátory ultrazvuku i jako mikrofony. Obr. Akustický měnič 119 Rozměry měniče s označením SK 898 00 jsou: D = 12,5 mm, d = 10 mm, t1 = 0,1 mm, t2 = 0,35 mm Ultrazvuk pro hlídání lze použít: 1. Jako neviditelný paprsek, jehož přerušení vyvolá poplach 2. Ultrazvukový paprsek dopadá na hlídaný předmět, odráží se a je přijat. Změna signalizuje poplach. 3. Ultrazvukovým signálem naplníme prostor a sada čidel snímá akustický tlak v určitých místech. Změna signálů znamená pohyb v prostoru. Systém je schopen reagovat i na letící mouchu! Rezonanční frekvence nakresleného měniče je asi 40 kHz. Když je uzavřen do vhodného reflektoru, vysílá úzký svazek, který stejným snímačem můžeme registrovat ve vzdálenosti 10 m – 12 m. Zapojení vysílače a přijímače je poměrně jednoduché, použijeme-li integrovaných obvodů. Obr. Ultrazvukový vysílač Funkce je následující: První dvě hradla vytváří obdélníkový kmit, další dvě jej upraví a na výstupu 3. a 4. hradla jsou logické 0 a 1 a střídají se s frekvencí 40 kHz (lze nastavit trimrem 22k). Tranzistory signál zesílí a piezoelektrický měnič vysílá ultrazvuk. Přijímač je na dalším schématu: 120 Obr. Ultrazvukový přijímač Po zesílení operačním zesilovačem je střídavý signál usměrněn a přiveden na bázi tranzistoru. Typ PNP přeruší proud pro vinutí relé, typ NPN by sepnul proud pro relé. Ovládací kontakty relé pak uvedou do chodu další zařízení. Podrobně viz např. AMATÉRSKÉ RÁDIO, řada A, č. 11/88. Detektory mikrovln Jejich použití pro zabezpečení prostoru vyžaduje umístit vhodně zdroj mikrovln - elektromagnetických vln s délkou přibližně 10 cm. V mnoha domácnostech takový zdroj máte také - je to mikrovlnná trouba. V ní se jako vysokofrekvenční zdroj používá magnetron a jeho výkon je opravdu úctyhodný – 700 i více wattů. Frekvence magnetronu v "mikrovlnce" je obvykle 2 540 MHz, vlnová délka 11,8 cm. Pro zabezpečovací účely je potřeba výkon 10 mW až 1 W a tady stačí oscilátory s tranzistorem. Mikrovlny mohou zahřívat biologické tkáně a případně je poškodit. Hranice pro škodlivé účinky je intenzita vyzařování asi 50 mW.cm–2 – centimetrovou ploškou kolmou ke směru záření projde každou sekundu 50 mJ. Detektorem záření amatérské konstrukce můžeme zjistit, zda mikrovlnná trouba nevyzařuje do okolí. Neměla by; výrobce uzavřel pracovní prostor a pokud otevřeme dvířka, magnetron se automaticky vypíná. Přesto každá mikrovlnka částečně vyzařuje. Pasivní detektor obsahuje pouze půlvlnný dipól, diodu pro tyto frekvence, nabíjecí kondenzátor a citlivý mikroampérmetr. (Zatlumený dipól kmitá pomaleji a proto je l menší než λ/2.) 121 délka dipólu 45 mm cívky – meandry 3×3 mm C 82 pF R1 680 Ω R2 15 Ω měřidlo do 200 μA Stiskem tlačítka se zvýší citlivost. Obr. Detektor mikrovln Podrobnosti viz AMATÉRSKÉ RÁDIO, řada B, č. 4/90. Jiný případ, kdy se setkáváme s detekcí elektromagnetických vln, jsou silniční radary. Jejich přítomnost na silnici nutí neukázněné řidiče k pořádku, pro fyzika jsou příležitostí k rozboru funkce. Pro každého je zajímavé zjistit fungující radar dříve, než se objeví STOP v rukou policisty. Frekvence, s jakými radary na silnicích měří, jsou v širokém intervalu od 9 GHz do 36 GHz. V České republice má policie radar Ramer 7 na frekvencích 33,9 GHz až 34,1 GHz nebo 34,2 GHz až 34,4 GHz. Parabolickou anténou jsou k vozidlu vyslány impulzy, ty se odrazí a s jistým zpožděním jsou přijaty toutéž anténou. Protože se odrážejí od vzdalujícího se vozu, jejich frekvence se sníží a elektronika radaru zjistí frekvenci záznějů. Frekvence záznějů dává informaci o rychlosti auta. Odrazy signálu mohou být přijaty i v automobilu, který teprve přijíždí k místu měření. Jednoduché zapojení detektoru je na následujícím schématu. Obr. Detektor silničního radaru 122 Rozhodující pro funkci je operační zesilovač vlevo nahoře, kde kondenzátor C1 a jeho přívody o vhodné délce tvoří velmi zatlumený sériový obvod LC, který při zachycení UHF signálu z radaru vyvolá několik nízkofrekvenčních zákmitů. Kmity jsou zesíleny druhým operačním zesilovačem a piezoměnič se ozve, je-li zachycen signál. Potenciometrem R5 je třeba nastavit citlivost tak, aby i bez signálu byl patrný šum na výstupu. Oba operační zesilovače jsou v jediném integrovaném obvodu – MA1458. Délku vývodů C1 lze nastavit podle grafu a očekávané pracovní frekvence radaru: Obr. Nastavení délky Podrobnosti a další, dokonalejší detektor radaru najdete v časopisu AMATÉRSKÉ RÁDIO, řada B, č. 5/91. Odražené signály jsou dnes velmi slabé, protože samotný silniční radar vysílá výkon 2 mV až 0,5 mW. Komerční pasivní antiradary jsou schopny zpracovat i zlomek tohoto signálu, ovšem cena antiradaru je 10 až 20 tisíc Kč. Poznámka Rychlost vozidel se dnes měří také laserovými radary – tzv. lidary. Přibližně 100krát za sekundu přístroj vyšle infračervený puls (λ = 800 nm až 900 nm), přijme odražený signál a vypočte vzdálenost. Ze dvou měření a času určí rychlost auta. Podrobně na webu http://copradar.com Kapacitní detektor Hlídá polohu předmětu, v jehož blízkosti je umístěn. Přemístění signalizuje světelně, zvukově, signálem na ústřednu atd. Zapojení na schématu je jedno z mnoha možných: 123 Obr. Kapacitní snímač Vlastní čidlo tvoří horní deska kondenzátoru Cx, kterou vytvoříme jako vodivou plochu 10×10 cm2 v blízkosti hlídaného předmětu (hliníková fólie na skle, vodivá vrstva zrcadla apod.) První tranzistor je oscilátorem, který kmitá na frekvenci okolo 1 MHz. Laděným kondenzátorem nastavíme druhý LC obvod do rezonance a potenciometrem zvolíme pracovní bod druhého tranzistoru tak, aby zelená LED1 svítila, červená LED2 zůstala temná. Změna polohy objektů v blízkosti Cx rozladí obvod, druhý tranzistor se neotevře, třetí ano a LED2 svítí. Hlásiče požáru Jsou umístěny na stropech místností veřejných budov, hotelů a pod. Vzhled se mění, ale principy jsou v podstatě dva: buď jde o optický snímač kouře, vybavený navíc i čidlem teploty, nebo je to ionizační snímač. Fyzika zaujme spíše ionizační snímač. V hlásiči tohoto typu je zářič obsahující americium 241Am. Tento radioizotop má poločas rozpadu 432 let a vyzařuje částice alfa mající ve vzduchu dolet několik centimetrů. Vzduch je částicí silně ionizován. Obr. Hlásič požáru 124 Fotografie ukazuje vlevo piezoelektrickou sirénku a vpravo ionizační komůrku. Obr. Ionizační hlásič požáru Elektronika napájená devítivoltovou baterií produkuje obdélníkový signál s frekvencí asi 3 kHz pro sirénu a s frekvencí asi 0,5 Hz pro LED. Bílý konektor v popředí slouží k připojení na ústřednu bezpečnostního systému. Funkci ionizační komůrky vysvětluje funkční schéma: Obr. Princip hlásiče Bez kouře je komůrka dosti vodivá a napětí Ux je nízké. Kouřové částice zachytí část záření alfa, ionizace poklesne a odpor komůrky vzroste. To má za následek nárůst Ux . Při dosažení nastavené úrovně se tím spustí oscilátory a je předán signál na ústřednu. Detail komůrky ukazuje i aktivitu zářiče. 125 Obr. Ionizační komůrka-detail Magnetické spínače Jsou to velmi jednoduché prvky zabezpečovacích systémů, jsou však levné a spolehlivé. Magnetické spínače jsou schopny spínat proudy 10 mA – 100 mA. Obr. Magnetický spínač - princip 126 Základem magnetického spínače jsou dva pásky z pružné a magneticky měkké oceli. Přiblížením permanentního magnetu se oba pásky zmagnetují. V místě kontaktů vznikají opačné magnetické póly a proto se konce pásků dosti pevně přitáhnou. Po oddálení permanentního magnetu magnetizace zaniká a pružné síly spojení přeruší. Kontakty jsou zataveny ve skleněné trubičce o délce např. 25 mm a průměru 3 mm. Malé rozměry umožňují skryté umístění. Úkol: Sestavte z ocelových drátků model magnetického spínače. Použijte feritovou magnetku. Úkol: Sestavte zapojení, které bude signalizovat a) současné otevření dveří a okna v místnosti, b) otevření dveří nebo okna v místnosti. Úkol: Při otevření dveří chladničky nebo mrazáku se rozsvítí uvnitř žárovka. Jaký spínač ji ovládá? Pračka se automaticky vypíná, pokud se otevře víko. Jaký spínač je použit? Úloha: Silniční radar vysílá impulsy s frekvencí 35 GHz a ty se odráží od auta vzdalujícího se rychlostí 108 km/h. Jaká bude frekvence signálu po odrazu od auta? (c = 299 792 458 m.s–1) c−v Pro výpočet použijte relativistický vzorec f = f 0 . c+v Snímače Bezpečnostní systémy používají jen některé snímače fyzikálních veličin. Digitální elektronika potřebuje převést jakoukoliv fyzikální veličinu na elektrický analogový a dále na digitální signál. Analogový signál vytvářejí snímače. Zájemce může najít na webu katalogy prodejců elektronických součástek a v katalogových listech najít princip a parametry snímačů – např. snímač koncentrace hořlavých plynů, snímač vlhkosti vzduchu, snímač koncentrace oxidu uhelnatého, snímač polohy, snímač úhlu otočení atd. Literatura PIEZOKERAMIKA přehledný katalog Tesla, Hradec Králové 1991. AMATÉRSKÉ RÁDIO, řada A, č. 11/88. AMATÉRSKÉ RÁDIO, řada B, č. 4/90. AMATÉRSKÉ RÁDIO, řada B, č. 5/91. Byly použity internetové zdroje. 127 Moderní zdroje světla Viditelné záření nazýváme světlo a každý objekt, vyzařující světlo s fotony o vlnových délkách v intervalu 390 nm až 760 nm, je světelný zdroj. Pro dobré vidění potřebujeme, aby fotony různých vlnových délek byly zastoupeny v poměru, jaký je ve slunečním světle. Tomu odpovídající rozložení energie umíme změřit, ale také vypočítat podle Planckova zákona, který určuje spektrální hustotu intenzity vyzařování He jako podíl části ΔMe, připadající na interval vlnových délek (λ,λ + Δλ) a šířky tohoto intervalu Δλ. Spektrální hustota intenzity vyzařování je zobrazena grafem He = f(λ). Intenzita vyzařování Me je podíl výkonu, vyzářeného z povrchu absolutně černého tělesa a velikosti tohoto povrchu. Uvádí se ve W.m–2. Planckův vyzařovací zákon ukazuje, jak teplota světelného zdroje ovlivní rozdělení energie na různé vlnové délky: He = 2 πhc 2 λ5 e hc λkT − 1 ( ) Zákon platí pro absolutně černé těleso. To samo o sobě je fyzikální abstrakcí a je tím myšleno zářící těleso, které každé záření na něj dopadající zcela pohltí. Pro laboratorní použití je dobrým modelem absolutně černého tělesa otvor do dutého tělesa. Záření přicházející zvenčí se mnohonásobnými částečnými odrazy na stěnách dutiny pohltí a již ven nevychází. Pokud je vnitřek dutiny zahřátý na vyšší teplotu, pak tímtéž otvorem tepelné nebo světelné záření vychází ven a právě otvor má vlastnosti absolutně černého tělesa. S jistou nepřesností použijeme Planckův vyzařovací zákon i pro vlákno žárovky. V následujícím grafu je funkce He zakreslena pro teploty od 2 000 K do 5 500 K. Z grafu je zřejmé, že naše tepelné zdroje světla mohou dávat takřka bílé světlo jen při teplotách elektrického oblouku. Žárovky všeho druhu vyzařují jen asi 5 % energie jako viditelné světlo a to ještě s převahou dlouhých vlnových délek. Žárovky mohou mít vlákna rozžhavena maximálně na teplotu tání woframu – další graf ukazuje spektrální hustotu záření pro teploty v intervalu 1 000 K až 3 500 K, tj. přibližně 727 °C až 3 227 °C. (Bod tání wolframu je 3 380 °C.) 128 Obr. Spektrální hustota záření (2 000 K – 5 500 K) Obr. Spektrální hustota záření (1 000 K – 3 500 K) 129 Poznámka: program Planck1 a Planck2 je k dispozici na PdF UHK, katedra fyziky a informatiky Některé fotometrické veličiny a jednotky Základní fotometrickou veličinou je svítivost I. Jednotkou svítivosti je kandela (cd). Je dobré mít alespoň představu: svítivost jedné kandely má přibližně plamínek vánoční svíčky. Podíl svítivosti a svítící plochy při kolmém pohledu se nazývá jas L. Jeho jednotkou je nit (nt). To je jas zdroje, jehož jeden m2 povrchu má svítivost 1 cd (1 nt = 1 cd.m–2). Jas některých zdrojů Slunce vlákno žárovky 2 700 K bílý papír při slunečním světle zářivka plamen svíčky Měsíc oblačná obloha Jas (nt) 2.109 1.107 2,5.104 6.103 5.103 3.103 3.103 Světelný zdroj vyzařuje do prostoru světelný tok Φ. Jeho jednotkou je lumen (lm) a světelný tok zdroje o svítivosti 1 cd, který vyzařuje rovnoměrně do všech směrů, je 4π lumenů, tj. 12,56 lm. Pro pozorování, čtení, jakoukoliv rozumnou činnost je důležité osvětlení E. Jeho jednotkou je lux (lx), což je osvětlení plochy, na jejíž každý metr čtverečný dopadá světelný tok 1 lumen. Zdroj o svítivosti 1 kandela poskytne na kolmo postavené ploše 1 metr vzdálené právě jednotkové osvětlení. Doporučené hodnoty osvětlení Druh práce,prostory Rychlá orientace, chodby Práce ve skladech Čtení Rýsování, kreslení Rytecké práce, montáž jemné mechaniky, elektroniky průměrné osvětlení (lx) 0 – 125 25 – 250 50 – 500 00 – 1 000 1 000 a více 130 Pro byty jsou doporučeny hodnoty osvětlení: obývací pokoj kuchyně ložnice jídelna chodby průměrné osvětlení (lx) 200 100 30 100 25 Pro posuzování zdrojů světla je důležitý měrný světelný výkon, který se udává v lumenech na watt (lm.W–1). Pro osvětlení žárovkami lze udat potřebný příkon svítidla ve wattech na jeden metr čtverečný osvětlovaného prostoru: obytná místnost se světlým interiérem obytná místnost s tmavým interiérem ložnice kuchyně sklep, garáž 20 – 30 W.m–2 40 – 50 W.m–2 30 – 40 W.m–2 50 W.m–2 10 W.m–2 Moderní žárovky První průmyslově vyráběné a všeobecně používané žárovky vyvinul v roce 1879 T. A. Edison. Zuhelnatělé bambusové vlákno umístěné ve vakuu svítilo průměrně 600 hodin. V roce 1900 Karl Auer sestrojil žárovku s osmiovým vláknem, od r. 1906 je již používáno wolframové vlákno. Při vysoké teplotě se wolfram z povrchu vlákna odpařuje a kondenzuje na skle žárovky. Část světla je pohlcena, žárovka svítí méně a vlákno žárovky se postupně naruší, až dojde k jeho přerušení. Odpařování wolframu bylo omezeno Langmuirem v r. 1913 – žárovku naplnil neutrálním plynem. Větší ochlazování vlákna vykompenzoval Langmuir stočením drátku do spirály. Životnost žárovky dosahuje již 1000 hodin a také vzrostl měrný výkon. Dvojitá spirála (1934) a krypton v žárovce (plyn s velkou molekulovou hmotností) ukončily rozvoj žárovek. Další stupeň znamenal až objev halogenového cyklu (Zubler, Mosby, 1959). Přehled vývoje žárovky Typ Uhlíková, vakuová Osmiová, vakuová Tantalová Rok 1879 1900 Měrný výkon lm.W–1 2 131 Životnost hod. 600 Wolframová, vakuová, přímé vlákno Wolframová, s plynem, spirální vlákno Wolframová, s plynem, dvojitá spirála Halogenová Halogenová pro fotografické práce 1906 6–8 1 000 1913 9 1 000 1934 1959 12 – 14 20 1 000 2 000 1962 35 5 – 15 Halogenový cyklus Ze všech kovů se na vlákna žárovek hodí nejlépe wolfram: jeho teplota tání je 3 380 °C (3 653 K). Ostatní kovy tají při nižší teplotě. Wolframová vlákna lze žhavit až na teploty 3 000 – 3 400 K. Při této teplotě se ale z povrchu kovu uvolňují jednotlivé atomy, což má hned dva nežádoucí důsledky. Postupně se zmenšuje průměr vlákna a někde se vlákno přeruší. Uvolněné atomy kondenzují na stěnách baňky a žárovka černá. Světlo je pohlceno kovovým povlakem uvnitř žárovky. Oba nežádoucí jevy omezuje halogenová příměs - jód, brom nebo fluor. Atomy wolframu se v blízkosti vlákna slučují např. s jódem na jodid wolframu, ten zůstává v plynné formě v baňce. Po vypnutí žárovky jodid wolframu kondenzuje na rychle se ochlazujícím vlákně a při dalším rozsvícení se jodid rozkládá. Wolfram se tak vrací na povrch vlákna a jód je k dispozici pro další slučování (cyklus zapnutí – vypnutí). Jedno nebezpečí tady je. Jodid wolframu a bromid se usazuje na chladnějších místech vlákna, což jsou body úchytu a přívody proudu a přežhavená místa tak přicházejí postupně o materiál, až se přeruší. Výhodnější je fluor, který vytváří poměrně odolnou sloučeninu fluorid wolframu, k jehož tepelnému štěpení dojde až při teplotě 3 000 K - tedy na velmi žhavých místech vlákna. Výroba wolframového vlákna je náročná a zajímavá. Používá se práškové technologie. Redukcí získaný wolframový prášek se lisuje při tlaku 7,5.105 Pa do tyčí o rozměru 10×10×400 mm. Pevnost tyče se zvětší dvojím spékáním ve vodíkové elektrické peci, poprvé při teplotě 950 °C až 1 000 °C a podruhé při teplotě 1 250 °C až 1 300 °C. Slinování wolframu, kdy tyč získá vlastnosti kompaktního kovu, je dosaženo průchodem elektrického proudu. Slinování – sintrace probíhá ve vodíkové atmosféře a tyč se přitom zahřeje na 3 100 °C. Kováním se slinovaná tyč přetvoří na kruhový průřez průměru asi 3 mm o délce 4 m. Následuje několikanásobné tažení tyče přes diamantové průvlaky na požadovaný průměr (minimum je 0,01 mm). Neprůvěsivost wolframového drátu je 132 požadována pro svinutí do šroubovice (tj. spirály). Proto se již v průběhu redukce wolframového prášku přidávají ke kysličníku wolframu příměsi – SiO2, Al, K2O. Tyto látky podporují vytváření dlouhých a vzájemně srostlých krystalů wolframu přibližně rovnoběžných s osou drátku po jeho tažení a rekrystalizaci. Rekrystalizace svinutého vlákna se uskutečňuje ve vakuu nebo vodíkové atmosféře při teplotě 2 200 °C až 2 400 °C. První operací při vinutí spirály je navíjení drátku na molybdenové jádro rychlostí až 30 000 ot/min. Po prvním návinu je materiál žíhán ve vodíkové atmosféře při 1 250 °C. Uvolní se pnutí a návin se také zbaví nečistot. Pokud má být vinutí bispirální (např. pro projekční žárovky), následuje sekundární navíjení na trnu o větším průměru při menší navíjecí rychlosti. Po dalším tepelném zpracování ve vodíkové atmosféře při teplotě 1 450 °C až 1 600 °C se hotový návin střihá na montážní délky a molybdenové jádro se chemicky odleptá ve směsi kyseliny dusičné a sírové. Obr. Halogenové žárovky: lineární 650 W (vlevo), jednopaticová 100 W (vpravo) Rozlišujeme dvě základní konstrukce halogenové žárovky: a) Dvoupaticová, tzv. lineární žárovka má baňku ve tvaru válce a v ose je na podpěrkách umístěno vlákno. b) Jednopaticová má oba konce vlákna vyvedeny na jedné straně baňky. Spirála nepotřebuje podpěrky. 133 Wolframové vlákno svítí při teplotě od 2 400 °C do 3 350 °C, baňka je plněna kryptonem a sklo baňky musí bezpečně snášet teploty kolem 1 000 °C. Používá se bod měknutí pracovní teplota křemen SiO2 1 600 °C 1 000 °C Vycor-Corning 1 530 °C 900 °C Oba typy mají velmi malý koeficient teplotní roztažnosti 5,5.10–7 K–1, resp. 8.10–7 K–1 a pro kovové kontakty musely být sestaveny speciální skleněné pájky, umožňující hermetické spojení více se roztahujícího kovu a skla. Nejčastěji se s halogenovou žárovkou setkáme v automobilu: žárovka H1 jednopaticová s axiálně položeným vláknem, H2 jednopaticová s příčně položeným vláknem, H4 dvouvláknová pro hlavní světlomet. Mají tyto parametry: H1 H3 H4 příkon (W) 55 55 60/55 napětí (V) 12 12 12 světelný tok (lm) 1 650 1 450 1 600/1 000 životnost (hod.) 150 150 200/100 Klasická žárovka dálkového světla umožnila vidět pruh 8 m široký do vzdálenosti 165 m. H4 halogenová osvětlí pruh o šířce 13,5 m do vzdálenosti 200 m. Pro osvětlení interiéru jsou halogenové žárovky vhodné tam, kde potřebujeme lepší podání barev, než dosáhneme obyčejnou žárovkou nebo zářivkou. Z příkonu halogenové žárovky se mění na viditelné světlo asi 7,7 %, což je o 50 % více, než u žárovky, ale podstatně méně, než dovedou zářivky a výbojky. Úkol: Zjistěte příkon žárovek, které používáte v domácnosti a vypočtěte jejich světelný tok. Úkol: Prohlédněte si pečlivě baňku a vlákno dlouho používané žárovky a porovnejte se žárovkou novou stejného typu. Co jste zjistili? Úkol: Přečtěte si pokyny k zacházení s halogenovou žárovkou. Co se stane, jestliže je nedodržíme? Úloha: Halogenová žárovka je naplněna směsí argonu a halogenu. Při teplotě 300 K je tlak v baňce p0 = 8.104 Pa. Jaký je tlak při provozní teplotě (uvažujte teplotu baňky)? 134 Úloha: Jaký proud prochází žárovkou H4 v okamžiku, kdy je ještě vlákno chladné a jaký po rozsvícení? Za jak dlouho 2 tyto žárovky vybijí akumulátor s kapacitou 55 Ah? Zářivky Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, u nichž se ultrafialová složka záření rtuťových par mění ve vrstvě luminoforu na viditelné světlo. Nejčastěji se setkáme se zářivkami ve formě dlouhé skleněné trubice se žhavenými elektrodami. Vnitřní stěna trubice je pokryta bělavou vrstvou luminoforu, prostor je naplněn argonem s tlakem asi 4.102 Pa. Parciální tlak rtuťových par je asi 0,6 Pa. Obr. Zářivka Elektrody jsou pokryty emisní vrstvou oxidu Ba, Sr a Ca, které při teplotě asi 700 °C dobře emitují elektrony. Směs argonu a par rtuti vykazuje tzv. Penningův jev – výboj se v této směsi udrží při nižším napětí, než v obou samostatných složkách. Tak například pro funkci zářivky dlouhé 120 cm je třeba napětí jen asi 160 V. Výboj ve rtuťových parách má následující energetickou bilanci: ultrafialové záření celkem viditelné záření infračervené záření ostatní ztráty 66,37 % 2,63 % 6,0 % 25,0 % V luminoforu se zachytí fotony UV záření a poté je část jejich energie vyzářena jako viditelné světlo a část ohřívá stěnu trubice nebo je vyzářena jako infračervené záření. Energetická bilance je přesto velmi příznivá. Pro běžnou zářivku platí tyto údaje: 135 příkon 40 W ⎯⎯→ světlo infračervené záření odvedené teplo 21,0 % 24,8 % 54,2 % Zapalování zářivek Výboj v plynu má klesající voltampérovou charakteristiku - čím větší proud protéká, tím je úbytek napětí na výboji menší. Proto musíme do série připojit předřadný odpor. V obvodech střídavého proudu je výhodná tlumivka. Zářivka potřebuje pro start (zapálení výboje) napětí vyšší, než při dalším ustáleném provozu. Proto musíme použít zapojení složitější, než prosté připojení na síť. Obr. Zapojení zářivky Podstatný pro funkci je startér - doutnavka o velikosti asi 2 cm, plněná argonem a neonem, vybavená elektrodami z bimetalu. Po připojení sítě se objeví výboj nejprve mezi elektrodami zapalovače. Svým teplem stačí ohřát bimetalové elektrody zapalovače a ty se vzájemně dotknou. Přes tlumivku a elektrody zářivky teď protéká proud asi 1 A, který rozžhaví elektrody uvnitř zářivky, kolem nich se objeví emitované elektrony a u konců zářivky se vytvoří počínající doutnavý výboj. Ve startéru elektrody vychladnou, zkrat zaniká a na tlumivce vznikne napěťový impuls, který rozšíří výboj na celou zářivku. Napětí ze sítě se teď dělí na úbytek na zářivce a na tlumivce. Zapalovací napětí startéru je ale vyšší, než provozní napětí zářivky, a proto startér znovu nezapálí. 136 V současných zářivkových svítidlech se používají elektronické předřadníky: Při startu prochází dostatečný proud přes elektrody zářivky a rezistor PTC. Ten se ale také zahřeje a při dosažení kritické teploty (např. 80 °C) jeho odpor prudce naroste. Indukčnost L1 a kapacita C1 se dostanou do rezonance a rezonanční napětí na C1 stačí k zapálení výboje. Pak rezonance zaniká a zářivka svítí bez kolísání jasu. Poměrně vysoká frekvence dává možnost použít relativně malé kapacity a tlumivky s malou indukčností. Technologický postup výroby zářivek Skleněné trubice projdou nejdříve mycím tunelem, kde jsou propláchnuty demineralizovanou vodou. Následuje sušení a nanášení luminiscenční vrstvy. Používá se řídký roztok nitrocelulózy nesoucí drobné částice luminoforu. Tato řídká suspenze se prolévá trubicemi a ulpívající část tvoří rovnoměrný povlak. Po usušení jdou trubice do další pece, kde se postupně nitrocelulóza vypálí a na stěně trubice zůstanou jen částice luminoforu. Následuje přitavení patek – konců trubice s elektrodami. Patky ještě mají plnící trubičky, jimiž se odčerpá z trubic vzduch a páry. Následuje první nažhavení elektrod, při kterém se povlak uhličitanů Ba, Sr a Ca změní na oxidy, které dobře emitují elektrony. Pak se do trubice plní přesné množství argonu a rtuti a skleněné plnící trubičky se plamenem zataví a uzavřou. Hotové zářivky se poprvé rozsvítí ve vysokofrekvenčním elektrickém poli a vadné kusy automat vytřídí. Dobrou funkci zářivky zajišťují dostatečně horké a elektrony emitující elektrody. Na to již nestačí Jouleovo teplo, vznikající průchodem proudu kovem – zářivka má provozní proud jen 0,15 A až 0,67 A. Teplotu elektrod udržují 137 kladné a záporné ionty plynu, dopadající na povrch elektrod. Zářivku není dobré často zhasínat a rozsvěcet, protože při startu se více opotřebovává emisní vrstva elektrod. Parametry zářivek: příkon průměr délka napětí výboje proud komp.kapacita světelný tok 15 26 460 56 330 4,5 600 30 26 920 96 360 4,5 1 800 40 38 1 200 103 430 4,5 2 600 65 38 1 500 110 670 7,0 3 820 W mm mm V mA uF lm Životnost zářivek je podstatně lepší, než životnost žárovek. Při četnosti spínání 8krát za 24 hodin vydrží 8 000 až 12 000 hodin a světelný tok poklesne asi na 85 %. S elektronickým předřadníkem se životnost zvýší až na 20 000 hodin. Volbou luminoforu a náplně je možné vyrobit zářivky, jejichž světlo se dá využít i k jiným účelům: – zářivky germicidní pro ničení mikroorganismů, bakterií, plísní a kvasinek, erytemální pro použití v soláriích, – "černé zářivky", tj. UV zářivky pro buzení fluorescence a luminiscence (ty znají dobře návštěvníci diskoték a v bankách se používají pro kontrolu bankovek). Obr. Úsporná zářivka Moderní úsporné zářivky nepotřebují tlumivku ani startér. Výbojová trubice má délku 2 až 6 dm a je tvarována tak, že vnější rozměry odpovídají rozměrům klasické žárovky. Závit patice je stejný jako u žárovky. Potřebné zapalovací napětí a provozní podmínky zajistí elektronický předřadník, umístěný do rozšířené části patice zářivky . 138 Vysokotlaké rtuťové výbojky Vysokotlaké rtuťové výbojky známe z pouličního osvětlení, z továrních hal a velkých prostor s umělým osvětlením. Název "vysokotlaké" je namístě: světlo vzniká v křemenném hořáku, kde páry rtuti mají tlak 2 Pa až 9.105 Pa. Celý křemenný hořák (trubička o délce 5 cm až 10 cm a průměru 15 mm až 20 mm) je umístěn v rozměrné hruškovité baňce, která je čirá nebo pokryta luminoforem. Obr. Vysokotlaká výbojka Výbojka se připojuje na síť přes předřadnou tlumivku a výboj začíná hořet jako doutnavý mezi pomocnou a hlavní elektrodou. Po odpaření rtuti přejde výboj mezi hlavní elektrody a stane se výbojem obloukovým. Průměrná teplota v oblouku je 5 500 K(!) a teplota povrchu hořáku 1 000 K. Pro usnadnění zápalu se hořák plní argonem. Hořák musí mít potřebnou teplotu a proto je obtížné vyrobit výbojky s příkonem nižším než 250 W. Energetická bilance vysokotlaké Hg – výbojky s příkonem 250 W: příkon 400 W ⎯⎯→ ztráty na elektrodách nezářivé ztráty ve výboji UV záření infračervené záření viditelné záření 30 W 178 W 73 W 60 W 59 W S pomocí luminoforu se daří převést velkou část UV záření do viditelné oblasti a světelná účinnost výbojky se pohybuje okolo 25 %. 139 Konstrukce Křemenný hořák má dvě hlavní elektrody a jednu pomocnou. Proud je veden přes průchodky z molybdenové folie. Tady činí problémy nepatrná tepelná roztažnost křemene. Hořák je podepřen nosníky a celek je umístěn do baňky z tvrdého borosilikátového skla. Vnitřek hořáku je plněn argonem na tlak 20 hPa až 35 hPa. Při provozu tlak vzroste až na 9.105 Pa. Jedině tavený čirý křemen odolává v těchto podmínkách a navíc propouští až 98 % ultrafialového záření. Hlavní elektrody jsou z wolframu a jsou opět pokryty emisní vrstvou oxidů Ba, Sr a Ca, a to u základny kužele. Na špici je pouze wolframový povrch. Při zapálení jsou elektrony emitovány zmíněnými oxidy, pak se výboj přesouvá na hroty elektrod a emisi zajišťuje wolfram. Vnější baňka je plněna směsí N2 15 % + Ar 85 % při tlaku 4,5 až 5,2.104 Pa. Je z borosilikátového skla a nepropouští UV záření. Vnitřek je obvykle pokryt luminoforem a prostor baňky je vyčerpán. Parametry výbojek příkon síťové napětí zápalné napětí napětí na výbojce proud komp.kapacita světelný tok s luminoforem B s luminoforem G s luminoforem X 125 230 180 125 1,15 10 250 230 180 130 2,15 16 400 230 180 135 3,25 20 1 000 230 180 140 7,5 30 W V V V A μF 5 400 5 400 5 700 12 000 11 500 12 500 22 000 20 500 22 500 52 000 52 000 54 000 lm lm lm Všimněte si vlivu luminoforů: typ B je tzv. ortofosfát, dává modravě bílé světlo s barevnou teplotou 5 100 K, typ G je fluorogermanát, dává světlo s větším podílem zelené složky a s barevnou teplotou 4 700 K a typ X je yttriumvanadát, svítí teple s červenou složkou a s barevnou teplotou 3 150 K. Vnější baňka z kobaltového skla naopak pohltí viditelné světlo a propustí většinu UV záření. Takové výbojky znáte z diskoték jako zdroje "černého světla". Ultrafialové záření má ovšem i účelné využití – fotoanalýza, luminiscenční analýza, ionizace plynů, sterilizace nástrojů, fotooxidace, izomerizace, polymerizace aj. 140 Obr. Obvyklé zapojení výbojky Halogenidová výbojka Pro výkonné filmové projektory, světlomety, zpětné projektory a datové projektory je potřeba zdroj s velkým světelným tokem, velkým jasem a malými rozměry. Tyto podmínky splňují halogenidové výbojky. Jsou to vysokotlaké rtuťové výbojky, kde podíl UV záření je potlačen a nahrazen viditelnou složkou, která vzniká přímo ve výboji. To umožňují příměsi sloučenin halových prvků. Používají se příměsi jodidů ceru Ce, samaria Sm, cesia Cs, sodíku Na, skandia Sc, thalia Tl, dysprosia Dy, india In. Výsledkem je rozložení energie na vlnové délky, které lépe modeluje vlastnosti bílého slunečního světla. Obr. Halogenidová výbojka a její spektrum – příměsi DyJ3, InJ, TlJ 141 V těchto výbojkách již není pomocná elektroda. Zapálení je zajištěno impulzem vysokého napětí, který získáme podobně jako u zářivky elektronickým předřadníkem. Soustředění oblouku do malého takřka kulového objemu způsobí vhodně tvarované elektrody. Firma Philips má v nabídce např.: Typ CDM-TD/942, příkon 150 W, barevná teplota 4 200 K, světelný tok 12 000 lm. Sodíkové vysokotlaké výbojky Nažloutlé světlo sodíkových výbojek osvětluje velké plochy křižovatek a řadu ulic ve městech. Zdrojem jsou vysokotlaké sodíkové výbojky, podobné výbojkám rtuťovým. Obr. Spektrum sodíkového výboje při tlaku 3,2.104 Pa Výboj ale hoří v parách sodíku při tlaku asi 2.104 Pa a teplota stěny hořáku dosahuje 1500 K. Doutnavý výboj v nízkotlakých sodíkových výbojkách především vytváří fotony dvou vlnových délek 589,0 nm a 589,6 nm. Vysokotlaký výboj poskytuje celý pás vlnových délek a rezonanční vlnové délky jsou naopak dosti potlačeny. Měrný světelný výkon je až 100 lm.W–1. Při tlaku 2,66.104 Pa není pokles relativní intenzity tak hluboký a měrný světelný výkon je až 120 lm.W–1. 142 Konstrukce a technologie vysokotlaké sodíkové výbojky Hořák již není z křemene, protože ani ten neodolává vysoké teplotě a agresivním sodíkovým parám. Hořák výbojky je trubice z polykrystalického korundu – čistého Al2O3. Průměr hořáku je 8 mm, délka 8 cm, vnitřní průměr 6 mm. Elektrody jsou opět wolframové a kromě sodíku je v trubici argon, za pokojové teploty o tlaku 2,66.103 Pa. V hořáku je také rtuť – její přítomnost zvýší úbytek napětí na výboji a sníží proud. Za studena rtuť vytváří se sodíkem amalgam. Výbojku je nutno zapálit impulsy vysokého napětí, které vyrábí např. tyristorový zapalovač. Obr. Zapojení tyristorového impulsního zapalovače Po připojení sítě se přes odpor R2, diodu D2 a primár impulzního transformátoru nabíjí kondenzátor C4. Současně se z děliče R1R3 přes odpor R4 a diodu D1 nabíjí kondenzátor C3. Po dosažení potřebného napětí sepne diak Di, otevře tyristor Ty , kondenzátor C4 se vybíjí a díky indukovanému napětí přebíjí na opačnou polaritu. Dioda D3 umožní zákmity v obvodu C4 a primárního vinutí transformátoru. Při každém vybití C4 se na sekundárním vinutí transformátoru indukuje napětí, které se přičítá k napětí sítě. Impulsy mají špičku až 5 kV. Po zapálení výbojky je na tlumivce tak velký úbytek napětí, že v zapalovači není na diaku napětí, postačující k jeho sepnutí. Zapalovač dále nepracuje. Vadnou výbojkou teče menší proud, na tlumivce není dostatečný úbytek napětí a to udržuje zapalovač stále v chodu; následuje jeho trvalé poškození. (Kondenzátor C1 je kompenzační a kondenzátor C2 brání průniku vf rušení do sítě.) 143 Energetická bilance vysokotlaké sodíkové výbojky Příkon 400 W ⎯⎯→ nezářivé ztráty UV záření infračervené záření viditelné světlo 200 W 2W 80 W 118 W Parametry sodíkových výbojek příkon síťové napětí napětí na výbojce proud světelný tok 250 230 100 3,5 20 000 400 230 105 4,4 40 000 1 000 400 250 4,7 130 000 W V V A lm Xenonové výbojky pro reflektory aut Žárovky světlometů jsou u drahých vozů nahrazeny xenonovými výbojkami. Zdrojem světla je obloukový výboj v xenonu. Výbojky mají patice shodné s běžnými žárovkami H4 nebo H7. Barva světla těchto výbojek je 8 000 K – modré světlo. (Denní světlo je 6 000 K, žárovky mají 3 150 K).Výbojky nevyzařují tolik tepla jako běžné halogenové žárovky, protože jejich příkon je pouze 35 W. Jejich svítivost i životnost je však vyšší. Pro provoz výbojek je nutný předřadník, kterým se transformuje napájecí napětí pro výbojky na 85 V, a dále zapalovač, který vyvine krátkodobě napětí 23 000 V, potřebné pro zapálení výbojky. Obr. Xenonová výbojka 144 Parametry xenonové výbojky typ D1S (OSRAM) příkon světelný tok měrný světelný tok barevná teplota střední jas střední doba života délka oblouku tlak plynu 35 3 200 91 4 250 6 500 1 500 4,2 3 W lm lm.W–1 K cd.cm–2 h mm MPa Xenonové výbojky jsou špičkou současné osvětlovací techniky. Jsou ovšem drahé : cena jedné výbojky je asi 5 000 Kč. (Žárovka H4 je za 100 Kč.) Další vývoj světelných zdrojů naznačuje mikrovlnná plazmová výbojka s parami síry. Je zatím málo rozšířena pro vysokou cenu. Zdrojem světla je tady pomalu se otáčející křemenná baňka velikosti pingpongového míčku se stopkou. Je plněna argonem a malým množstvím síry a umístěna v ohnisku mikrovlnného zdroje. Vyzařuje spojité spektrum s barevnou teplotou 6 000 K a barevné podání je blízké dennímu světlu. Světelný tok je možno regulovat v intervalu 20 až 100 % a životnost se blíží 45 000 hodinám. Na snímku je produkt firmy Philips. Mikrovlnná výbojka byla prvně vyrobena ve firmě Fusion of Lighting, Rockville, Marylend, USA a jejím autorem je Michael Ury (1999). 145 Parametry v tabulce ukazují vynikající vlastnosti tohoto světelného zdroje: Výrobce: Technical University of Eindhoven / Philips Příkon výbojky: 1 000 W Příkon celkový: 1 375 W Frekvence: 250 kHz Nosná tyčka: křemen, průměr 4 mm Výbojka: křemen , průměr 36 mm Celková délka: 150 mm Plynová náplň: síra – 26 mg (5 bar) argon – 0,1 bar Světelný tok: 130 000 lm @ 100 hodin Světelná účinnost: 130 lm/W @ 100 hodin 95 lm/W Barevná teplota & CRI: 6 000 K CRI: Ra 79 Pracovní poloha: vodorovná, otáčení kolem osy tyče Doba života: 60 000 h (výbojka) 20 000 h (magnetron) Datum výroby: 1999 Je ovšem zřejmé, že tato výbojka je v hodná pro majáky, osvětlení náměstí a těžko ji budeme mít v obývacím pokoji. Úkol: Pozorujte spektrum zářivky, rtuťové a sodíkové výbojky a porovnejte se spektrem žárovky. Spektrum můžete pozorovat tak, že sledujete odraz světla na kompaktním disku (CD). Úkol: Nakreslete na bílý papír plošky vybarvené červeně, žlutě, zeleně, modře, fialově a pozorujte je v denním a umělém světle.Pro vybarvení ploch použijte zjasňující barvy a pozorování opakujte. Úkol: Pozorujte ve světle UV výbojky bankovky, vzorky textilií, vzorky pracích prášků Úkol: Zapněte tranzistorové rádio, nalaďte dlouhovlnnou stanici Český rozhlas 1 a postavte blízko k lampě s úspornou zářivkou. Pak zapněte světlo. Úloha: Vypočtěte náklady na osvětlení úspornou zářivkou a porovnejte se žárovkou. Příkon 23W, světelný tok týž jako žárovka 100W, životnost 8 000 hod. Pořizovací cena zářivky 100 Kč. Pořizovací cena žárovky 10 Kč, životnost 1 000 hod. Cena elektrické energie 3,4 Kč/kWh. Literatura Miškařík, S.:Moderní zdroje světla SNTL 1979. Horák, Z., Krupka, F.: Fyzika SNTL Praha 1981. OSVĚTLENÍ Východočeská energetika, a.s. Hradec Králové. SAZBY Východočeská energetika, a.s. Hradec Králové. Byly použity internetové zdroje. 146 Číslicové měřicí přístroje Analogový měřící přístroj s ručkou a stupnicí má nejčastěji magnetoelektrický měřicí systém. Mezi póly permanentního magnetu je umístěna cívka a její polohu určuje dvojice spirálních pružin. Jestliže cívkou teče proud, působí na cívku otáčivý moment úměrný proudu a cívka se ustálí v nové poloze. Pro vhodně upravené mg pole platí Dα = BNSI (D – direkční moment spirál, α – úhel otočení, B – indukce magnetického pole, N – počet závitů cívky, S – plocha cívky, I – proud). Obr. Princip magnetoelektrického měřidla Výchylka ručky je úměrná protékajícímu proudu. Cívka měřidla má také odpor R a výchylka je také úměrná napětí U. Stejný princip lze použít pro měření proudu i napětí. V číslicových měřících přístrojích nepřevádíme měřenou elektrickou veličinu na moment sil a úhlovou výchylku. Přístroje mají několik základních obvodů, jejichž podrobné zapojení sice nemusíme znát, ale funkce je pochopitelná. Číslicové obvody počítající impulsy se nazývají čítače a jak uvidíme, jsou i základem některých číslicových voltmetrů, ampérmetrů atd. Základní bloky a funkce čítače Elektrický signál ze snímače (fotobuňky, magnetického spínače, mikrofonu, piezosnímače) může mít dosti libovolný průběh. Pro čítač je třeba jej upravit tvarovacím obvodem. Při dosažení určité úrovně vstupního signálu tvarovací obvod poskytne impuls s konstantní amplitudou a dobou trvání-šířkou impulsu. 147 Impuls přitom vznikne jen při narůstání vstupního napětí, nebo jen při klesání vstupního napětí. Obr. Tvarování Dalším obvodem je hradlo. Jeho funkcí je propouštět impulsy ze vstupu na výstup anebo cestu impulsům zahradit. Hradlo je řízeno povely START a STOP, které mohou být vkládány ručně tlačítky nebo přivedeny z řídícího členu. Obr. Hradlo Dekadické děličky a zobrazovací jednotka dostávají impulsy z výstupu hradla a výsledkem jsou dekadické číselné hodnoty na displeji. Jednotlivé číslice nesvítí obvykle současně: jsou postupně zapínány na krátký okamžik a teprve setrvačnost oka zajistí výsledný vjem čísla. 148 Obr. Dekadický výstup Nazvěme celou tuto část dekadickým výstupem (DV). Uvedené bloky jsou univerzální a teprve jejich doplněním o zdroj povelů pro řídící člen dostaneme přístroj, měřící vybranou veličinu. Čítač impulsů může pracovat v této sestavě: Obr. Čítač Tvarovací obvod upraví vstupní signál na úzké impulsy s konstantní šířkou, ručně otevřeme hradlo a na výstupu se zobrazuje počet impulsů. Ukončit načítání lze ručně, nebo řídícím impulsem, který vznikne při naplnění displeje samými devítkami. To je stav, kdy displej "přeteče". 149 Měřič frekvence je čítač doplněný o zdroj impulsů, omezujících časový interval měření na 1s, 0,1 s, 0,01 s atd. Tyto impulsy jsou odvozeny z harmonických kmitů přesného, krystalem řízeného oscilátoru.Je-li hradlo otevřeno 1 s, je počet impulsů na displeji roven frekvenci v Hz. Je-li hradlo otevřeno 0,001 s, je údaj displeje roven frekvenci v kHz. Obr. Měření frekvence Na výstupu prvního děliče jsou impulsy s intervalem 1µs, na dalším výstupu 1 ms a na posledním 1 s. V zakreslené poloze 3 je na displeji frekvence v MHz. Řídící člen vždy prvním impulsem z děliče hradlo otevře, druhým zavře. Měření se opakuje po vynulování čítače a novém startu, tyto řídící impulsy nejsou ve schématu zakresleny. Měření se obvykle opakuje 2krát až 3krát za sekundu. Číslicové voltmetry a ampérmetry Tak jako u analogových měřidel i tady byly postupně objevovány a použity různé principy. Dnes pracuje většina měřidel na principu dvojí integrace – dvojího načítání. K předchozím základním blokům připojme ještě dva: operační zesilovač jako integrátor a komparátor. Operační zesilovač je zesilovačem s velkým zesílením a velmi vysokým vstupním odporem. Díky tomu ze zdroje signálu nebere takřka žádný proud. Má dvě vstupní svorky: značkou (–) označujeme svorku invertující. To znamená, že kladnému vstupnímu napětí odpovídá záporné výstupní napětí a naopak. 150 Zesilovač tady mění polaritu signálu. Druhá vstupní svorka – neinvertující – je označena (+) a ta polaritu neobrací. Integrátor v měřidlech je zapojen takto: Obr. Integrátor Je-li U1 konstantní, roste napětí na výstupu rovnoměrně s časem: U2 = −U 1 t RC Znaménko (–) je dáno invertujícím vstupem. Komparátor je podle názvu obvodem, který porovnává. V tomto případě porovnává dvě napětí přiváděná na jeho dva vstupy a na výstupu má a) nulové napětí, jsou-li vstupní napětí různá, b) kladný impuls, jsou-li vstupní napětí stejná. Digitální voltmetr s dvojí integrací obsahuje bloky: elektronický přepínač integrátor zdroj referenčního napětí řídící člen generátor impulsů hradlo čítač dekadický výstup Funkci digitálního voltmetru objasní následující schéma na následujícím obrázku. Po zapnutí se nejdříve vynulují čítač a výstup, kondenzátor C se vybije. Dále se připojí na vstup měřené napětí Ux. První integrace probíhá po dobu, odpovídající pevnému počtu impulsů, většinou to bývá 2 000 kroků. Za tuto dobu se na výstupu integrátoru změní napětí z nuly na 151 Ui = −U x T. RC Na displeji v této době zůstává 0. Pak řídící člen přepne vstup na zdroj normálového napětí Un a integrace pokračuje. Na displeji se nyní zobrazuje počet impulsů. Normálové napětí má opačné znaménko a proto se výstupní napětí Ui vrací k nule. Jakmile jí dosáhne, komparátor pošle impuls na řídící člen, ten zastaví načítání a na displeji zůstane počet impulsů, odpovídající době Tx. Platí Ui = −U x −U n T+ Tx = 0 RC RC a z toho U x = Un Tx . T Obr. Voltmetr Časy T a Tx jsou úměrné počtu impulsů N a Nx. Zvolíme-li normálové napětí 200 mV a počet impulsů při první integraci N = 2 000, odpovídá každému impulsu v době Tx změna napětí o 0,1 mV. Na displeji zobrazený počet impulsů v době Tx je roven měřenému napětí v desetinách mV. Umístěním desetinné tečky zobrazíme napětí Ux v milivoltech s přesností na 0,1 mV. Platí 152 U x = Un Nx . N Všimněte si, že zde nezáleží na přesné hodnotě kapacity C a přesné hodnotě odporu R v integrátoru. Požadavek na vstupní odpor voltmetru známe: dobrý voltmetr má mít co největší vstupní odpor. Zde je na vstupu operační zesilovač, jehož vstupní odpor je 10 MΩ i více. Zato jsme omezeni největší hodnotou měřeného napětí: v uvažovaném případě je to 200 mV. Většina číslicových voltmetrů používá na vstupu přesný odporový dělič, jehož celkový odpor je 10 MΩ. Na snímku je typický odporový dělič, vyrobený napařovací metodou na korundové podložce. Obr. Odporový dělič Odbočky dávají desetinu, setinu a tisícinu vstupního napětí a tato část je teprve měřena. Vstupní odpor voltmetru je na všech rozsazích stejný – 10 MΩ. Číslicový ampérmetr vznikne jednoduchou úpravou na vstupu: měřený proud protéká přesným rezistorem RN a vlastní voltmetr měří na něm vznikající úbytek napětí. Ten bude mezi nulou a 200 mV a z toho můžeme odvodit vnitřní odpor ampérmetru na všech rozsazích. Úloha: Vypočtěte odpor ampérmetru na rozsazích 200 mA, 2 A a 10 A. Číslicový ohmmetr používá kromě předchozích bloků ještě zdroj normálového měřícího proudu IN. V první části měření protéká měřící proud IN přes neznámý rezistor s odporem Rx a ve druhé části přes normálový odpor RN volený tak, aby platilo UN = RNIN. 153 Platí U x = Rx I N = RN I N N N x a z toho Rx = RN x . N N Ohmmetr je schopen měřit odpory od jednotek do 20 MΩ. Úkol: Zapojte do série zdroj 6 V, rezistor R1= 1 kΩ a R2 = 100 Ω. Změřte a) svorkové napětí, úbytek napětí U1 a U2 a proud I číslicovým měřidlem, b) totéž ručkovým měřidlem. Porovnejte výsledky. Přesnost digitálních měřidel určených pro běžná měření je dána především přesností normálového napětí. To bývá zaručeno na 1 %. Dále je důležitý komparátor, jehož impuls ukončí načítání displeje. Komparátor nepracuje s absolutní přesností a proto poslední číslice na displeji má chybu ± 1. Ukáže-li voltmetr U = 100,1 V, je tedy chyba ± 1,1 V. Naměříme-li napětí U = 0,3 V, je chyba + 0,1 V a měření je velmi nepřesné. V tomto případě je nutné měřit na rozsahu řádu 400 mV. Řada digitálních měřidel dovede nastavit rozsah automaticky tak, aby bylo dosaženo nejvyšší možné přesnosti. V návodech k digitálním měřidlům najdeme obvykle pokyny pro výpočet chyby měření ve tvaru Δ = 2 % rdg + 1digit a znamená to chybu 2 % zobrazené hodnoty plus jednotku na poslední pozici zobrazené na displeji. Další funkce digitálních měřidel Měření kapacity Na rozdíl od klasických měřidel kapacity, které pracovaly s můstkovým zapojením, využívá digitální měřidlo některý z následujících principů: 1. operační zesilovač jako derivační člen, 2. monostabilní obvod. Měření kapacity derivačním členem Derivační člen je velmi podobný integračnímu, jen na vstupu je kapacita a ve zpětné vazbě odpor. Obr. Derivační člen 154 dU1 . dt V měřidle je přesný generátor harmonického napětí U1 a kapacitou C je neznámý kondenzátor CX. Naměřené U2 je přímo úměrné kapacitě CX. Přesnost měření je závislá na přesnosti a stabilitě parametrů oscilátoru. Modernější měřidla (např. METEX 38XX) používají monostabilní obvod. Na jeho vstup je přiveden krátký impuls a obvod se překlopí, na výstupu je napětí U2 a obvod setrvá v tomto stavu po dobu, kterou určuje součin RNCX. Pro výstupní napětí platí U 2 = − RC Obr. Měření kapacity Zmíněné impulsy se vytvářejí na 1. polovině IO, druhá polovina je monostabilním obvodem, přepínání rozsahů je možné změnou RN. Digitální měřidlo měří dobu trvání výstupního impulsu a času přiřadí kapacitu. Takto zapojený měřič kapacit pracuje od 1 pF až do 20 µF i více. Přesnost měření je závislá na konstantních parametrech integrovaného obvodu a odporu RN, což je splněno velmi dobře. Úkol: Svorky digitálního měřidla pro připojení Cx připojte na střídavý vstup osciloskopu nebo na piezoelektrický měnič. Rozhodněte, jaký je princip měření kapacity! Je-li použit monostabilní obvod, uslyšíte pravidelné impulzy. Na obrázku je digitální multimetr, který právě měří kapacitu piezoelektrického měniče. 155 Obr. Měření kapacity Úkol: Změřte kapacitu keramického kondenzátoru při teplotě laboratoře. Pak vychlaďte kondenzátor ledničce na + 5 °C a opakujte měření. V olejové lázni zahřejte kondenzátor na 90 °C a opakujte měření. Porovnejte výsledky. Úkol: Na svorky multimetru připojte kondenzátor s kapacitou 0,1 μF a na osciloskopu sledujte průběh měření. Závislost napětí na čase zakreslete. Změňte kapacitu a srovnejte s předchozím pozorováním. Multimetr s měřením kapacity monostabilním obvodem dá tento výsledek: Opakování pulzů má frekvenci asi 1 Hz a šířka pulzu se zvětšuje s kapacitou. Obr. Měření kapacity monostabilním obvodem 156 Měření indukčnosti Některé digitální měřící přístroje jsou vybaveny i měřením indukčnosti. V měřidle je v tomto případě zabudován oscilátor s pevnými hodnotami kapacity a indukčnosti (L1 , C1) a je využita možnost měřit frekvenci kmitů. Měřená cívka s indukčností Lx se připojí do série s L1 a frekvence kmitů klesne. Další metoda převádí měření indukčnosti na měření periody tlumeného kmitu, který vznikne v obvodu složeném z měřené indukčnosti Lx , kapacity CN a ztrátového odporu Rz , který zastupuje všechny ztráty v obvodu. Přes vazební kondenzátor je na obvod přiveden velmi úzký (jehlový) impulz napětí asi 800krát za sekundu se zápornou polaritou a tvarovací obvod poskytne na vzestupné části prvního kmitu dva impulzy, jejichž časový odstup je roven periodě kmitů. Piezoměnič vydává tichý tón a frekvence se v tomto případě nemění. Obr. Ověření způsobu měření indukčnosti Úkol: připojte na vstup multimetru s měřením indukčnosti piezoelektrický měnič a nastavte měření indukčnosti. Opakujte experiment s měničem a cívkou ze soupravy rozkladného transformátoru. Úkol: Na svorky pro měření indukčnosti připojte tlumivku sestavenou ze soupravy rozkladného transformátoru a současně osciloskop. Na osciloskopu poznáte metodu měření: 157 Obr. Pozorování měření indukčnosti Měření kvality PN přechodů S touto funkcí se setkáme i u jednoduchých digitálních měřidel. Z vnitřního zdroje (9 voltové baterie) je do měřené diody veden stejnosměrný proud asi 1,1 mA a měřidlo zjišťuje úbytek napětí na diodě. Je-li naměřeno napětí mezi nulou a 2 000 mV, je toto napětí zobrazeno na displeji. Dioda germaniová má napětí asi 400 mV, dioda křemíková asi 500 mV. Svítící diody LED mají toto napětí mezi 1,5 až 3,3 V. Je-li napětí větší než 1 999 mV, signalizuje displej překročení rozsahu. To nastane určitě, je-li dioda připojena v nepropustném směru. Vadná dioda buď ukáže v obou směrech stejný úbytek napětí, pak je patrně proražená, nebo v obou směrech překročení rozsahu a dioda je přerušena. Měření diod LED může být neúspěšné. Úkol: Připojte k digitálnímu měřidlu další miliampérmetr a zjistěte velikost měřicího proudu pro PN přechody. Úkol: Měřte úbytek napětí na germaniové a křemíkové diodě. Pokuste se proměřit svítící diodu LED červenou, žlutou a zelenou. Zkuste měřit bíle svítící výkonovou LED. Měření frekvence Pro měření frekvence je využito jen části digitálního měřidla. Střídavý signál je tvarován na impulsy, hradlo otevře čítač na stanovenou dobu a displej ukáže počet pulsů za 1 sekundu nebo za kratší čas. Měření signálu, který není harmonický a obsahuje poruchové vyšší harmonické složky, není spolehlivé, protože tvarovací obvod vyhodnotí i poruchu jako další periodu navíc. Úkol: Zjistěte, při jaké amplitudě vstupního signálu je možné měřit jeho frekvenci? Použijte tónový generátor. 158 Doplněk Digitální měřicí přístroje používají také kompenzační AD převodník. Porovnává a kompenzuje vstupní napětí Ux napětím kompenzačním UK, jehož zdrojem je D/A převodník, řízený logickým obvodem LO (aproximační registr). Převod je ukončen, je-li splněna podmínka: Ux – UK je menší než hodnota napětí Ux odpovídající bitu LSB (nejméně významnému bitu). Činnost aproximačního registru je řízena komparátorem K, který rozhoduje o změně znaménka pro připočtení napěťové úrovně odpovídající dalšímu – nižšímu dvojkovému řádu v následném kroku (změna znaménka napětí UK). „Náplní práce“ jednoho kroku je tedy porovnání Ux s UK a generování příslušného „pokynu“ pro LO. Dobu a sekvenci těchto kroků určuje časovací obvod. Paralelní číslicový signál se tedy na výstupu aproximačního registru mění krok po kroku v průběhu celého převodu až do splnění výše uvedené podmínky. Pak převodník „ohlásí“ platnost výstupních dat na některém „pinu“. Výstup komparátoru K (signál Ds) pak v průběhu převodu poskytuje sériová data v rytmu hodinového signálu. Postup komparace je od MSB (nejvýznamnější bit) k LSB, jako první jde z komparátoru po lince sériových dat Ds nejvýznamnější bit. Obr. Kompenzační převodník 159 Výhodou je vyšší rychlost převodu ve srovnání s převodníkem s dvojí integrací. Na vstupu je pouze jeden komparátor, nikoliv 2N – 1 komparátorů, které byly nutné u rychlého komparačního převodníku. Kompenzační převodník se také označuje jako převodník s postupnou aproximací. Literatura: Janča, M.: Digitální multimetry Amatérské rádio řada A , č. 10/1994, 11/1994. Baník, I., Baník, R.: Fyzikálne základy elektroniky. Slovenská technická univerzita Bratislava 1999. ISBN 80-227-1268-X 160 Malé elektromotory Pro vyučování fyzice je elektromotor vděčným objektem: protéká jím proud, ale vypočítat jej z napětí a naměřeného odporu nelze. Motor má většinou vinutí rotoru a statoru, ale jedno či druhé může nahradit permanentní magnet. Ten vytváří stálé magnetické pole, ale řada motorů má otáčející se magnetické pole. Že takové pole donutí rotor k otáčení, je pochopitelné. Jsou také motory, kde pole pouze kmitá – mění polaritu. Jak tady dojde k otáčení rotoru? Některé motory lze točit proti i po směru hodinových ručiček. Jiné se točí vždy jedním směrem. A jsou motory, které "vědí" přesně, o kolik stupňů se otočit a kde zastavit a v nové poloze tvrdošíjně drží. Jsou motory, jejichž otáčky za minutu jsou velmi stálé, jiné motory se rozběhnou do vysokých otáček (10 000 min–1 a více), jakmile jim odlehčíme. Vzpomeňte na zubní vrtačku! Kde se žák setká s elektromotorem? Hračky : autodráha, vláčky, modely aut, lodí. Domácí spotřebiče: pračka, chladnička, mixér, vysavač, ventilátor. Dílenské stroje: vrtačka, okružní pila, bruska. Kancelář: elektrický psací stroj, počítač, tiskárna. Ponechme stranou elektromotory v dopravě a třeba ve výtahu panelových domů. Omezme se na malé motory, které lze dobře uvést do chodu i ve vyučovací hodině, lze na nich případně měřit otáčky, sledovat chování při zatížení, rozebrat je, pochopit funkci a poté zase složit. Jaká síla roztáčí elektromotor? Použijme dva stojánky – Holtzovy svorky, stejnosměrný zdroj do 5 A, asi metr dlouhý měděný vodič – splétaný z drátků, a konečně několik feritových magnetů, například z nástěnky. Pro regulaci proudu budeme potřebovat reostat. Zapojíme: Obr. Silové působení magnetického pole na vodič s proudem Jakmile poteče vodičem proud, vychýlí se. Síla F je úměrná proudu, délce vodiče v magnetickém poli a závisí na tom, jak je silné magnetické pole. Zkuste položit pod vodič více magnetů, nebo jiný, silnější magnet, nebo vodič pozvednout či přiblížit k magnetu. Výchylka bude jiná. 161 V nejjednodušším případě stačí pro výpočet velikosti síly F=BIl, kde B je indukce magnetického pole, I proud, l délka vodiče, ležícího v magnetickém poli kolmo k indukčním čarám. Úkol: Otočte magnetky tak, aby nahoře byl jižní pól. Síla F změní směr na opačný. Směr síly lze stanovit Flemingovým pravidlem: Položíme levou dlaň na vodič tak, aby indukční čáry vstupovaly do dlaně a prsty ukazovaly směr proudu. Směr síly ukáže odchýlený palec. (Indukční čáry vystupují ze severního pólu magnetu a vstupují do jižního.) Teoreticky by motorek mohl pracovat jen s jedním závitem, permanentním magnetem a zdrojem stejnosměrného proudu: Obr. Princip elektromotoru Závitem teče proud, přivedený přes uhlíky do lamel komutátoru. Pod severním pólem magnetu síla míří vlevo, u jižního pólu vpravo a závit se otáčí proti směru hodinových ručiček. Po přechodu uhlíků na druhou lamelu se směr proudu včas změní a otáčení pokračuje. Závit se ovšem neroztočí, je-li počáteční poloha vodorovná; tady se obě síly ruší. Tento nedostatek u skutečných motorů odstraňuje vícepólová kotva, u níž taková situace nenastane. Místo závitů jsou na rotoru cívky se železným jádrem a je jich více – 4, 6, ... atd. Každá cívka má začátek a konec vinutí spojen se sousední cívkou a spoje jsou vyvedeny na lamely komutátoru.Vstupuje-li proud do začátku vinutí, je zde severní magnetický pól a na druhém konci jižní. Při otáčení je vždy jedna skupina cívek zmagnetována tak, že severní pól směřuje k ose kotvy a druhá skupina cívek je zmagnetována opačně. Póly rotoru se vždy přitahují k pólům statoru. Motor se snadno roztáčí a nemá žádnou "mrtvou polohu". 162 Obr. Vícepólová kotva V obrázku jsou uhlíky zakresleny dovnitř lamel, ve skutečnosti jsou pružinami přitlačeny z vnější strany. Póly statoru mohou být opravdu spojeny s permanentním magnetem. Ten je například použit v motorku stěračů vašich automobilů a také v malých modelářských motorcích. V motorech větších je stator elektromagnetem a v motoru jsou dvě vinutí – vinutí statoru a vinutí rotoru, které se také říká „kotva“. Mohou být zapojeny 1. do série, 2. paralelně, 3. smíšeně. Obr. Zapojení motorů Úkol: Prozkoumejte zapojení motorku stěrače, motorku autíčka autodráhy nebo modelové železnice. Mají vinutí rotoru i statoru? Je zapojení sériové, paralelní nebo smíšené ? Úkol: Jak zapojit motorek, aby se otáčel opačným směrem? Vyzkoušejte! 163 Při pokusech s motorky s permanentním magnetem jste zjistili, že obrácení polarity napájecího zdroje způsobí změnu smyslu otáčení. Motorky, které mají vinutí v rotoru i statoru, na změnu polarity zdroje nereagují. Otázka: Lze komutátorový motorek napájet střídavým proudem? Úkol: Které spotřebiče mají komutátorový motor napájený střídavým proudem ze sítě? Příklad parametrů komutátorových motorů: Výrobce: Typ: Výkon: Napětí: Proud: Otáčky: Hmotnost: MEZ Náchod K6A27 8W 12 V ss 8000 min–1 0,16 kg MEZ Náchod K2UV328 500 W 220 V ss i 50Hz 5000 min–1 5,4 kg PAL Kbely 076 55 W 12 V ss 2600 min–1 (větrák Favorit) ROBBE(SRN) ELT 550 W 22 V ss 10000 min–1 (modely letadel) Krokové motory Rotor krokového motorku, jaký máte například v bateriových hodinkách s opravdovými ručkami, je malý permanentní magnet. Do rotoru nepřivádíme žádný proud, zato stator teď obsahuje více cívek. Na obrázku jsou jen čtyři: L1, L2, L3 a L4. Do vinutí se přivádějí proudové impulsy. V prvním taktu přivedeme proudový impuls do L1, ve druhém taktu do L1 a současně do L2, ve třetím pouze do L2, ve čtvrtém do L2 a L3 současně, v pátém pouze do L3 atd. Jak se zachová rotor? V prvním taktu je přitažen jeho severní pól k jižnímu pólu na L1. Ve druhém je magnetické pole cívek složeno ze dvou navzájem kolmých složek a výsledná magnetická indukce je skloněna o 45° Rotor zamíří mezi póly L1 a L2. Ve třetím taktu je rotor přitažen k cívce L2. Obr. Krokový motor 164 Úloha: Kolikátý takt dokončí otáčku? Krokový motorek mívá podstatně více pólů rotoru a všimněte si, že počet pólů rotoru a statoru se liší. Čím více pólů, tím více taktů je potřeba na jednu otáčku a tím přesněji lze nastavit požadovanou polohu rotoru. Mechanismus, kterým motorek pohybuje, nesmí motor příliš zatížit, aby se kotva přesunula do další polohy. Otáčení je "trhavé", ale při velkém počtu kroků splývá v plynulý pohyb. Kotva krokového motoru nemusí být permanentním magnetem. Stačí měkká ocel, kterou zmagnetuje pole cívek. To jsou motory s reakčním rotorem. Mohou používat i silných magnetických polí. Rotor s permanentním magnetem je označován jako motor s aktivním rotorem. Takový motorek máte možná v hodinkách. Příklad parametrů krokového motoru: Typ: Z22LB104 Z42VV141 Rotor: reakční aktivní Napětí: 48 V 48 V Mezní kmitočet: 800 až 1 200 Hz 150 Hz Mezní moment: 0,0392 Nm 4 Nm Jmenovitý proud: 1,2 A 7,1 A Hmotnost: 0,82 kg 7,85 kg Úhel kroku: 1,5° 0,9° Všimněte si v tabulce, jaké proudy je nutno přesně a včas spínat do jednotlivých vinutí.To je také důvod, proč krokový motor musí mít i ovládací elektroniku. V hodinkách ji máte v jediném integrovaném obvodu, u průmyslových zařízení je elektronika součástí ovládacího panelu stroje. Synchronní motor Malá střídavá napětí získáváme z malých transformátorků – například zvonkové transformátorky mají na výstupu 3 V, 5 V nebo 8 V. Dávají střídavý proud s frekvencí 50 Hz a pokud takový proud přivedeme do cívky statoru, bude magnetické pole také střídavé: 50krát za sekundu bude na daném konci cívky severní a 50krát za sekundu jižní pól. Úkol: K transformátorku připojte alternátorek z jízdního kola. Pokuste se pootočit rotorem. Co zjistíte? (Lze použít zvonkový transformátor.) 165 Výsledek: Rotor "drží" v určité poloze. Takových poloh je několik - záleží napočtu pólů rotoru. Rotor se chvěje a "bručí" s frekvencí 50 Hz. Úkol: Zapojte transformátorek a roztočte alternátorek rukou. Po několika pokusech se alternátorek roztočí a stane se motorem. Jeho otáčky jsou stálé – nezávisí na napájecím napětí. Z alternátorku se stal synchronní elektromotor. Může se točit i na opačnou stranu? Vysvětlete funkci tohoto motoru! Alternátorky pro jízdní kola jsou nerozebíratelné a bez zničení se dovnitř nedostaneme.V alternátorku lze najít například toto uspořádání: Obr. Synchronní motor Cívkami statoru protéká střídavý proud. V první setině sekundy ukazují plné šipky polohu severních pólů a rotor s permanentními magnety je přitahován do zakreslené polohy. V další setině sekundy se cívky statoru přemagnetují a pokud dáme zvenčí rotoru správný impuls, dotočí se již sám do nové polohy - otočí se o 90°. U skutečných motorů je rotor z oceli a zmagnetování zajistí pole cívek. Stator je opatřen třemi skupinami cívek, které jsou napájeny třífázovým proudem. Otáčky takového motoru jsou synchronní a udávají se za jednu minutu: ns = 60 f , p kde f je kmitočet (50 Hz) a p je počet dvojic pólů. Pro motorek na obrázku je p = 2 a ns = 1 500 min–1. Synchronní motorky máte v gramofonu, v programátoru automatické pračky a ve spínacích hodinách. Mají ovšem větší počet pólových dvojic a nižší otáčky. 166 Úkol: vypočtěte počet pólových dvojic synchronního motorku, který má 120 otáček za minutu! V průmyslu se používají synchronní motory s trvalými magnety na rotoru do výkonů 35 kW a s reakční kotvou i pro výkony podstatně vyšší. Skutečné motory ale neroztáčíme ručně. Tady pomůže otáčivé magnetické pole, které vzniká uvnitř motoru například takto: Obr. Rozběhový kondenzátor Proud I1 teče do vinutí L2 a L4 přes kondenzátor C. Proto je posunut o čtvrtinu periody (přibližně) a indukce B je na obrázku svislá a sever nahoře. O čtvrtinu periody později dosáhne maxima proud I2, který teče cívkami L1 a L3. Magnetická indukce je vodorovná a míří vlevo. Magnetické pole se točí proti směru hodinových ručiček a za ním se roztáčí i rotor. Otázka: Může se takový motor točit opačně? Asynchronní motor V obrázku (Princip elektromotoru) vynecháme zdroj elektrické energie, konce závitu spojíme do zkratu a představte si, že otáčíme permanentním magnetem.To vyvolá v závitu indukovaný proud, na něj opět magnetické pole působí silou a závit se bude otáčet za magnetickým polem. Otáčky závitu budou 167 o něco nižší, závit se zpožďuje. Takové otáčení nazveme asynchronní (nesoučasné). Magnetem ale ve skutečném motoru netočíme – dovedeme vytvořit točivé magnetické pole. Závitů je na rotoru více a aby magnetické pole bylo co nejsilnější,vyrobíme i rotor z oceli. Rotor se otáčí asynchronními otáčkami n < ns. Točivé magnetické pole vytvoří nejlépe tři střídavé proudy ve třech cívkách, jen maxima musí být posunuta o jednu třetinu otáčky. Třífázové proudy jsou k dispozici ve spotřebitelské síti. Motorky v počítačích Každý počítač obsahuje harddisk, kde je ukryt motor napájený stejnosměrným proudem s malým napětím 12 V. Stator připomíná květ kopretiny s 12 okvětními lístky – co lístek, to jedna cívka. Rotor má po obvodu uložen prstenec z feritu a s pomocí buzoly na něm najdeme čtyři jižní póly a čtyři severní. V obrázku je rotor i stator nakreslen "do řádku" pro lepší pochopení funkce. Obr. Impulsní motorek počítače Vinutí cívek statoru jsou na jedné straně spojena se zemí, na druhé straně připojena na tři vodiče a,b,c. Proudový impuls do vodiče a vytvoří na označených cívkách jižní póly a rotor se přitáhne o jeden krok vlevo. Další proudový impuls jde do vodiče b a rotor se posune o další krok. Třetí impuls dokončí posun o tři kroky a děj se opakuje impulsem do vodiče a. Proudové impulsy vytváří speciální integrovaný obvod a harddisk se točí přesně stanovenou rychlostí. Velmi podobný je motorek v mechanice pro diskety 5,25". Stator má celkem 30 cívek a na rotoru je ve feritovém prstenci vytvořeno 10 jižních a 10 severních magnetických pólů. Jiné je ale zapojení cívek: 168 Obr. Funkce motoru harddisku Elektronické spínače integrované v jediném obvodu připnou na okamžik vodič a na + 12 V a vodiče b a c na zápornou svorku zdroje. Rotor se přesune o jeden krok a následuje přepnutí + 12 V na vodič b a zbývající na zápornou svorku, atd. Rotor se otáčí plynule, protože jeho velká hmotnost (a moment setrvačnosti) nepřipouští velká zrychlení. Úkol: Zakreslete průběh tří proudů I1, I2, I3, které vytvoří uvnitř motoru asynchronního točivé magnetické pole! Úkol: Zjistěte, které spotřebiče mají elektromotor s připojeným kondenzátorem pro vytvoření točivého magnetického pole. Najděte na štítku motoru nebo v návodu k použití otáčky n. Úloha: Vypočtěte synchronní otáčky pro počet pólových dvojic p = 1, 2, 3, 4 a porovnejte s otáčkami elektromotoru. Je synchronní nebo asynchronní? Při zkoumání motorků v domácnosti jste jeden motor určitě slyšeli, ale neviděli – motor kompresoru ledničky je ukryt v tělese kompresoru. Je to jednofázový motor s pomocným vinutím, které spolu s hlavním vinutím vytváří točivé magnetické pole a po rozběhu se pomocné vinutí odpojí. Motor pak pracuje jako synchronní motor a je úspornější. Odpojení pomocného vinutí má na starosti tzv. regulátor: Po připojení na síť teče přes hlavní vinutí velký rozběhový proud a ten stačí na sepnutí relé. Rozběhové vinutí je připojeno a po roztočení motoru na takřka synchronní otáčky klesne proud hlavního vinutí a relé rozepne. Motor běží na synchronních otáčkách. Trvá-li náběh motoru příliš dlouho, součet obou proudů nažhaví topnou spirálu a bimetal odpojí jeden přívod sítě. Po jeho vychladnutí se start opakuje. 169 Obr. Spínání motoru chladničky K tomu dochází, je-li olejová náplň kompresoru příliš viskózní – buď příliš chladná, nebo znehodnocená dlouholetým provozem. Kontakt bimetalu a topná spirálka se mohou poškodit přehřátím a jsou kritickými místy regulátoru. Nové chladničky řeší odpojení pomocného vinutí pomocí modernější polovodičové součástky – pozistoru. Jde o teplotně závislý rezistor, který má při nízkých teplotách malý odpor a při dosažení určité teploty se jeho odpor prudce zvýší. Obr. Připojení kompresoru Při zapnutí sítě teče přes pozistor RT potřebný proud do pomocného vinutí a po ohřátí pozistoru prudce klesne na malou hodnotu. Teplo uvolněné na pozistoru je i při tomto malém proudu dostatečné, aby se pozistor udržel ve stavu s velkým odporem. 170 Úkol: Jaký regulátor má vaše chladnička, poznáte snadno. Počkejte si, až se rozběhne kompresor, a vytáhněte síťovou šňůru ze zásuvky. Pak ji opět připojte a sledujte: kompresor začne pracovat ihned – regulátor s bimetalem, kompresor se rozběhne až za několik minut – regulátor s pozistorem. Uvažte proč. Galerie malých motorků Obr. Stejnosměrný s permanentními magnety Najdete jej v CD mechanice počítače. Je vhodný pro studenty – napětí jen 12 V. Obr. Synchronní motor Je v programátoru pračky a ve starších gramofonech. Experimentovat smí jen učitel – je na 230 V! 171 Obr. Asynchronní motorek se stíněným pólem Vlevo dole je patrný zkratovací závit, obepínající zboku pólový nástavec. V něm indukovaný proud je zpožděn za proudem ze sítě, který vytváří pouze kmitavé magnetické pole. Díky asymetrickému umístění zkratovacího závitu a fázovému zpoždění má pole v dutině motorku točivou složku magnetické indukce. Obr. Klecová kotva asynchronního motorku Obr. Stator motorku disketové mechaniky 5,25“ Lze jej snadno získat ze starých počítačů. 172 Obr. Rotor motorku disketové mechaniky Červenými značkami jsou dodatečně označeny jižní póly na feritovém kroužku. Magnetických dvojpólů je tady 10 a stator má 30 cívek. Obr. Motorek harddisku Ten lze najít až po demontáži desek se záznamem dat ve starém harddisku. 173 Obr. Stator v harddisku Má 12 cívek a rotor obsahuje permanentní magnet vyrobený z měkkého plastu plněného feritem. Jeho magnetizace postupně slábne a také může být příčinou nepříjemné ztráty dat, když se harddisk přestane roztáčet. Obr. Krokový motorek z disketové mechaniky Typické je připojení čtyřmi vodiči pro impulsní proudy. S dvěma bateriemi lze pootočit rotorem do nové polohy – experiment pro žáky. Obr. Stator krokového motoru z NC stroje Jsou patrné vystupující póly cívek statoru. 174 Obr. Alternátorek Stačí jej připojit na střídavý zdroj malého napětí a ručně uvést na synchronní otáčky. Literatura Voženílek, L.:Kurs elektrotechniky Praha SNTL. Ručka, M.: Elektromotory a generátory v praxi. Amatérské rádio B1/1992, s. 3 - 26. 175 APLIKOVANÁ FYZIKA A MODERNÍ ELEKTRONIKA Seminární materiál projektu Učíme fyziku moderně Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje Slovanské gymnázium Olomouc Autoři: doc. RNDr. Josef Hubeňák, CSc. RNDr. Jiří Hubeňák, Ph.D. Vydal Repronis v roce 2007 jako svou 262. publikaci Počet stran: 176 Náklad: 120 ks Vydání: první Tisk: Repronis s. r. o., Ostrava ISBN 987-80-7329-158-7 Publikace je neprodejná
Podobné dokumenty
AKTUÁLNÍ PROBLÉMY VÝUKY FYZIKY NA STŘEDNÍ ŠKOLE
V kontextu nového pojetí výuky obecné didaktiky v procesu přípravy budoucích učitelů
vedeme studenty k tomu aby intenzivně přemýšleli nejen o tom, čemu žáky učí, ale zároveň jak se žáci
učí. Je nez...
1 Úvod 6 2 Monitory CRT 7 2.1 Historie vývoje CRT jednotek
umístěná až za světlými body, je vzdálenost mezi otvory menší než vzdálenost fosforeskujících bodů na vnější straně obrazovky.
Cíl
2.2.3 Kovalentní vazba.
Podstatou kovalentní vazby je tzv. sdílení elektronů mezi sousedními atomy. Dva
kovalentně vázané atomy přispívají každý nejméně jedním elektronem k vazbě a tyto
elektrony j...
videokamery, digitální fotoaparáty, faxy, skenery,
čtečky kódů, optické myši…
ZDE
speciálně připravené saze. U zdrojů tepelných a zdrojů se spojitým spektrem je stanovení jednoduché (i když musíme vědět,
že tzv. barevná teplota wolframového vlákna je vždy vyšší, než skutečná tep...
1. ročník, 3. série - ViBuCh
ochranným pláštěm pro život na planetě, protože brání pronikání škodlivého UV záření k povrchu. Například tolika diskutované téma ozónové díry, která, jak se zdá, je dnes již vyřešena.8
historické jádro, viz Trasa UNESCO, ÚÚR a www.pragensia.tiscali.cz
zde - Věda kolem nás
V jednom případě je zpočátku Péťova matka opravdu zoufalá, protože chybějící kostka není ani v lavoru, ani v krabici, ani pod kobercem, ani na skříni ani pod ní … prostě
nikde. Když už to chce vzdá...
