Презентація посібника для вчителів фізики: "Саморобні прилади з фізики" IV частина

Про матеріал

Презентація посібника для вчителів фізики: «Саморобні прилади з фізики» IV частина Перелік статей • Вступ; • Правила безпеки при роботах з електросхемами; • Високочастотний адаптер діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв'язку; • Демонстрація термоелектричного охолоджувача; • Демонстрація телеуправління за допомогою лазеру; • Демонстрація іскрового розряду; • Індикатор магнітного поля; • Демонстрація іонної електропровідності скла; • Волоконно оптичні лінії зв’язку.

Перегляд файлу

Презентація посібника для вчителів фізики:

«Саморобні прилади з фізики»

IV частина

Перелік статей

• Вступ;

• Правила безпеки при роботах з електросхемами;

• Високочастотний адаптер діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв'язку;

• Демонстрація термоелектричного охолоджувача;

• Демонстрація телеуправління за допомогою лазеру;

• Демонстрація іскрового розряду;

• Індикатор магнітного поля;

• Демонстрація іонної електропровідності скла;

• Волоконно оптичні лінії зв’язку.

Вступ

Історія появи цього посібника (в електронному вигляді- 135 сторінок) пов’язана з тим, що Дмитро Святославович Бабин викладав фізику і астрономію в Нелиповецькому навчально-виховному комплексі; для зацікавлення учнів предметом фізики співавторами: Бабин Дмитром Святославовичем і Бабин Святославом Філатовичем було виготовлено 51 саморобних приладів для демонстрації фізичних явищ і написано 53 статті. Деякі прилади (електронний секундомір, високочастотний адаптер діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв’язку, генератор потужного імпульсу, генератор низької частоти, камертонний генератор) були виготовлені на гуртку «радіоконструкторів» в Кельменецькому професійному ліцеї, під керівництвом Святослава Бабин. Більшість приладів були використані в учбовому процесі, а з приладами для факультативних занять учні мають змогу заочно переглянути статті в Інтернеті на сайті, в розділі «Саморобні прилади з фізики»; адреса сайту: https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Фізика надзвичайно цікава наука, вона дає людині відчути надзвичайну силу свого розуму, формує науковий світогляд, розвиває зацікавлення до сприйняття фізичних явищ у навколишньому світі. Чудеса сучасної техніки з'явилися насамперед завдяки фізиці: без знання фізичних законів неможливо проектувати сучасну техніку, телебачення, комп'ютери, засоби зв'язку та багато іншого, що ввійшло в повсякденне життя людей. Відкриття, зроблені в галузі фізики, можуть невпізнанно змінити життя людини.

Для успішного викладання фізики в школі необхідно добре обладнаний кабінет. На жаль, далеко у всіх школах є повний комплект необхідного обладнання, а багато приладів потребують ремонту. Деякі прилади можливо замінити саморобними, зробленими з підручних матеріалів на уроках праці, або в гуртку юних електротехніків, радіоконструкторів і робити досліди на факультативних заняттях для поглиблення знань з фізики учнівської молоді. Для безпеки учнів при виконанні робіт в гуртках, при виготовленні приладів і користування ними, їм необхідно вивчити «Правила безпеки при роботах з електросхемами», які є окремим розділом на сайті. При виготовленні приладів корисно учням ознайомитись з розділом на сайті: «Уроки для радіоаматорів початківців».

Вчителям фізики також доцільно ознайомитись з цими статтями і використовувати їх для покращення знань з фізики учнів загальноосвітніх шкіл, ліцеїв.

Правила безпеки при роботах з електросхемами

Виготовляючи, налагоджуючи і експлуатуючи електронні саморобки, вам постійно доводиться мати справу з електричним струмом. Не думайте, що це завжди безпечно – щонайменше недотримання запобіжних заходів може призвести до неприємних і навіть трагічних наслідків. Ось чому важливо знати про дії струму на організм людини і робити все можливе, щоб уникнути ураження струмом.

Встановлено, що струм близько 0,01 А вже викликає роздратування нервової системи і навіть судоми. Якщо ж через тіло людини протікає струм 0,03 А, м'язи можуть втратити здатність скорочуватися, а при струмі 0,06 А настає параліч дихальних органів. Смертельним вважається струм близько 0,1 А. Розрахунковий опір людини 1 кОм, тобто вже при напрузі 100 В через людину буде протікати струм, згідно закону Ома: 100 В : 1000 Ом = 0,1 А; це вже смертельно небезпечний струм. Електромережа не признає неуважного відношення до себе. Пол в кімнаті, не повинен бути сирим, чи вологим.

Відомо, що при однаковій напрузі через провідник з меншим опором потече більший струм, і навпаки. Так і з людиною. У одного електричний опір тіла великий і його може тільки злегка «вдарити» при торканні проводу, що перебуває під напругою. А іншого, в цьому випадку паралізує.

Опір тіла людини залежить від вологості його шкіри в даний момент, стану нервової системи, втоми і може змінюватися в сотні разів, коливаючись від одиниць до сотень кілоом. Варто людині з мінімальним опором потрапити під напругу електромережі 220 В, підведену до розеток, – і через його тіло потече струм, який виявиться смертельним. Безпечним для людини в звичайних кімнатних умовах буде будь-яке джерело напругою до 42 В. Має значення і шлях струму. Найбільш небезпечний – від руки до руки, оскільки він пролягає через область серця. Менш небезпечний шлях права рука – ліва нога, а потім права рука – права нога. Недарма досвідчені інженери, перевіряючи установки з небезпечним для життя напругою, намагаються тримати ліву руку вільної або зовсім прибирати її в кишеню, працюючи в напруженій ситуації тільки правою рукою.

Хоча на зміну ламповим конструкцій з високовольтною анодною напругою давно прийшла транзисторна електроніка з низьковольтним живленням, небезпека ураження електричним струмом залишилася. Ви піддаєтеся їй, включаючи паяльник, випрямляч, потужний підсилювач, або іншу подібну конструкцію. Уже тут потрібно пам'ятати про запобіжні заходи та тримати вилку так, щоб пальці не торкалися її металевих штирів. А якщо мережевий шнур в якомусь місці перетерся і проглядає мідна жила, терміново оберніть це місце ізоляційною стрічкою або замініть шнур.

У конструкціях, що живляться від мережі через роздільний понижувальний трансформатор, небезпечна напруга буде на виводах вимикача і утримувача запобіжника, а також виводах первинної обмотки трансформатора. Ці виводи після підпайки провідників захистіть відрізками полівінілхлоридної трубки або ізоляційною стрічки. Вимикач живлення в цьому випадку повинен бути розрахований на мережеву напругу і споживаний конструкцією струм і мати хорошу ізоляцію між виводами і ручкою (у більшості вимикачів-перемикачів вона металева). Природно, що жоден з мережевих дротів не повинен з'єднуватися із загальним проводом конструкції.

Особливу небезпеку становлять конструкції з безтрансформаторним живленням, або конструкції, в яких за умовами роботи загальний провід гальванічно з'єднаний з мережею (наприклад, в деяких пристроях на мікросхемах, що містять цифрові газорозрядні індикатори). У цьому випадку корпус конструкції бажано виготовити з ізоляційного матеріалу, а якщо це неможливо, ретельно ізолювати від металевого корпусу змінні резистори, перемикачі та інші органи управління (їх можна встановлювати на монтажній платі всередині корпусу, а до осі прикріплювати подовжувальну втулку з ізоляційного матеріалі). На них треба надіти ручки з хорошого ізоляційного матеріалу. Гвинти кріплення ручок не повинні виступати назовні. Металевий корпус ні в якому разі не можна поєднувати з загальним проводом конструкції. Монтаж всередині подібного корпусу повинен бути виконаний так, щоб ні один із виводів деталей або кінців з'єднувальних провідників не міг торкнутися корпусу.

Перевіряючи в мережних конструкціях режим роботи деталей, підключайте один з щупів вимірювального приладу до загального проводу заздалегідь, до включення конструкції в мережу (особливо це відноситься до пристроїв з безтрансформаторним живленням). При необхідності замінити деталь, або перепаяти провідники знеструмленої конструкції- виймайте вилку з розетки, а також розряджайте конденсатори великої ємності в ланцюгах живлення і конденсатори, що виконують роль гасячих резисторів в безтрансформаторному випрямлячі, через резистор опором 5 ... 10 кОм.

Перед початком включення саморобки в електромережу перевірте омметром якість ізоляції між штирями мережевої вилки і корпусом конструкції. Якщо воно менше 10 МОм при якій-небудь (перевірте обидві!) полярності підключення щупів омметра, відшукайте несправність і усуньте її. Таку перевірку робіть періодично.

Під час роботи конструкції не торкайтеся руками до виводів її деталей, а якщо потрібно підібрати режим, наприклад, підстроювальним резистором, користуйтеся викруткою з хорошою ізоляційної ручкою. В жодному разі не втомленим – електричний опір такого організму знижений, увага ослаблена, реакція уповільнена. Конструкцію, яку необхідно вмикати в електромережу; вирпрямлячі, понижувальні трансформатори та інше, необхідно використовувати в закритому вигляді. Радіоаматорам- початківцям бажано робити конструкції з живленням від низької напруги 1,5….24 В і живити їх від батарей, або випрямлячів. Обережно треба поводитись з трансформаторами: вони можуть підключатись до низької напруги, а на вторинних обмотках може наводитись висока напруга- сотні і тисячі вольт. Бережно потрібно поводитись з акумуляторами і не допускати короткого замикання його вихідних клем- при цьому може виникнути великий струм і провідник може вмить розплавитись і перегоріти.

При роботі з електропаяльником необхідно бути обережним і уникати доторкання до стержня електропаяльника, температура якого може досягати 280…300 градусів. Корпус електропаяльника також має високу температуру.

Електропаяльник необхідно ставити на підставку з негорючого матеріала. Слід уникати доторкання до розплавленного припоя, чи каніфолі. Якщо при необачному користуванні трапився опік, то уражену ділянку необхідно змастити мазью- бальзамом «Рятівник». При розпаюванні плат від різної радіоапаратури припой з жала паяльника слід струшувати обережно, щоб не розбризгувався і не попав на руку. Електропаяльники в робочому стані необхідно тримати в зоні впливу витяжної вентиляції. Необхідно користуватись електропаяльниками на 36 В, або 42 В. Саморобні конструкції необхідно підключати до джерел живлення через запобіжники. Перед подачею напруги на зібрану схему слід ще раз перевірити првильність з’єднань, перевірити правильність підключення полярності оксидних конденсаторів. В разі неправильного підключення оксидних конденсаторів- вони можуть «взірватись»; при подачі живлення на схему.

Дотримання Правил безпечної роботи, є обов'язковим для кожного радіоаматора. Увага- залог успіху.

Література:

1. Правила безпеки експлуатації електроустановок споживачів.

http//do.sc.ukrteltcom.net/LearningSpace5/Courses/Oxorona/selfaccess/pbee. 2. Правила технічної експлуатації споживачів електроустановок.

Затверджено: Наказ Міністерства палива та енергетики України 25.07.2006 № 258.

3. Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів Затверджено: Наказ Держнаглядохоронпраці від 09.01.98 № 4

Співавтори: Бабин Дмитро Святославович, вчитель фізики,

Бабин Святослав Філатович, керівник гурт «Радіоконструкторів»; смт Кельмеці, Чернівецької обл., Україна

Література:

Інтернет: «Техніка безпеки при роботах з електросхемами» https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Високочастотний адаптер діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв'язку

При проведенні уроків фізики в школах з радіотехніки доцільно провести демонстрацію радіопередачі. Для цього зовсім не складно виготовити високочастотний адаптер з амплітудною модуляцією невеликої потужності, сигнал якого можливо прослухати на відстані до 200 м на промисловий радіоприймач з середньохвильового діапазоном, або на саморобний приймач прямого підсилення за схемою 2-V-2, 2-V-3; такі приймачі описувалися багаторазово в технічній літературі. Зокрема, можливо повторити конструкцію, описану в (1), або «Економичный приемник прямого усиления», або «Простой радиоприемник прямого усиления» приведені на моєму сайті в розділі: «Радіоаматорські конструкції». Високочастотний адаптер на діапазон середніх хвиль (СХ) був описаний в (2), однак там було можливо використовувати будь-яку частоту діапазону; а автор пропонує використовувати тільки одну фіксовану частоту. Слід зауважити, що не можна до передавача приєднувати довгі антени; при цьому дальність передачі збільшиться, чого не можна допускати, щоб уникнути негативного впливу на радіомовлення.

Високочастотний адаптер працює на частоті середньохвилового діапазону, проте сигнал малої потужності і не є джерелом перешкод для радіослухачів. Частоту задає генератор стабілізований кварцовим резонатором (КР), таким чином немає можливості «гуляти» по діапазону. Частота кварцового резонатора 1575 кГц- це дуже поширений КР. Зазвичай на цій частоті немає радіомовних станцій. Принципова електрична схема високочастотного адаптера приведена на рис.1.

На транзисторі VT1 побудовано мікрофонний підсилювач з трансформаторним виходом. Мікрофона BM1- застосовано мікрофонний капсуль від телефонного апарату типу МПК-101-II, який має вбудований підсилювач, завдяки чому спрощується схема в цілому. Якщо немає в наявності такого мікрофона, то можливо застосувати вугільний мікрофон, також від телефонного апарату; однак він менш чутливий.

Дані трансформатора Т1; сердечник Щ12 × 16 79НМ-0,35, первинна обмотка містить 300 витків дроту ПЕВ-2 діаметром 0,43 мм; вторинна- 600 витків такого ж дроту. Транзистор VT1 необхідно встановити на радіаторі з S = 25 см².

На транзисторі VT2 зібраний задавальний генератор з кварцовою стабілізацією. КР включений в ланцюг позитивного зворотного зв'язку. Для котушки контуру взято каркас діаметром 7мм від котушок, застосовуваних в телевізорах УНТ47-III. Внизу каркаса намотується котушка L3 внавал і містить 10 витків дроту ПЕЛШО ø 0,12 мм. На відстані 2 мм вище намотується котушка L2, також внавал, і містить 18 витків дроту ПЕЛШО ø 0,12 мм.- і ще вище, на відстані 2 мм намотується котушка L1 проводом ЛЕШО 10 × 0,07 (літцендрата) і містить 50 витків з відведенням від середини. Кінці котушок закріплюються нитками. Для зміни індуктивності котушки L1 використовується сердечник з карбонільного заліза, типу СЦР-1. Контур налаштовується на частоту 1575 кГц за допомогою сердечника, а також підбором конденсатора С7. Наявність сигналу на виході задавального генератора, можливо побачити за допомогою осцилографа, мілівольтметра в контрольній точці кт.1. Генерація відбувається на частоті- 1575 кГц. На транзисторі VT3 зібрано буферний каскад. Для котушки контуру взято каркас діаметром 7мм від котушок застосовуваних в телевізорах УНТ47-III. Внизу каркаса намотується котушка L5 внавал і містить 12 витків дроту ПЕЛШО ø 0,12 мм. На відстані 2 мм вище намотується котушка L4 також внавал і містить 50 витків дроту ПЕЛШО ø 0,12 мм., з відведенням від середини. Кінці котушок закріплюються нитками. Для зміни індуктивності котушки L1 використовується сердечник з карбонільного заліза, типу СЦР-1. Контур налаштовується на частоту 1575 кГц за допомогою сердечника, а також підбором конденсатора С10. На транзисторі VT4 зібраний амплітудний модулятор; на каскад подається постійна напруга, звуковий сигнал і високочастотний сигнал одночасно і таким чином здійснюється амплітудна модуляція. Транзистор VT4 встановлений на радіаторі з S= 25 см². Котушки L6 і L7 намотані на феритовому кільці діаметром 30 мм, товщиною 10 мм і висотою 8 мм типу 20 ВЧ. Котушка L6 і містить 50 витків дроту ПЕЛШО ø 0,5 мм, а котушка L7 містить 20 витків такого ж дроту і намотана поверх котушки L6. В якості антен використовуються два шматки мідного дроту довжиною 4 м. Антени необхідно розміщувати горизонтально, або під кутом 45⁰, як діполь.

Налаштування високочастотного адаптера не складає труднощів і початківці радіоаматори легко повторюють цю конструкцію.

Налаштування необхідно проводити так: підключивши осцилограф на вихід задавального генератора (контрольна точка кт.1), підбором величини ємності С7 добиваємось максимального вихідного сигналу з частотою КР; потім підключаєм осцилограф до виходу буферного каскаду (контрольна точка кт.2) і підбором ємності конденсатора С10 добиваємось максимальної напруги сигнала з частотою КР, і підключивши на вихід адаптера резистор на 75 ОМ і до нього осцилограф добиваємось максимальної вихідної напруги, підбором ємності конденсатора С13. Транзистори можуть мати будь-які літерні індекси. Замість КР на 1575 кГц, можливо застосувати КР на 690,1 кГц, 705,8 кГц, 706,5 кГц, 794 кГц, 992,5 кГц 1000 кГц, 1024 кГц, 1280 кГц, 1312,5 кГц, 1530 кГц, 1600 кГц і інші в діапазоні середніх хвиль-

525 ... 1605 кГц. Під кожен КР необхідно провести підбір ємностей конденсаторів С6,С7, С10, С13; коливальних контурів. Якщо виявиться, що в даній місцевості частота зайнята радіомовної станцією, то необхідно взяти інший КР. Експерименти краще проводити в ранішній, або денний час і проводити демонстрацію радіоз’язку також в світлу пору дня. В вечірній і нічний час на середньохвильовому діапазоні появляється багато дальніх радіостанцій.

Зовнішній вигляд високочастотного адаптера діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв'язку показаний на фото 1. Адаптер поміщений в металевий корпус розмірами 85 × 260 × 115 мм. В принципі, для адаптера можливо використати і пластмасовий корпус, підходящих розмірів. Живиться пристрій від акумулятора типу ТП7-12 (12V, 7AH) (на фото 1 аккумулятор в шкіряному футлярі) і споживає струм 30 мА. Можливо також живити адаптер від батареї на 9 В, типу «Крона- ВЦ», але при цьому максимальна відстань радіопередачі зменьшиться. Якщо демонстрація проводиться в класі, то достатньо для антен взяти два шматки дроту довжиною по 1 м.

Принципова електрична схема приймача прямого підсилення на діапазон середніх хвиль (детальний опис є на сайті в розділі «Радіоаматорські конструкції») показано на рис.2.

Фото 1. Високочастотний адаптер діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв'язку

Література:

1. Барсуков Е. Миниатюрный приемник с низким питанием, журнал «Радиолюбитель» №3, 2002 г. ст 37

2. Дудич И. И. Самодельные радиоэлектронные устройства, изд. «Карпаты», Ужгород, 1973 г.

3. Співавтори: Дмитро Бабин, Святослав Бабин Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Учениця Кельменецького професійного ліцею Гончарюк Діана демонструє

«Високочастотний адаптер діапазону СХ для демонстрації принципів радіозв'язку»

Демонстрація термоелектричного охолоджувача

Як відомо з історії, у 1834 році французький годинникар і натураліст Жан - Шарль Пельтьє помістив краплю води на спай між електродами з вісмуту і сурми, а потім пропустив по колу електричний струм і виявив, що крапля води замерзла. В історії було багато випадків, коли відкриття ще чекають «свого» часу. Так сталось і з цим відкриттям - пройшло майже два століття і вчені знову звернулись до ефекту Пельтьє. Для охолодження електронних пристроїв потрібні були системи охолодження з малими габаритами - це можливо зробити використавши елементи Пельтьє. Недоліком елементів Пельтьє є низький коефіцієнт корисної дії (ККД), але з цим приходиться «миритись». Вчені працювали в напрямку збільшення ККД і виявили, що найбільший ККД можливо отримати, якщо використовуються напівпровідникові матеріали з різним типом провідності. Використання елементів Пельтьє дуже різноманітне:

• Холодильники;

• Кондиціонери;

• Автомобільні охолоджувачі;

• Кулери для води;

• Охолоджувачі і нагрівачі дитячих напоїв; • В системах комп’ютерного охолодження та ін.

Елемент Пельтьє часто використовується для вирішення проблеми перегріву устаткування. Елементи Пельтьє не мають рухомих елементів і завдяки цьому мають велику довговічність і надійність.

Багато цікавого про використання термоелектричних приладів, зокрема термоохолоджувачів, можна прочитати в (1).

Елемент Пельтьє - це термоелектричний перетворювач, який працює за однойменним принципом Пельтьє - виникненні різниці температур в термопарі під час пропускання через неї електричного струму. В англійській мові найчастіше згадується термін «ТЕС», що в перекладі означає термоелектричний охолоджувач (ТЕО). Робота елемента Пельтьє базується на контакті двох струмопровідних матеріалів, які володіють різним рівнем енергії електронів в зоні провідності. При подачі електричного струму через подібний зв'язок, електрон набуває високу енергію, щоб потім перейти в більш високоенергетичну зону провідності іншого напівпровідника. У момент поглинання цієї енергії здійснюється охолодження місця контакту двох провідників. Якщо ж струм протікає в зворотному напрямку - то це призводить до нагрівання місця контакту, тобто виникає тепловий ефект. Якщо з одного боку зробити хороше відведення тепла, наприклад, при використанні радіаторних систем, то холодна сторона зможе забезпечити дуже низьку температуру, яка на десятки градусів буде нижчою за температуру навколишнього середовища. Для отримання високого ККД на практиці застосовується два напівпровідники з різним типом провідності. Якщо ж змінити полярність електричного струму, то сторони (тепла і холодна) просто поміняються місцями. Будову термоелемента показано на рис.1. На малюнку показано чотири термоелементи, а в діючих ТЕО їх значно більше. Всі елементи включені послідовно за допомогою мідних перемичок, які припаюються до напівпровідникових елементів. На крайні елементи ТЕО подається напруга і через всі елементи протікає постійний струм. Якщо сказати образно: то термоелемент в режимі охолодження можна порівняти з «насосом», який «перекачує» теплоту з холодної сторони на теплу сторону.

кераміка

Рис. 1

Найпростіше демонструвати роботу термоелемента використавши готовий виріб: автомобільний холодильник на термоелементах, або кулер для охолодження води. Малагабаритний холодильник на термомодулях в закритому вигляді (працює від автомобільного акумулятора, або від електромережі змінного струму 220 В) показано на фото 1. Якщо заміряти температуру води в чашці з водою і поставити чашку з водою в холодильник, і підключити холодильник до джерела живлення на 15...20 хвилин, то отримаємо охолодження води, що можливо зафіксувати за допомогою термометра.

Фото 1. Холодильник з використанням ТЭМО На фото 2. показано холодильник з відкритою кришкою, на якій і змонтовано всю «начинку», тобто ТЕО на тепловідводі, який обдувається кулером.

Фото 2. Холодильник з ТЭМО- відкрита кришка

Можливо також зробити саморобний пристрій для демонстрації відбору тепла за допомогою термоелектричного модуля охолодження (ТЕМО), якщо придбати його окремо.

Розроблено уніфікований ряд ТЕМО з різною потужністю від 2,7 Вт до 54 Вт [інформацію про ТЕО можливо взяти в на сайті Інституту термоелектрики]. Для демонстрації охолодження можна взяти ТЕМО типу TEC1-12706 на 60 Вт. Характеристики цього модуля такі:

• Живлення: 0-15 В

• Струм: 0-6 А

• Пікова потужність: 60 Вт (Макс. 70 Вт)

• Робочий діапазон температур: -30 °С до +70 °С

• Розмір: 40 х 40 х 4 мм

• Максимальний перепад температур 74°C

Зовнішній вигляд термоелемента типу ТЕС1-12706 показано на фото 3.

Фото 3. Зовнішній вигляд термоелементу

Якщо до «теплої» сторони модуля прикріпити радіатор, а на «холодну» сторону поставити посудину з плоскою гладкою поверхнею, наповнену водою; підключити блок живлення до ТЕМО і замірювати температуру води, за допомогою термометра- помітимо, що температура води знижується. Ясно, що чим більшу напругу ми подаємо на ТЕМО, тим більший буде струм і температура води буде понижуватись швидше. Зазвичай, на ТЕМО типу ТЕС1-12706 подають напругу ±12 В - при такій напрузі модуль споживає струм 5 А. Для нагрівання води необхідно провідники підключення поміняти місцями, тобто зробити переполюсовку, не забуваючи про тепловідвід зі сторони, яка раніше охолоджувалася.

Найпростіше для відведення тепла від модуля використати П - подібну алюмінієву пластину, по боках якої укріпити додаткові ребристі радіатори, як це показано на фото 4. Для збільшення ККД бажано тепловідвід обдувати за допомогою вентилятора, що живиться від акумулятора, як це зазвичай зроблено в холодильниках. Для демонстраційного пристрою це робити не обов’язково. При подачі напруги на термоелемент на 5...10 хвилин - температура значно понизиться, що і демонструє охолоджуючу дію ТЕМО. Для демонстрації можна використовувати акумулятор типу ТР7-12 (12V, 7AH) - на фото 4 в шкіряному футлярі.

Фото 4. Пристрій для демонстрація термоелектричного охолоджувача

Співавтори не претендують на новизну в питанні демонстраційного приладу охолоджувальної дії термоелементів - такі пристрої більше 10 років виготовляють (під замовлення) в Чернівецькому Інституті термоелектрики НАН та МОН України (установа, що займається розвитком термоелектрики) [2]. Прилад для демонстрації охолоджуючої (нагрівальної) дії термоелементів показано на фото 5. За допомогою такого приладу можна не тільки проводити демонстрацію прямого перетворення електричного струму в холод на основі термоелектрики, а і проводити різні лабораторні роботи з курсу загальної фізики у вузах, технікумах, загальноосвітніх школах.

Фото 5. Навчально демонстраційний прилад «Алтек- 7006»

Такі демонстраційні прилади замовлялися для організації навчального процесу не тільки в Україні, а й в Індії, Німеччині, Мозамбіку та інших країнах.

Література:

1. Анатычук Л. Н. Термоелементы и термоэлектрические устройства: Справочник, Киев, изд. «НАУКОВА ДУМКА», 1979 г.

2. https://www.ua -region.com.ua/02096091 Подяка:

Співавтори висловлюють щиру вдячність головному інженеру Інституту термоелектрики Павлу Дмитровичу Микитюку за змістовну консультацію в питаннях використання термомодулів і надання дозволу на публікування фотографії приладу «Алтек- 7006»

Співавтори: Дмитро Бабин, Святослав Бабин

Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Демонстрація телеуправління за допомогою лазеру

Як відомо з історії, Альберт Ейнштейн у 1916 році представляє концепцію вимушеного випромінювання, яке є основою роботи лазеру.

У 1927 році Поль Дірак створює квантову теорію вимушеного випромінювання, яка детально пояснює роботу лазеру.

Існування вимушеного випромінювання було експериментально підтверджено в 1928 році вченими Р. Ладенбург і Г. Копферманном.

Першим, хто запатентував робочий лазер, вважається Теодор Майман. Це сталося 16 травня 1960 року в США. До цього часу різні вчені намагалися створити діючий лазер, але їх спроби були невдалі. Для створення випромінювання вчений використовував штучний рубін, імпульсну лампу і резонатор. Майман назвав свій винахід «рубіновим лазером» через отриманий відтінок. Конструюванням лазеру займалось дуже багато вчених, серед них і вчений, Нік (Микола) Голоняк, батько якого виходець з закарпаття. Нік Голоняк працював у Головній лабораторії напівпровідників "Дженерал Електрик Компані" у місті Сіракузі (штат Нью-Йорк), де зробив багато важливих відкриттів у галузі напівпровідникових приладів, серед яких перший функціональний світловипромінювальний діод і напівпровідниковий лазер. Його винаходи дали змогу розробити червоні лазери, які функціонують у видимому спектрі й використовуються у CD- та DVDпрогравачах.

Американські вчені-фізики, що працюють у лабораторії ім. Лоренца, стверджують, що їм вдалося зробити промінь великої потужності.

Винайдений промінь має величину всього 2 мм в діаметрі, але потужність його більше, ніж та, якою володіють всі енергоспоживаючі пристрою в Америці, якщо працюють одночасно. Температура лазера становить 100 мільйонів градусів, а це більше, ніж у центрі основного джерела енергії – Сонця.

Сучасне життя немислиме без лазеру. Застосування лазерів стало звичним. Він використовується в багатьох сферах діяльності людини.

Його створення привело до революції в інформаційній сфері- так, для прикладу, на двошаровому двосторонньому оптичному дискові DVD вміщається 17,4 гігабайтів інформації. Запис і зчитування букв і цифр тепер не вимагає безпосередньої участі людського ока, за людей це робить лазерний привід. Лазер використовується і інших галузях: для різання дерева, заліза, пластику на виробництві, для зварювання матеріалів між собою, для нанесення символів і знаків на металеві деталі, для проведення хірургічних операцій, гравірування, пайка, маркування, голографія, лазерна локація космічних об'єктів, лазерне охолодження, біологія, військова індустрія, локація і зв’язок, зберігання інформації, вимірювання космічних відстаней, проекційне телебачення, високі технології та багато іншого. У військових цілях лазер застосовують для створення засобів наведення. У медицині за допомогою лазера проводяться найскладніші безкровні операції. Лазери широко застосовуються у всіх галузях науки і техніки, а також в побуті. Нікого вже не дивують лазерні принтери, програвачі компакт-дисків. Лазерні указки є майже у всіх вчителів у школах. Лазерний промінь можливо зробити дуже тонким, й одержати велику густину енергії, яка більша за густину енергії при ядерному вибуху.

Демонструвати роботу лазеру для телеуправління можливо за допомогою лазерної указки. Для демонстрації необхідно виготовити приймач лазерного променя (ПЛП), в якому при попаданні на фотодіод лазерного променя буде зміна його стану; тобто переключення. Принципова електрична схема ПЛП приведена на рис.1. Як показав експеримент, магнітоелектричне реле типу М219/6 спрацьовує від напруги, яку утворює фотодіод, якщо відстань між лазерною указкою і ПЛП не більше 30 метрів- для демонстрації цього цілком досить; тому і додаткового підсилення сигналу від фотодіода немає сенсу робити. При подачі живлення на схему ПЛП тригер на мікросхемі DD2 встановлюється в певне положення і світять світлодіоди HL3 і HL5 зеленого кольору, а при короткочасному освітленні фотодіода лазерною указкою формується одновібратором на мікросхемі DD1 імпульс для переведення тригера в інший стійкий стан- при цьому відкривається транзисторний ключ на транзисторі VT1 і будуть світити світлодіоди HL2 і HL4 червоного кольору. Світлодіод HL1 жовтого кольору і встановлений нижче фотодіода і світить постійно (при подачі живлення на ПЛП)- це допомагає при наведення променя лазерної указки на фотодіод.

Конденсатори С5 і С6 встановлені біля корпусів мікросхем DD1 і DD2.

На транзисторі VT1, стабілітроні VD2, резисторі R4, оксидних конденсаторах С1 і С3 зібрано стабілізатор напруги на 5 В для живлення мікросхем. Схема ПЛП живиться напругою ±9 В від батареї з шести елементів типу АА, включених послідовно. При необхідності, в точки «а» і

«б» можливо підключити електромагнітне реле типу РП7 з опором обмотки 400…540 Ом (паспорт РС4.521.005) і його контактами включати і вимикати електронні прилади, потужністю до 100 Вт. ПЛП поміщений в пластмасовий корпус розмірами 95 × 175 × 40 мм. Зовнішній вигляд ПЛП показаний на фото 1.

Фото 1. Приймач лазерного променя при подачі живлення, горять зелені світлодіоди (перша позиція)

При подачі живлення на схему ПЛП (SA1 ввімкнений) і до освітлення фотодіода лазерним променем світять світлодіоди: HL1 (жовтого кольору); HL3, HL5 (зеленого кольору); а після короткочасного освітлення лазерним променем- схема переключиться і будуть світити світлодіоди HL2, HL4, червоного кольору; як це показано на фото 2. Практично, проводити демонстрацію дуже просто: вмикаємо живлення на ПЛП (світить жовтий світлодіод і два зелених) і встановлюємо його біля класної дошки, вчитель відходить до останніх столів в класі і направляє лазерну указку на фотодіод ПЛП- при короткочасному попаданні лазерного променя на фотодіод засвічуються світлодіоди червоного кольору. Якщо знову лазерним променем «ковзнути» по фотодіодові, то замість червоних- будуть світити зелені світлодіоди і т. д.

Фото 2. Приймач лазерного променя після одноразового короткочасного опромінення лазерною указкою, горять червоні світлодіоди (HL2 і HL4) (друга позиція)

Лазерна указка має малу потужність, всього 5 мВт, але і з нею необхідно поводитись обережно, і не направляти указку на людей, тварин.

Найбільшу загрозу лазерний промінь становить для зору, тому його не можна направляти туди, де знаходяться люди.

Зробити ПЛП не складно, навіть юним радіоаматорам за 2…3 години.

Співавтори: Дмитро Бабин, Святослав Бабин

Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Демонстрація іскрового розряду

Утворити іскру могли навіть первісні люди- це один з найбільш поширених та ефективних способів добування вогню - висікання іскри за допомогою кременю. Кременем служив звичайний камінь, яким били по шматку залізної руди. Отримані іскри спрямовували на суху траву, яка загоралася при роздмухуванні. Прототипом цього є газові запальнички, в яких газ загорається від утвореної іскри. Температура таких електричних icкop становить 1500…2500°С, а тому цілком природно, що вони можуть бути джерелом запалювання горючих речовин.

Іскровий розряд, часто спостерігається в природі, як блискавка. Блискавка – це розряд між двома зарядженими хмарами або між хмарою і землею. Носіями зарядів у хмарах є заряджені крапельки води або сніжинки.

У лабораторних умовах іскровий розряд можна отримати, якщо поступово збільшувати напругу між двома електродами, що знаходяться в атмосферному повітрі. При деякій напрузі виникає електрична іскра. При цьому іскровий розряд з величезною швидкістю пронизує розрядний проміжок. Іскра виникає в тому випадку, якщо напруженість електричного поля в газі досягає деякої певної величини, яка залежить від роду газу і його стану. Якщо, залишаючи напругу постійною, зменшити відстань між електродами, то напруженість поля в газовому проміжку буде збільшуватися і при певній відстані між електродами станеться іскровий розряд. Чим вище буде прикладена напруга, тим більше буде відстань між електродами, при якому відбудеться іскровий розряд. Свічення газу при іскровому розряді відбувається за рахунок виділення великої кількості енергії й нагрівання газу в іскровому проміжку до дуже високої температури Нагрівання газу відбувається швидко, тому різко зростає і тиск газу, що призводить до виникнення ударних хвиль. Це є причиною появи різних звукових ефектів при іскровому розряді: від потріскування в слабких розрядах до гуркотів грому при спалахах блискавки.

Іскроутворення дуже широко використовується в техніці запалення горючої суміші у двигунах внутрішнього згоряння. Для системи запалювання в автомобілях використовується висока напруга 20…25 кВ.

Для нормальної роботи бензинового двигуна потрібна система запалювання. Система запалювання автомобіля — це досить складна система приладів, що формує іскри в потрібний момент. Таку систему запалювання бензину застосовують і для двигунів, які встановлені на бензопилах, газонокосарках, бензинових генераторах, та на іншій техніці. На лініях електрозв’зку, електропередач для запобігання перенапруження використовуються іскрові розрядники.

На виробництві використовується електроіскрова обробка металів: свредління та різання твердих металів.

Іскровий розряд використовується також в спектральному аналізі для реєстрації заряджених частинок.

Іскровий розряд можна утворити і демонструвати, зробивши простий пристрій, який необхідно підключити до зарядженого конденсатора і підібрати такий проміжок між електродами, коли появиться іскровий розряд. Для цього досліду доцільно використати генератор потужного імпульсу, який був виготовлений раніше і детально описаний в статті: «Демонстрація електромагнітного прискорювача феромагнітної кульки». В генераторі потужного імпульсу конденсатори заряджаються до напруги 450 В. Як показує експеримент, зазор між електродами для утворення іскрового розряду при такій напрузі повинен мати, близько 0,1 мм, тобто досить мала відстань. Раптовий розряд великим струмом небезпечний для оксидних конденсаторів, тому в ланцюг розряду необхідно ввімкнути дротяний резистор на 1…5 Ом для обмеження розрядного струму, як це показано в конструкції пристрою на фото 1.

Фото 1. Пристрій для іскрового розряду

Для пристрою взято систему контактів і керамічну основу від реле типу РП4 (РП5, РП7). Лівий електрод (гвинтовий) є можливість зміщувати і виставляти необхідний зазор між ним і рухомим правим електродом в крайньому положенні, який приближається до лівого електроду при натискуванні кнопки з правої сторони корпусу. Між кнопкою і корпусом встановлена пружина і в початковому стані відстань між електродами максимальна. На фото 1 показано внутрішню «начинку» пристрою.

Поверх дротяного резистора встановлено дзеркальна пластина і корпус закривається пластиною з органічного скла. Зібраний пристрій, під’єднаний до генератора потужного імпульсу, показано на фото 2.

Фото 2. Пристрій для демонстрації іскрового розряду

При проведенні дослідів необхідно, щоб пристрій був закритим прозорим склом, що забезпечить безпеку досліду з високою (450 В) напругою. При проведенні досліду необхідно генератор потужного імпульсу ввімкнути в електромережу (~220 В)- натиснути кнопку «Заряд» на 10 секунд. Потім натиснути кнопку «Пуск» і утримувати її натиснутою пальцем лівої руки, а пальцем правої руки натиснути кнопку на пристрої іскрового розряду і при цьому правий електрод приблизиться до лівого електроду і станеться іскровий розряд.

Іскровий розряд досить потужний, і щоб показати його краще на фото, як вийняток, було знято захисне скло. Іскровий розряд супроводжувався гучним тріском. Утворений іскровий розряд показано на фото 3.

Фото 3. Демонстрація іскрового розряду

Якщо пристрій закритий пластиною органічного скла іскровий розряд менш ефектний, зате повна безпека досліду. В принципі, можна взяти корпус більших розмірів, тоді іскровий розряд буде краще видно і з закритою прозорою пластиною. При частому користуванні пристроєм, час від часу необхідно електроди зачищати наждачним папером, щоб зняти «окалину», при наявності якої потужність іскрового розряду зменшується.

Принципова електрична схема генератора потужного імпульсу для електромагнітного прискорювача феромагнітної кульки приведена на рис.1. Кнопка SB1 малої потужності, а кнопка SB2, в розрядному колі повинна витримувати великі струми. При ввімкненому в електромережу пристрої і натиснутій кнопці SB1 (на 5…10 сек) заряджаються конденсатори С1 і С2. Коли натискуємо кнопку SB2 і через повітряний проміжок буде протікати потужний струм від розряду конденсаторів. Схема досить проста і виготовити його може навіть юний електротехнік. Перед випробовуванням необхідно ретельно перевірити правильність зібраної схеми і вмикати в електромережу тільки під наглядом вчителя.

Зовнішній вигляд генератора потужного імпульсу для демонстрації електромагнітного прискорювача показано на фото 2. Габаритні розміри генератора потужного імпульсу: 110 × 160 × 35 мм.

Співавтори: Дмитро Бабин, Святослав Бабин

Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Індикатор магнітного поля

Виявляти магнітне поле дуже важлива і потрібна річ. Для цього є розроблено декілька методів. Для визначення параметрів магнітного поля застосовуються датчики магнітного поля.

Приладів детектування і вимірювання параметрів магнітного поля досить багато, від чого вони використовуються в багатьох сферах як чисто технічних, так і побутових. Ці детектори використовуються в системах, пов'язаних з завданнями навігації, вимірювання кута повороту і напрямку руху, визначення координат об'єкту, розпізнавання «свій - чужий» і т. д. Широка область застосування таких датчиків вимагає використання різних властивостей магнітного поля для їх реалізації.

• використовують ефект Виганда;

• магніторезистивні;

• індукційні;

• працюють на ефекті Холла;

Прилади з цими датчиками досить складні, а в якості індикатора магнітного поля найпростіше використати намагнічену стрілку, або оптичний індикатор (ОІ) налаштування на радіолампі типу 6Е1П. За допомогою оптичного індикатора можливо зафіксувати поля від постійних магнітів, а також змінні магнітні поля навколо електромагнітів, трансформаторів; по яких протікає змінний струм. Оптичний індикатор налаштування застосовується у всіх радіомовних лампових радіоприймачах 1 і 2-го класів, являє собою електронну лампу незвичайного виду. По конструкції ця лампа відрізняється тим, що, крім звичайних електродів, які керують невидимим електронним потоком, в ній є додатковий електрод - екран. Під дією електронного бомбардування цей екран світиться.

Ця лампа являє собою тріод з електронно-променевим індикатором. Якщо таку електронну лампу піднести до магніту, то електронний потік буде відхилятись, що буде наглядно видно на екрані.

Принципова електрична схема оптичного індикатора приведена на рис.1.

Конструктивно пристрій розділено на два вузла: радіолампа 6Е1П і резистори R1…R4, припаяні до ламелей панельки і блок живлення. Перший вузол має пластмасову коробочку невеликих розмірів, де і розміщуються монтаж резисторів. До пластмасової коробочки прикріплена пластмасова трубка довільної довжини. За допомогою зміни опору резистора R4 можливо підібрати товщину вертикального променя, але це робити не обов’язково.

Підключивши блок живлення в електромережу будемо спостерігати оптичний індикатор в первинному стані, що показано на фото 1.

Фото 1. Оптичний індикатор в первинному стані

Якщо піднесемо оптичний індикатор до магніту з сторони північного полюсу, то отримаємо зміну положення вертикального променя, як це показано на фото 2.

Фото 2. Викривлення променя ОІ при дії північного полюса магніту

Якщо піднесемо оптичний індикатор до магніту з сторони південного полюсу, то отримаємо зміну положення вертикального променя, як це показано на фото 3.

Фото 3. Викривлення променя ОІ при дії південного полюса магніту

Якщо оптичний індикатор піднести до силового трансформатора, або електромагніту, який знаходиться під змінним струмом, то промінь буде відхилятись в обидві сторони, що наглядно видно на фото 4.

Фото 4. Викривлення променя ОІ при дії змінного магнітного поля- оптичний індикатор розміщений над електромагнітом, подана змінна напруга 42 В (50 Гц)

Співавтори: Дмитро Бабин, Святослав Бабин

Джерело: Інтернет «Саморобні прилади з фізики» https://radio -ur5ydn.jimdofree.com/

Демонстрація іонної електропровідності скла

Провести демонстрацію іонної електропровідності скла дуже просто. Для цього беремо скляну трубочку, діаметром 6 мм (від піпетки) і по краях трубки намотуємо 20…30 витків оголеного мідного дроту, як це показано на фото 1. В коло вмикаємо електролампу на 26 В × 0,12 А і блок живлення на 26 В. При кімнатній температурі скло хороший ізолятор і електролампа не світить, що видно на фото 1.

Фото 1.

Нагрівають скляну трубочку в полум’ї сухого пального- при певній температурі спостерігається електропровідність скла і електролампочка засвічується, як це видно на фото 2. При охолодженні скляної трубочки електропровідність скла зникає.