Z práce laboratoře mladých fyziků na PřF MU
V tomto příspěvku představíme dvě měření, která jsme uskutečnili v rámci Laboratoře mladých fyziků. V prvním měření jsme se zabývali rozložením elektromagnetického záření v mikrovlnné troubě. Druhé měření se týká zateplování panelových domů, kde jsme porovnávali jsme povrchovou teplotu zateplené i nezateplené části.
Studium 3D rozložení záření v mikrovlnné troubě
V tomto experimentu jsme se zabývali otázkou, jak jsou v mikrovlnné troubě prostorově rozloženy kmitny a uzlové body.
Historie
Tepelné účinky mikrovlnného záření zjistil v podstatě náhodou Američan Percy Lebaron Spencer v roce 1946, když zdokonaloval magnetron z vojenského radiolokátoru a v kapse se mu rozpustila tabulka čokolády. Již v roce 1947 byla na trh uvedena první mikrovlnná trouba, byla však velmi drahá a vážila kolem 400 kg, proto byla využívána spíše v restauracích a zaoceánských lodích. Mikrovlnné trouby určené pro domácnosti se začaly objevovat až v šedesátých letech, kdy se je podařilo zmenšit na v domácnosti použitelnou velikost a zlevnit tak, aby byly dostupné širší veřejnosti. I když jsou dnes mikrovlnné trouby součástí většiny domácností, pořád se pracuje na jejich zdokonalování, především na rovnoměrném ohřevu obsahu.
Princip
Nejdůležitější součástí mikrovlnné trouby je magnetron, generátor mikrovlnného záření. To v mikrovlnce dosahuje frekvence 2,45 GHz, která je blízká rezonanční frekvenci některých molekul, např. vody. Vnitřek mikrovlnné trouby je vyroben z kovu, ten nepropustí mikrovlnné záření ven a díky vnitřním rozměrům trouby, které odpovídají násobkům vlnové délky záření o frekvenci 2,45 GHz (tj. 12,24 cm), vzniká uvnitř trouby stojaté vlnění. Na polaritu vlnění reagují polární molekuly, které sledují její změnu, rotují při tom a ohřívají své okolí třením. Nejvýraznější změna polarity je v kmitnách vlnění, zde proto vznikají teplotní maxima, naopak v uzlech stojatého vlnění se teplota téměř nezvyšuje. Toto nerovnoměrné rozložení se výrobci snaží řešit různými způsoby, např. umístěním ohřívaného pokrmu na otočný talíř, nebo použitím vlnění o dvou různých frekvencích, čímž se zvyšuje počet maxim.
Měření
Naše měření jsme založili na předpokladu, že v místech kmiten bude teplota nejvyšší, zatímco v místech uzlových bodů se teplota zvýší jen nepatrně.
Teplotu lze snímat několika metodami. Nejjednodušší je použití termocitlivé fólie. Ta dokáže poskytnout informace o rozložení teploty od kmitny až k uzlovému bodu, bohužel však není příliš vhodná pro zjišťování poloh kmiten samotných, jelikož při manipulaci s ní dochází ke zkreslení naměřených hodnot, fólie velmi rychle chladne a data se z ní ztrácí. Další nevýhodou této metody je možnost v jednom měření zaznamenat informace pouze v jednom řezu, neboli, pokud chceme získat představu o prostorovém rozložení kmiten, jsme nuceni experiment mnohokrát opakovat a fólii pokaždé umístit do jiné polohy (z důvodu chladnutí nemusí být pak data z jednotlivých měření srovnatelná).
Proto jsme se rozhodli použít papír pokreslený speciálním inkoustem[1], který při zahřátí na 60°C zmizí. Oproti předchozí metodě data, která jednou naměříme, zůstanou na papíře již natrvalo a není tedy nutné velmi rychlé vyhodnocení, což nám umožňuje měřit zároveň v několika vzájemně rovnoběžných řezech mikrovlnnou troubou. V našem případě jsme papíry prokládali 2cm vysokou vrstvou polystyrenu, neboli po jednom měření jsme získali vodorovné nebo svislé řezy prostorem s rozestupy 2cm (viz obr 1).
Obr. 1: Rozložení měřících papírů v mikrovlnné troubě pro zaznamenání vodorovných a svislých řezů mikrovlnným polem
Bohužel oproti použití termocitlivé fólie nezískáme přesné informace o teplotě, ale pouze hranici míst, ve kterých teplota překročila 60 °C. Při měření je dobré si na každém papíru zvolit nějaký bod, od kterého budeme polohy jednotlivých kmiten určovat, a poté při následné přípravě experimentu dbát na správné sesazení těchto bodů (důležité, pokud budeme chtít data ze všech řezů vynést do společného souřadného systému).
Obr. 2: Naměřená data
Zpracování dat
Pro lepší představu o skutečné podobě pole v mikrovlnné troubě je vhodné naměřená data následně dále zpracovat do prostorového modelu. Nejjednodušší možností je překreslení hranic na průhledné fólie nebo skla a následné složení do prostorové podoby (zde se bohužel obtížně realizuje případ, kdy budeme chtít v daném modelu znázornit jak vodorovná tak svislá data). Další možností je vytvoření modelu např z polystyrénu. My jsme se rozhodli pro zpracování dat na počítači pomocí programu Blender[2].
Nejdříve byly veškeré papíry s daty nascanovány a pomocí editoru obrázků byla na ně přidána čtvercová síť. Poté se pomocí této sítě se postupně jeden řez po druhém překreslil v programu Blender do prostorového modelu (na webu Laboratoře mladých fyziků – www.physics.muni.cz/~lmf je dostupný celý model v elektronické podobě *.blend a jeho interaktivní verze – umožnuje prohlížení bez nutnosti instalovat program Blender).
Obr. 3, 4: Detaily některých kmiten
Vyhodnocení experimentu
Na modelu je možné vypozorovat určitou pravidelnost stojatého vlnění a možná i odhadnout jeho vlnovou délku (z horní části, kde není pravidelnost ovlivněna různými odrazy – magnetron byl v této mikrovlnné troubě umístěn právě zde). Bohužel však zde můžeme vidět i nejrůznější chyby měření (např. kmitny zobrazené pouze ve svislém nebo vodorovném směru).
Obr. 5: Jeden z pohledů na vytvořený počítačový model – jeden dílek sítě zde představuje 1 cm
Měření povrchové teploty budov
V laboratoři nás zajímalo, jak se přesně projeví zateplení panelových domů na izolačních vlastnostech zdí. Zvolili jsme měření teploty různých míst obvodové zdi bezdotykovým infračerveným teploměrem. Teplotu jsme měřili zvnějšku i zevnitř. Nakonec jsme porovnali hodnoty naměřené na zateplené a na nezateplené části.
Při použití infračerveného teploměru jsme si museli dát pozor na emisivitu měřených povrchů. Teploměr naměří intenzitu infračerveného záření dopadajícího na senzor a poté provede výpočet teploty s použitím zadané emisivity, tedy poměru vyzářeného a odraženého záření. Ta je pro nekovové neprůhledné povrchy velmi blízká jedné, tedy emisivitě absolutně černého tělesa. Pro sklo nebo nenatřené ocelové zábradlí je však již výrazně jiná. Pro leštěné kovy dosahuje dokonce hodnot blízkých nule.
Tabulka emisivit
| barva |
0,96 |
| asfalt |
0,93 |
| papír |
0,93 |
| sklo |
0,92 |
| omítka |
0,92 |
| cihla |
0,90 |
| beton |
0,85 |
| písek |
0,76 |
| leštěná ocel |
0,07 |
| leštěná měď |
0,03 |
Pro povrchy s hodnotou emisivity v rozsahu jedné desetiny můžeme klidně nechat na teploměru nastavenou střední hodnotu, rozdíl naměřených teplot je zanedbatelný.
Měření
Měření jsme provedli 8. ledna 2009 v 17 hodin na sídlišti Oblá. Měli jsme přístup do bytu, který byl právě z jedné strany zateplený a z druhé ne. Teplota v bytě byla 20,5°C, venkovní -14,5°C, rychlost větru téměř nulová. Bezvětří bylo pro naše měření velmi důležité, vítr by nám ochlazoval zdi a měnil výsledky.
Naměřené hodnoty:
| Obvodová zeď zateplená - zvenku |
-15,0 °C | |
| Obvodová zeď zateplená - zevnitř |
19,6 °C | |
| Obvodová zeď nezateplená - zvenku |
-11,0 °C | |
| Obvodová zeď nezateplená - zevnitř |
17,1 °C | |
| pro zajímavost: |
|
|
| Sklepní okénko – dvojité |
-10,0 °C | |
| Sklepní okénko – jedno sklo rozbité |
-5,0 °C | |
| Plastové okno |
-11,0 °C |
Závěr
U zateplené obvodové zdi se naměřené povrchové teploty velice blížily teplotám okolního vzduchu, zatímco u nezateplené zdi jsme naměřili významný rozdíl teploty zdi a vzduchu. Tento rozdíl byl způsoben prostupem tepla, potvrzuje tedy předpoklad špatných tepelně izolačních vlastností betonové zdi. Z naměřených rozdílů celkem jasně vyplývá, že zateplení výrazně zlepší izolační vlastnosti obvodových zdí.
[1] http://www.pilotpen.cz/Zbozi.aspx?zboziID=667
[2] http://www.blender.org