O příspěvku
Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky II
Abstrakt
V príspevku je prezentovaných niekoľko jednoduchých experimentov z rôznych oblastí fyziky, ktoré môžu pomôcť učiteľom spestriť vyučovanie fyziky na základnej, aj na strednej škole. Vo väčšine prezentovaných experimentov sa využíva v praxi často uplatňovaná súčiastka – svietiaca dióda (LED). Jednoduchosť použitých pomôcok umožňuje aj študentom zrealizovať si mnohé z uvedených pokusov samostatne a aktívne rozmýšľať nad fyzikálnym zdôvodnením týchto experimentov.
Školská fyzika a LED
Svetlo emitujúce diódy (LED) pozná každý. Nájdeme ich ako signálky na televízoroch, počítačoch, domácom kine i v mobile. Poblikávajú alebo svietia z kancelárií, meracích prístrojov i testerov. Pôvodne ich využívali predovšetkým systémy, u ktorých stačil malý svetelný výkon. To znamená prevažne elektrotechnické aplikácie, kde plnili prevažne úlohu svetelných kontroliek. Najznámejšie sú indikátory signalizujúce stav nabitia batérií resp. mieru pohotovosti daného spotrebiča (on/off – zelená/červená). Dióda emitujúca svetlo alebo tiež elektroluminiscenčná dióda či LED, je elektronická polovodičová súčiastka, ktorá využíva emisiu svetla na prechode P-N. Svetlo, ktoré je z LED diód vyžarované je takmer monochromatické, čo znamená, že má prakticky iba jednu vlnovú dĺžku danú šírkou zakázaného pásu polovodiča. Spektrálne pásmo žiarenia diódy je závislé na chemickom zložení použitého polovodiča. LED sa vyrábajú s pásmom vyžarovania od skoro ultrafialových, cez rôzne farby viditeľného spektra, až po infračervené pásmo. Na rozdiel od žiaroviek, ktoré sú schopné pracovať so striedavým aj jednosmerným napätím, LED zapojené nesprávnym spôsobom nepracujú. Keď je napätie na P-N prechode diódy zapojené správne, je zapojená v priepustnom smere a prechádza ňou prúd. Keď je dióda zapojená v závernom smere neprechádza ňou takmer žiaden prúd a ani nevyžaruje žiadne svetlo. LED v závernom smere znáša pomerne malé napätie a jeho prekročenie diódu zničí. V priepustnom smere je na dióde približne konštantný úbytok napätia (podľa typu a farby cca 1,5 až 3V). Dióda je preto obvykle napájaná cez predradný odpor. Prúd v priepustnom smere sa pohybuje od 1-2 mA u tzv. nízkopríkonových LED až 20 mA u štandardných LED. Prúdy vyššie než 1A sa vyskytujú len pri špeciálnych vysoko svietivých LED používaných v osvetľovacej technike. Medzi ich hlavné výhody z hľadiska využitia v rôznych zariadeniach a každodennom živote patria hlavne nasledovné:
• Produkujú viac svetla na watt energie než žiarovky (najmodernejšie vyše 100 lm/W), čo je užitočné v zariadeniach napájaných batériami, alebo v úsporných zariadeniach.
• Môžu vyžiariť svetlo v požadovanej farbe bez použitia zložitých farebných filtrov.
• Ich puzdro môže byť navrhnuté tak, aby sústreďovalo, alebo rozptyľovalo svetlo.
• Sú odolné voči nárazom.
• Sú ideálne na použitie v zariadeniach, kde dochádza k častému vypínaniu a zapínaniu zariadení, na rozdiel od žiaroviek, ktoré môžu pri častom zapínaní a vypínaní rýchlo vyhorieť.
• Výrobcovia udávajú, že LED diódy vydržia svietiť 50 až 100 tisíc hodín, čo odpovedá približne 10 rokom nepretržitého svietenia. To je asi 100krát viac než vydrží bežná žiarovka, ktorá je naviac omnoho náročnejšia na spotrebu elektrickej energie.
Prečo teda nevyužiť tieto súčiastky aj pri vyučovaní fyziky?
LED ako indikátor prechádzajúceho prúdu
V jednoduchých elektrických obvodoch, najmä pri zapojeniach na ZŠ používame obvykle ako indikátor prúdu žiarovku. Rovnako dobre však môžeme na tento účel použiť LED. Ak porovnáme výhody a nevýhody jednotlivých alternatív, v prospech diódy hovorí jej nižšia obstarávacia cena, nižšia elektrická spotreba a v prípade, že využívame farebnosť svetla, aj vyššia názornosť obvodu. LED má vyvedené dva kontakty, ktoré sa dajú ľahko zapájať do obvodu, kým kontakty žiarovky sú obvykle na pätici, takže jej zapájanie bez objímky je dosť nepraktické. Nevýhodou LED je, že pri zapájaní obvykle potrebuje ochranný rezistor. Na druhej strane študenti si môžu zautomatizovať poznatok o dohodnutom smere prúdu.
Poznámka: Ak nechceme kupovať drahé prepojovacie polia alebo letovať, môžeme využiť na zapájanie elektrických obvodov napríklad kúsok polystyrénu a špendlíky. Konce kontaktov súčiastok (rezistory, kondenzátory, diódy a pod.) a vodičov ohneme do očiek pomocou klieští, prípadne použijeme väčší klinec okolo ktorého kontakt ohneme, Potom súčiastky a vodiče prichytíme cez očká v kontaktoch na polystyrén pomocou 2-3 špendlíkov, ktoré nezapichujeme kolmo, ale šikmo. Na prichytenie jednej súčiastky stačí 1 špendlík do každého očka, na spojenie dvoch súčiastok zapichneme 2 špendlíky krížom proti sebe cez očká obidvoch súčiastok. V prípade uzla je dobré použiť tri špendlíky. [1]
LED ako indikátor zmeny smeru prúdu
Pri niektorých pokusoch z elektriny demonštrujeme fyzikálne javy, pri ktorých sa za určitých podmienok mení smer elektrického prúdu. Na tento účel môžeme tiež výhodne využiť LED. Ako príklad pokusu, v ktorom LED plnia úlohu indikátora prúdu v obvode a zároveň poskytujú informáciu o zmene veľkosti a smeru prúdu môže slúžiť pokus s nabíjaním a vybíjaním kondenzátora. Zapojíme proti sebe dve diódy, z ktorých jedna svieti červeno a druhá zeleno. Antiparalelne spojené diódy zapojíme cez ochranný rezistor do obvodu s kondenzátorom. Môžeme použiť prepojovacie pole. Po pripojení zdroja napätia sledujeme nabíjací prúd – svieti a postupne zhasína červená dióda. Zmeny intenzity svetla odpovedajú zmenám veľkosti nabíjacieho prúdu. Dióda sa intenzívne rozsvieti a postupne hasne. Po prepnutí prepínača behom vybíjania kondenzátora svieti druhá – zelená dióda, čo indikuje opačný smer prúdu pri vybíjaní. Takéto zapojenie dvoch LED môžeme využiť aj na demonštráciu obidvoch polarít prúdu, v prípade ich pripojenia na zdroj striedavého napätia, kedy budú svietiť obidve diódy. Ak využijeme toto zapojenie LED pri demonštrovaní javu elektromagnetickej indukcie – pri zasúvaní magnetu do cievky sa rozsvieti jedna dióda a pri jeho vysúvaní druhá.
Svietiaci ľad a LED
LED diódu môžeme využiť aj pri navonok efektnom pokuse, pri ktorom rozsvietime ľad. Budeme k tomu potrebovať: LED (bude dobre, keď si zvolíme vysoko svietivú), medený izolovaný drôt (asi 0,5 m), izolačnú pásku, nafukovací balónik, gumičku, nôž, kliešte a mrazničku. Z drôtu odstrihneme dva asi dvadsať centimetrové kusy a pomocou klieští odstránime na ich obidvoch koncoch asi 2 cm izolácie. Pripevníme takto upravené drôty k vývodom LED a vytvorené elektrické kontakty obalíme izolačnou páskou. Potom umiestnime toto elektrické zapojenie obsahujúce elektroluminiscenčnú diódu do balónika, tak aby konce drôtov vyčnievali von. Naplníme balónik vodou z vodovodného kohútika a zauzlíme resp. uzavrieme pevnou gumičkou. Potom umiestnime balónik s vodou na 24 – 48 hodín do mrazničky. Keď voda zamrzne, nožom rozrežeme balónik a vyberieme ľadovú guľu. Keď pripojíme konce drôtov k napätiu 3V (spojíme dve tužkové batérie) guľa sa krásne rozsvieti a pripomína žiariacu krištáľovú guľu. Kryštálová štruktúra ľadu spôsobuje, že vnútri pevného ľadu sa svetlo odkláňa rôznymi smermi a odráža sa na početných ľadových plôškach. Pokiaľ by guľa nesvietila pomýlili sme si polaritu vývodov a treba ich ku zdroju napätia pripojiť opačne. Môžeme použiť aj plochú 4,5 V batériu vtedy ale treba medzi ňu a LED zapojiť ochranný odpor asi 120 Ω. [2]
LED ako zdroj elektrickej energie
Skutočnosť, že polovodičová dióda po osvetlení predstavuje zdroj elektrickej energie, môžeme tiež demonštrovať pomocou LED. Keď osvetlíme LED intenzívnym zdrojom svetla a jej vývody pripojíme k digitálnemu voltmetru, nameráme celkom zaujímavé napätia. My sme namerali v prípade zelenej LED osvetlenej halogénovou žiarovkou 20 W napätie okolo 1 V. Viacej informácií poskytuje príspevok [3].
Vedenie elektrického prúdu v elektrolytoch
LED ako indikátor zmien prúdu v obvode
V prípade prechodu elektrického prúdu elektrolytom môžeme tiež využiť LED ako indikátor zmien veľkosti prúdu v obvode. So zmenou nasýtenia roztoku, vzájomnej vzdialenosti elektród, prípadne plochy ponorenej časti elektród sa mení intenzita svetla diódy, čím nám signalizuje zmeny veľkosti prúdu v obvode.
Oerstedov pokus
Aj keď mechanizmus vedenia elektrického prúdu v elektrolyte je odlišný od situácie pri kovových vodičoch, jeho základné prejavy sú totožné. Magnetické účinky elektrického prúdu prechádzajúceho elektrolytom môžeme demonštrovať známym Oerstedovým pokusom. Po priblížení magnetky kompasu sa táto vychýli na jednu alebo na druhú stranu v závislosti od smeru prúdu v elektrolyte. Vytvorenie analógie známeho Oerstedovho pokusu s použitím vodiča pozostávajúceho z elektrolytu prináša zo sebou niekoľko technických problémov. Najväčším je samotná realizácia takéhoto vodiča. Na realizáciu pokusu s magnetkou potrebujeme úsek vodiča s dĺžkou najmenej 15 – 20 cm, ktorým prechádza ustálený prúd okolo 500 mA. Najväčšou prekážkou je vodivosť samotného elektrolytu, ktorá je rádovo nižšia ako vodivosť kovových vodičov. Použijeme preto elektrolytický vodič s veľkým prierezom a magnetku umiestnime blízko neho, aby magnetické účinky na magnetku boli čo najväčšie aj pri malej hodnote pretekajúceho prúdu.
Použijeme:
1. Zdroj elektrického prúdu, najlepšie laboratórny regulovateľný zdroj do 30 V s maximálnym prúdom aspoň 500 mA.
2. Spojovacie vodiče, izolované, zakončené krokosvorkami.
3. Elektródy – najlepšie sa osvedčili olovené pliešky (dajú sa použiť aj hliníkové ale s menším efektom).
4. Elektrolyt – po vyskúšaní viacerých kombinácií materiálu elektród a elektrolytu sa ako najlepšie javí použitie roztoku kuchynskej sódy ( NaHCO3).
5. Plastovú fľašu od minerálky ako nádobu na elektrolyt.
6. Malý kompas alebo magnetku, ktorá sa dá umiestniť čo najbližšie (prípadne vhodnú nádobku, do ktorej sa dá umiestniť kompas tak, aby plával na hladine vody.)
Poznámka: Celý problém výberu materiálu elektród a elektrolytu spočíva v tom, že musíme použiť čo najdostupnejšie materiály. Problémom elektród je, že sú z neušľachtilého materiálu ktorý reaguje s produktmi vylučovanými pri elektrolýze, pričom sa do roztoku uvoľňujú rôzne produkty tejto reakcie, plocha elektród sa pokrýva bublinkami vylučovaného plynu (pozor na horľavosť a výbušnosť vodíka!) alebo vrstvičkou nerozpustných zlúčenín, čo znižuje účinnú plochu elektród a zapríčiňuje pokles prúdu prechádzajúceho elektrolytom. Zloženie elektrolytu (a aj jeho koncentrácia) ovplyvňuje jeho vodivosť, čo je v našom prípade dosť dôležitá veličina.
Postupujeme nasledovne: z plastovej fľaše si pripravíme nádobu na elektrolyt tak, že do nej v hornej časti vyrežeme otvor, aby vznikla akási vanička. Do takto vzniknutej nádoby nalejeme elektrolyt, ktorý pripravíme rozpustením jedlej sódy v obyčajnej vode. Do fľaše pri jej oboch koncoch vložíme elektródy očistené šmirgľovým papierom. K elektródam pomocou krokosvoriek pripojíme vodiče, ktoré druhým koncom zapojíme na zdroj napätia. Kompas umiestnime čo najbližšie k nádobe s elektrolytom (prípadne ho umiestnime do malej nádoby, aby voľne plával na hladine medzi elektródami). Celú nádobu otočíme tak, aby os magnetky bola rovnobežne s osou nádoby s elektrolytom (bez prúdu). Po zapnutí zdroja elektrického prúdu pomaly zvyšujeme napätie, pokým sa magnetka nevychýli z pôvodnej polohy. Po prepólovaní zdroja môžeme pozorovať výchylku magnetky na opačnú stranu. [4]
Potenciálové hladiny v elektrolyte
Vlastnosti kvapalného prostredia elektrolytu umožňujú realizovať aj niektoré efektné experimenty demonštrujúce rozloženie elektrického poľa vnútri elektrolytu a umožňujúce názorne objasniť pojmy elektrický potenciál a elektrické napätie. Ak pripojíme zdroj elektrického prúdu na elektródy, ponorené do elektrolytu, vytvorí sa medzi elektródami elektrické pole s intenzitou rovnou pomeru napätia zdroja a vzdialenosti elektród, pričom smer vektora intenzity elektrického poľa je rovnobežný so smerom spojnice medzi elektródami. Pomerne jednoducho možno dosiahnuť intenzitu elektrického poľa v elektrolyte okolo 2 V/cm pri prúde niekoľko mA.
Použijeme:
1. Plastovú nádobu na elektrolyt.
2. Regulovateľný zdroj napätia do 30 V.
3. Elektrolyt - stačí aj obyčajná voda z vodovodu.
4. Elektródy z ľubovoľného materiálu, spojovacie vodiče.
5. Niekoľko LED.
Do nádoby na elektrolyt nalejeme obyčajnú vodu z vodovodu. Vložíme elektródy a pripojíme ich na zdroj napätia. Zoberieme LED a ich vývody roztiahneme smerom od seba. Zapneme zdroj a postupne zvyšujeme napätie. Keď, do elektrolytu pod napätím vložíme niekoľko LED, tieto sa v elektrolyte rozžiaria podľa toho, ako sú orientované ich vývody vzhľadom na smer intenzity elektrického poľa. Najjasnejšie budú svietiť tie, ktorých vývody sú orientované rovnobežne so smerom intenzity elektrického poľa (v smere najväčšieho spádu potenciálu) a samozrejme v správnej polarite. Na zdroji nastavíme napätie, pri ktorom je jas diód optimálny. Diódy môžeme otáčať a pozorujeme, že ich jas sa postupne znižuje, až zanikne, ak sú ich vývody orientované kolmo na smer intenzity elektrického poľa. Vzhľadom na spomenutú veľkosť intenzity elektrického poľa, ktorú sa nám v elektrolyte podarí vytvoriť, je rozdiel potenciálov medzi prívodmi LED dostatočný na jej rozsvietenie bez toho, aby bola nejako pripojená k zdroju napätia. [4]
Záver
Uvedené námety prezentujú len niekoľko z príkladov uplatnenia LED vo vyučovaní fyziky. Verím, že poslúžia učiteľom ako námety pre spestrenie vyučovania, ale hlavne ako inšpirácia pre vlastné experimentovanie.
Literatúra
[1] http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~ciganik/elektronika/pomoc.htm
[2] http://www.debrujar.cz/php/view.php?cisloclanku=2009070301
[3] Hubeňák J.: LED a laser. http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/Veletrh_05/05_13_Hubenak.html
[4] Lazúr M.: Experimenty s vedením elektrického prúdu v elektrolytoch. In: Zborník príspevkov zo seminára Aktivity vo vyučovaní fyziky 7. Ed.: Horváth P. FMFI UK Bratislava 2006. s. 110-114