Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Hubeňák J.

Abstrakt

Termovize se stala běžně používaným nástrojem pro sledování úniků tepla a termo-snímky dokladují účinky tepelné izolace budov. Termokamera je dostupná i pro školu. Snímky pořízené termokamerou mohou napomoci při výuce fyziky na základní i střední škole.

Objev infračerveného záření

Infračervené záření objevil sir Frederick William Herschel (narozen 15. listopadu v Hannoveru, zemřel 25. srpna Slough, Berkshire, Spojené království). Je znám především jako astronom a vynikající konstruktér zrcadlových dalekohledů. Největším byl dalekohled s ohniskovou vzdáleností 12 m, kterým Herschel 28. srpna 1789 objevil Saturnův měsíc Enceladus. Tento dalekohled je znázorněn na Gold Medal udělované Královskou astronomickou společností. Objev infračerveného záření pochází z roku 1800, kdy Herschel pomocí teploměrů se začerněnou baňkou zkoumal v hranolovém spektru slunečního světla barevnou složku, která přináší nejvíce tepla. Ukázalo se, že i v oblasti za červeným okrajem spektra narůstá teplota teploměru. Záření je pro lidské oko neviditelné a název odpovídá umístění ve spektru.

Vlastnosti infračerveného záření

Viditelné elektromagnetické záření má vlnové délky v poměrně malém intervalu – 760 nm až 400 nm. Infračervené záření zabírá podstatně větší interval a dnešní aplikovaná fyzika je mnohostranně využívá.

Infračervené záření se dělí na jednotlivá pásma:

- blízké (near) infračervené záření neboli NIR (vlnová délka 0,76–1,4 µm) často používané v telekomunikacích optických vláken,

- IR krátké vlnové délky (short wave) neboli SWIR (1,4–3 µm), při 1450 nm značně roste vodní absorpce,

- IR střední vlnové délky (medium wave) neboli MWIR (3–8 µm),

- IR dlouhé vlnové délky (long wave) neboli LWIR (8–15 µm),

- vzdálené (far) infračervené záření neboli FIR (15–1000 µm).

Viditelné světlo má poměr nejdelší a nejkratší vlnové délky pouze 0,76 : 0,4. Záření infračervené má tento poměr 1000 : 0,76; rozsah je o tři řády větší.  

Bolometry

Rezistivita vodivých a polovodivých materiálů závisí na teplotě a ta se absorpcí záření zvyšuje. Typickým materiálem bolometrů je např. oxid vanadičitý VO2 . Pro termovizi jsou dnes používány snímače obrazu, tzv. mikrobolometrická pole, založená na křemíku a technologii používané pro výrobu integrovaných obvodů. Nad substrátem jsou umístěny obdélníky z materiálu pohlcujícího infračervené záření a ke sběrnicím jsou připojeny pomocí úzkých můstků. Část záření, které prošlo, je odraženo zpět reflexní vrstvou; tím se zvyšuje citlivost snímače. Elektronika snímače poté připojuje řádek po řádku jednotlivé mikrobolometry ke zdroji konstantního napětí a snímá prošlý proud.

Termokamera

Existuje řada dostupných termokamer v cenové hladině desítek tisíc Kč. Poněkud dražší je termokamera FLIR T335, která má snímač 320 x 240 pixelů a spektrální rozsah v intervalu 7,5 µm až 13 µm. Materiál termooptiky výrobce neudává. Pravděpodobně jde o germaniové sklo, které má vyšší index lomu a používá se spolu s křemenným sklem také pro výrobu optických vláken. Germanium má v infračervené oblasti index lomu n = 4.  Ve výklopné části jsou dva objektivy – viz obrázek 3. Relativně malý počet snímků za sekundu (frekvence obnovování) nedává možnost natáčet přímo „termovideo“. Bohaté softwarové vybavení dovoluje snímky analyzovat z mnoha hledisek, např. vyhledat oblast s daným intervalem teplot nebo kombinovat vizuální snímky s termosnímky.

Několik experimentů pro začátek

Co kamera vidí a nevidí

V přenosu dat, v ovladačích a v bezpečnostních systémech se používají infračervené LED s vlnovou délkou přibližně od 880 nm do 940 nm.  Jak je zaznamená termokamera? K dispozici byl infračervený osvětlovač s 26 infradiodami a čtyřmi LED červenými. Napájen je ze zdroje 13,8 V a celkový proud je 73 mA. Příkon osvětlovače se částečně mění na světlo (asi 25 %) a zbytek na teplo. Celkový příkon je 1 W a tepelný výkon asi 0,75 W.

Snímek ukazuje mírné zvýšení teploty v blízkosti LED, ale samotné infrazáření ledek termokamera nezachytí. Důvod je v intervalu vlnových délek dostupných pro kameru: oblast  7,5 - 13 µm je velmi vzdálená od záření ledky na cca 0,9 µm. Záření ledky je ale schopna zaznamenat videokamera – viz obr. 5.

Je zřejmé, že blízké infrazáření videokamera na denním snímku zaznamená s nižší intenzitou. V nočním snímku je patrný svit červených ledek, infraledky jsou vidět lépe.

Zaznamená termokamera jen záření z povrchu tělesa nebo vidí dovnitř?

Odpověď poskytne další dvojsnímek. Vlevo je vizuální pohled na stolní lampu s halogenovou žárovkou 50 W, vpravo táž žárovka snímaná termokamerou. Termosnímek má vložen jeden měřicí bod a naměřená teplota odpovídá povrchové teplotě právě rozsvícené žárovky.

Termokamera si automaticky nastavuje rozsah a na barevném sloupci je zobrazena i maximální teplota v celém snímku.

Rozliší kamera i malou odchylku povrchové teploty?

Vlevo je vidět keramický obklad, na nějž byla položena dlaň. Teplota v místnosti byla 29°C a teplota povrchu dlaně 35,2°C. Dlaň byla přitisknuta asi 20 s, snímek pořízen 10 sekund poté.  Zřetelná termostopa dokazuje citlivost termokamery.

Podívejme se na šíření tepla v kovech

Ocelová (dole) a měděná trubka (nahoře) s průměry 6 mm jsou zahřívány plamenem lihového kahanu a díky odsazení od svislé roviny proniká plamen k oběma trubkám přibližně stejně. Po minutě zahřívání je zřejmé, že prohřátí postoupilo v mědi dále než v oceli. Počátek ocelové trubky se ohřál na vyšší teplotu.  Měřicí bod ukazuje teplotu keramického obkladu.

Jak se zahřívá voda v čajové konvici?

Čtyři snímky sledují ohřev vody do varu. Zdrojem tepla je plynový vařič. Na počátku je plamen zhasnut, na konvici je vidět odrazy tepelného záření na skle a kovovém proužku držáku. Voda vaří po deseti minutách a na snímku posledním je konvice odstavena z vařiče, vedle kádinka se studenou vodou a do ní byla opatrně po stěně dolita vrstva teplé vody. Efekt je patrný – teplá zůstává nahoře. Tepelné záření se odráží na skle kádinky a také na keramickém obkladu v pozadí snímku. Také je znát, jak rychle poklesla teplota kovového pásku držáku konvice.

… a něco navíc

Elektrický proud zahřívá vodič. Je-li proudová hustota \(\vec{j} = \gamma \vec{E} \) funkcí souřadnic, budou se různá místa na plochém vodiči zahřívat různě a vznikne teplotní pole. K experimentu byla použita tenká deska tvaru čtverce o straně 15 cm a kruh se stejným průměrem. Vzorky jsou z ocelového pocínovaného plechu s tloušťkou 0,3 mm. Pokus byl neúspěšný – teplo vznikalo především na přechodovém odporu mezi svorkami a plechem. Termokamera poskytla pouze nevýrazné snímky, i když byl použit proud od 6 až 25 A.

Vzorky byly využity jinak. Ve fyzikálním praktiku bývá tradičně zařazena úloha s ekvipotenciální vanou. Tady se nabízí měření bez elektrolytu.

Vzorek byl napájen přes reostat 0,64 Ω ze zdroje proudem 6 A a mezi svorkami bylo napětí 3,0 mV. Hrot černého vodiče od voltmetru musí být přitisknut k patě modré svorky; nelze měřit na svorce nebo na přívodním vodiči. Pak stačí zvolit hodnotu potenciálu a hrotem červeného vodiče vyhledat body na ekvipotenciální čáře.

Řešení Maxwellových rovnic s okrajovými podmínkami není právě jednoduché. Na obou obrázcích je patrné, že ekvipotenciální křivky končí u okrajů kolmo. Studenti mohou najít příčinu tohoto jevu.

Technická poznámka: jako milivoltmetr lze použít digitální multimetr. Tady vyhověl letitý přístroj PU 510. Levné nové multimetry mohou mít problém v neustálých změnách poslední číslice na displeji.

Literatura

[1] http://cs.wikipedia.org/wiki/William_Herschel

[2] http://www.elektrorevue.cz/clanky/03015/index.html