Pokusy s piezoměničem

Oldřich Lepil

Rozvoj elektroniky a nových materiálů přináší řadu netradičních součástek, které můžeme využít při demonstračních i žákovských pokusech ve škole. Takovou součástkou je i samovybuzovací piezoměnič, který je již při malém stejnosměrném napájecím napětí (od 1,5 V) zdrojem intenzívního zvuku o frekvenci 3 kHz až 5 kHz (podle typu). Konstrukčně je piezoměnič zabudován do válcového pouzdra z plastického materiálu o průměru 30 mm a lze ho snadno pomocí šroubů, popř. nalepením namontovat na vhodný držák. Pro dále uvedené pokusy byl použit piezoměnič typu SK 900 53, jehož prodejní cena je cca 60 Kč. Namontován byl na destičku z umaplexu tloušťky 10 mm, opatřenou zdířkami pro připojení piezoměniče do elektrického obvodu. V destičce byl provrtán podélně otvor, který usnadňuje upevnění piezoměniče na stativu v potřebné výšce nad demonstračním stolem (obr. 1).

Ve školní experimentální technice najde piezoměnič použití všude tam, kde potřebujeme kvalitativně indikovat malé proudy v elektrických obvodech, které ještě nepostačují k tomu, aby se jimi rozžhavilo vlákno žárovky. A poněvadž jde o zvukovou indikaci, je samozřejmé, že piezoměnič najde uplatnění i v učivu akustiky.

Z řady pokusů s piezoměničem uvedeme tři typické příklady pokusů s kondenzátorem, s polovodičovými součástkami a se zvukovým vlněním.

1. Pokusy s kondenzátorem

Piezoměnič je velmi vhodnou pomůckou pro demonstraci vlastností kondenzátoru jednak v obvodu stejnosměrného proudu, jednak v obvodu střídavého proudu.

Pro demonstraci kondenzátoru v obvodu stejnosměrného proudu využijeme dobře dostupné elektrolytické kondenzátory o velké kapacitě řádově 10³ μF. Jestliže takový obvod zapojíme podle obr. 2 a např. k baterii 4,5 V, slyšíme po dobu řádově sekundy zvuk měniče, který postupně slábne, až zanikne. Příčinou tohoto efektu je nabíjecí proud, který se exponenciálně zmenšuje, a po nabití kondenzátoru již proud obvodem neprochází. Děj několikrát opakujeme zkratováním kondenzátoru a když zkratování periodicky opakujeme, slyšíme zvuk měniče nepřetržitě. To ilustruje funkci filtračního kondenzátoru v usměrňovači. Ukážeme také vybíjení kondenzátoru podle obr. 2b (musíme zaměnit polaritu přívodů k měniči). Je vhodné doplnit obvod ampérmetrem a sledovat průběh změn proudu v obvodu.

Stejným postupem demonstrujeme děje v obvodu střídavého proudu, v tomto případě využijeme možnosti vybudit piezoměnič také malým střídavým napětím (1 V) např. z tónového generátoru. Místo elektrolytického kondenzátoru ovšem použijeme kondenzátor svitkový s podstatně menší kapacitou (řádově 0,1 μF). Po připojení do obvodu stejnosměrného proudu se zvuk měniče neozve, ale v obvodu střídavého proudu o frekvenci blízké frekvenci jeho vlastního kmitání (3 kHz) slyšíme zvuk stejně jak v obvodu s kondenzátorem, tak v případě, že kondenzátor přemostíme vodičem. Tím dokazujeme malou kapacitanci kondenzátoru v obvodu střídavého proudu.

2. Pokusy s polovodiči

Při demonstraci vlastností polovodičových součástek použijeme piezoměnič jako indikátor proudu.

Velmi jednoduchá a působivá je demonstrace vlastností fotorezistoru podle obr. 3. Po zapojení obvodu slyšíme při nezakrytém fotorezistoru zvuk měniče. Jestliže fotorezistor překryjeme rukou, nebo lépe malou papírovou krabičkou, měnič přestane kmitat. To dokazuje, že ve tmě má fotorezistor mnohem větší odpor než při osvětlení.

Stejným způsobem můžeme také indikovat proud procházející polovodičovou diodou. Vzhledem k tomu, že vlastní odpor měniče je přibližně 1 kΩ, není třeba zařazovat do obvodu diody další rezistor, který by omezil proud v propustném směru.

Pro demonstraci funkce tranzistoru je vhodné použít výkonový tranzistor (např. KC11), jehož kolektorový proud může být řádově až 0,1 A, takže jako indikátor kolektorového proudu použijeme žárovku do kapesní svítilny. Při demonstraci nejprve ukážeme, že v sériovém spojení piezoměniče s žárovkou se vlákno žárovky nerozsvítí. Pak zapojíme piezoměnič do obvodu báze (obr. 4) a žárovku do kolektorového obvodu. Po připojení obvodu báze slyšíme současně zvuk a zářící žárovka dokazuje zesilovací funkci tranzistoru.

3. Pokusy z akustiky

Pro pokusy z akustiky potřebujeme především zjistit frekvenci zvuku piezoměniče, což samo o sobě představuje zajímavou úlohu pro žáky. Opomeneme-li přímé měření frekvence např. pomocí některého dostupného počítačového systému (IP Coach, ADDA Junior aj., viz např. [1]), nabízejí se v podstatě dvě možnosti.

První možnost představuje metoda nulových záznějů, pro kterou potřebujeme tónový generátor, k jehož výstupu připojíme malý reproduktor, nebo ještě lépe další piezoměnič. Zatím co piezoměnič připojený ke zdroji stejnosměrného napětí kmitá s vlastní frekvencí, piezoměnič připojený k výstupu tónového generátoru kmitá s nastavenou frekvencí. Jestliže se tato frekvence přiblíží k vlastní frekvenci prvního měniče, slyšíme zřetelné rázy a nastavením frekvence tak, aby frekvence rázů byla co nejnižší, popř. aby zanikla, zjistíme frekvenci vlastního kmitání piezoměniče.

Pokus je současně demonstrací rezonance. Pokud bychom k předcházejícímu experimentu použili reproduktor, bude intenzita zvuku při všech frekvencích přibližně stejná (s ohledem na proměnnou citlivost ucha). Jestliže použijeme piezoměnič, je zvuk nuceného kmitání poměrně slabý, v okolí vlastní frekvence piezoměniče se však výrazně zesílí a nastavením frekvence na hodnotu, při níž je intenzita zvuku maximální, zjistíme přibližnou hodnotu vlastní frekvence piezoměniče.

Druhý typický postup je založen na vybuzení stojatého vlnění v rezonátoru. Tento postup můžeme využít k měření frekvence na základě znalosti rychlosti zvuku, nebo naopak k měření rychlosti zvuku při známé frekvenci piezoměniče. Jako rezonátor použijeme např. trubku z PVC délky cca 0,5 m (viz [1]). Piezoměnič umístíme před ústím jednoho konce trubky a z druhé strany zasuneme do trubky kotouč z umaplexu jako píst (obr. 5). Píst je opatřen táhlem v podobě dostatečně dlouhé tyče, aby na ni bylo možné vyznačovat polohu pístu. Při měření píst nastavíme na začátek rezonátoru a vyhledáme polohu, při níž nastane rezonanční zesílení zvuku. Pak píst zvolna přesouváme k opačnému konci a podle opakujících se rezonancí určíme počet n půlvln stojatého vlnění připadajících na vzdálenost l mezi počáteční a konečnou polohou pístu. Ze vztahu , kde v je rychlost zvuku a f je jeho frekvence, určíme při známé rychlosti zvuku frekvenci a naopak při známé frekvenci rychlost zvuku.

Efekty spojené se superpozicí postupného a odraženého vlnění můžeme demonstrovat i bez rezonátoru. Stojaté vlny registrujeme již při odrazech zvuku s poměrně vysokou frekvencí od stěn učebny. Lépe je však ukážeme tak, že před piezoměničem pohybujeme rozměrnější deskou. Při přemísťování desky zřetelně slyšíme periodické zesilování a zeslabování zvuku.

Trubku z PVC použijeme také pro demonstraci platnosti zákona odrazu pro zvukové vlnění. Uspořádání pokusu je patrné z obr. 6. Piezoměnič umístíme na okraji trubky, jejíž opačný otevřený konec míří na rozměrnou desku (např. 0,5 x 0,5 metru). Deskou otáčíme a ve směru kolmém k ose trubky indikujeme odražený zvuk. V nejjednodušším případě odražený zvuk indikujeme sluchem. Aby indikace nebyla rušena interferenčními efekty, provádíme indikaci jen jedním uchem přivráceným směrem k desce. Sledujeme intenzitu odraženého zvuku a po nastavení desky do polohy, při níž má odražený zvuk největší intenzitu, ověříme např. pomocí pravoúhlého rovnoramenného trojúhelníku platnost zákona odrazu.

Literatura

[1] Lepil, O.: Demonstrujeme kmity netradičně, Prometheus, Praha 1996.