Světloemitující diody (LED) jako indikátory průchodu elektrického proudu

Jan Tokar

překlad: Růžena Kolářová

Při některých pokusech z elektřiny je potřebné demonstrovat fyzikální jevy, při kterých se za určitých podmínek mění směr elektrického proudu. K tomu účelu se všeobecně používají galvanometry s nulou uprostřed. Často jich nemáme dost a pak je můžeme nahradit světloemitujícími diodami, s tím že žákům předem objasníme, jakou roli mohou mít LED v obvodech s elektrickým proudem. Diody jako polovodičové prvky jsou všeobecně používané, takže je lze snadno získat (krom jiného bez větších finančních nároků vzhledem k jejich nízké ceně).

Chci ukázat několik pokusů, ve kterých diody plní nejen roli indikátoru průchodu proudu v obvodu, ale poskytují také informace o změně velikosti a směru proudu.

1. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru

Abychom ukázali charakteristické rysy jevu nabíjení a vybíjení kondenzátoru zapojíme proti sobě dvě diody, z nichž jedna může svítit červeně a druhá zeleně (obr. 1a).

Takto spojené diody zapojíme do obvodu s kondenzátorem (obr. 1b). Nabíjecí proud pozorujeme po uzavření tohoto obvodu. Svítí přitom a pak hasne dioda, např. zelená. Změny intenzity světla jsou shodné se změnami velikosti nabíjecího proudu (exponenciální křivka). Dioda se proto intenzivně rozsvěcuje, ale hasne pomalu. Během vybíjení kondenzátoru (obr. 1c) se rozsvěcuje červená dioda a potom hasne. I v tomto případě je rozsvěcování intenzivní, ale hasnutí probíhá pomalu, což je shodné se změnami vybíjecího proudu, který má opačný směr než nabíjecí proud.

Abychom si usnadnili demonstrační pokus na vybíjení a nabíjení kondenzátoru můžeme použít montážní desku. Na desce je nakreslené schéma obvodu (obr.2) a pevně jsou zapojeny rezistor a přepínač. K desce připojíme součástky znázorněné na obr. 1b, tj. kondenzátor, zdroj napětí a diody zapojené proti sobě. Nabíjení kondenzátoru nastane, když přepínač je v poloze A, a vybíjení v poloze B.

Světloemitující diody využijeme i k jiným pokusům. Abychom si usnadnili jejich používání je dobré je upevnit na montážní desku shodně se schématem na obr. 3.

2. Jev elektromagnetické indukce

a) Obvod sestavíme podle obr. 4. Během zasunování magnetu do cívky se rozsvítí např. červená dioda, když ho vytahujeme - zelená dioda. Změna pólů magnetu vyvolá změnu postupného rozsvěcování diod: zelená svítí při zasunování magnetu do cívky a červená, když magnet z cívka vytahujeme. Zůstane-li magnet nehybný, žádná z diod se nerozsvítí. Je možné také pozorovat vliv rychlosti pohybu magnetu na intenzitu světla diod.

b) Model generátoru střídavého proudu získáme, když zapojíme obvod podle schématu na obr. 5. Magnet zavěsíme na niti kyvadla. Po uvedení kyvadla do pohybu, vyvolá magnet indukovaný proud měnícího se směru. Tento fakt signalizuje střídavé rozsvěcování červené a zelené diody.

c) Ověření platnosti Lenzova zákona při jevu elektromagnetické indukce můžeme pozorovat v zapojení, jehož schéma je na obr. 6. Při uzavírání primárního obvodu se v sekundárním obvodu rozsvítí např. dioda červená, a během otvírání primárního obvodu zelená dioda.

3. Vedení proudu elektrolyty

Jako indikátoru proudu v obvodu a změn jeho velikosti použijeme diody podle obr. 7. Změny intenzity světla diody se změnou nasycení roztoku a vzájemné vzdálenosti elektrod signalizují změny velikosti proudu. Obvodem sestaveným podle obr. 7 můžeme demonstrovat zkoumání vedení proudu elektrolyty umožňující formulaci kvalitativních závěrů.

4. Zařízení na „pumpování napětí“

Pokus „pumpování napětí“ můžeme žákům zadat jako experimentální úlohu na předvídání nebo vysvětlení jevu (efektů pokusu), jaké pozorujeme při vykonávání následující činnosti. Obvod skládající se z kondenzátoru, voltmetru, světelné diody a vysokonapěťové cívky z rozkladného transformátoru zapojíme podle schématu na obr. 8. Pozorujeme, že během zasunování jednoho z pólů magnetu do cívky napětí na voltmetru pomalu roste do určité hodnoty a neklesá, když magnet vysuneme. Opakování téže činnosti způsobí další růst napětí. Roste tím rychleji, čím rychleji „pumpujeme“. Po určité době dosáhne napětí maximální hodnotu a přes naše další „pumpování“ se už nemění

5. Vliv teploty na funkci polovodičové diody

Libovolnou polovodičovou diodu spojíme se zdrojem střídavého napětí podle schématu na obr. 9. Po uzavření obvodu se rozsvítí jen LED, např. červená. Se zahříváním (např. páječkou) diody „usměrňovače“ ztrácí tato dioda svoje usměrňovací vlastnosti, což pozorujeme rozsvícením se druhé LED, např. zelené.