Přístroje spotřební elektroniky ve školní experimentální technice

Oldřich Lepil

Současný přístup ke školním demonstracím charakterizují na jedné straně nejrůznější moderní elektronické měřicí systémy převážně ve vazbě na počítač a na druhé straně využívání předmětů denní potřeby ke konstrukcím demonstračního zařízení. Pro tento trend se dokonce vžil termín „low-cost“ experiment, zatímco první tendence je také označována jako koncepce „high-tech“. V tomto příspěvku si ukážeme několik experimentů, popř. žákovských měření, v nichž se spojují obě uvedené tendence.

Nahlédneme-li do nabídkových katalogů firem, které se zabývají prodejem spotřební elektroniky, najdeme zde řadu přístrojů a zařízení určených pro domácnost, které lze velmi dobře využít i ve školní experimentální technice. Jednou z firem na našem trhu, jejíž nabídka patří k nejrozsáhlejším, je německá firma se zásilkovým prodejem Conrad (u nás má sídlo v Boru u Tachova). Z mnoha nabízených přístrojů jsem vybral tři: 1. Elektrický wattmetr EKM 265 (cena 1 149 Kč), 2. Digitální ponorný teploměr TempTec (cena 469,90 Kč), 3. Dálkové ovládání Waveswitch 101 (cena vysílače 639 Kč). Využití těchto přístrojů ukážeme na dvou příkladech:

1. Měření účinnosti ohřevu vody různými ohřívači,

2. Demonstrace vlastností elektromagnetických vln.

1. Měření účinnosti ohřevu vody

Měření elektrického výkonu ve školních podmínkách naráží nejen na známý problém poměrně složitého zařazení wattmetru do elektrického obvodu, ale je spojeno i se značným bezpečnostním rizikem. Podobně je tomu v případě, že bychom chtěli měřit práci vykonanou elektrickým proudem. Elektrickým wattmetrem EKM 265 (obr. 1) dostáváme do rukou nejen pomocníka, který umožňuje snadno zjistit v domácnosti, kde lze elektrickou energii ušetřit, ale řeší i problémy naznačené v úvodu.

Přístroj se jednoduše zasune do zásuvky elektrické sítě a spojí se standardní zástrčkou s měřeným spotřebičem. V základní funkci odečítáme na displeji okamžitý činný výkon v rozsahu od 1,5 W do 2 650 W. Můžeme také nastavit dvě hodnoty tarifu ceny spotřebované elektrické energie a na displeji současně odečítáme, kolik zaplatíme za hodinu provozu spotřebiče.

Pro náš experiment použijeme režim záznamu, kdy po stiskutí tlačítka START/STOP se jednak zaznamenává čas měření spotřeby, jednak celková spotřebovaná energie. Kromě toho lze odečíst největší a nejmenší hodnotu výkonu v průběhu měření. Měření se ukončí opětovným stisknutím tlačítka START/STOP. Všechna naměřená data se ukládají do paměti EE–PROM a zachovávají se i při výpadku proudu.

Měření účinnosti ohřevu vody bylo prováděno se třemi různými ohřívači: plotýnkový vařič, ponorný vařič a varná konvice. K měření teploty byl použit další přístroj z nabídky firmy Conrad, digitální ponorný teploměr TempTec s měřicím rozsahem -10°C až 200°C s rozlišením 0,1°C a s přesností ±1°C. Přístroj má konstrukci vhodnou např. k zasunutí do školního kalorimetru. Výhodou je, že integrovaná paměť teploměru umožňuje ukládání minimální a maximální teploty.

Při vlastním měření bylo vždy ohříváno stejné množství vody (m = 0,2 kg) až do varu, tzn. až bylo dosaženo maximální teploty (u varné konvice až do okamžiku, kdy tepelný spínač ohřev přerušil). Na elektrickém wattmetru byla odečtena celková elektrická práce W_C (orientačně byl měřen i čas potřebný k uvedení vody do varu) a na základě minimální a maximální teploty vody bylo vypočítáno přijaté teplo Q = m·c·(t_max - t_min) a určena účinnost η = Q / W_C použitého ohřívače za různých podmínek ohřívání (materiál nádoby, použití pokličky). Výsledky měření jsou v tabulce 1.

Výsledky měření mohou dobře posloužit nejen jako námět výchovy k úsporám elektrické energie, ale i k formulaci řady početních úloh opírajících se o naměřené údaje. Z výchovného hlediska je poučné také měření příkonu různých spotřebičů používaných v domácnosti. V tabulce 2 jsou srovnány příkony tří svítidel se světelným výkonem odpovídajícím 60 W žárovce a další přístroje, u nichž můžeme např. posoudit, jak se může projevit jejich funkce „stand by“ na energetické bilanci domácnosti.

Problémovou úlohu můžeme vytvořit např. na základě měření provedených na vysavači prachu. Položíme žákům otázku, zda je příkon vysavače větší při otevřené nebo uzavřené sací hadici. Zdálo by se, že výkon při volně proudícím vzduchu bude menší, než když je třeba přemáhat odpor „ucpané“ trubice. Ve skutečnosti je tomu naopak, jak je patrné z hodnot příkonu uvedených v tabulce 2. O tom konečně svědčí i větší otáčky motoru při uzavřené sací trubici.

2. Demonstrace vlastností elektromagnetických vln

Větším problémem než měření elektrického výkonu jsou demonstrace vlastností elektromagnetických vln, které jsou popsány v učebnici [1]. Zde se předpokládají demonstrace v oboru decimetrových vln, kdy zářiče mají ještě podobu dipólů, přičemž jejich rozměry jsou vhodné pro experimentování v malém prostoru demonstračního stolu. V současné době však není k dispozici vhodná učební pomůcka a její konstrukci do jisté míry brání i omezení frekvenčních pásem, v nichž lze takové zařízení provozovat.

Proto je možné přivítat, že se na trhu objevil poměrně levný vysílač, který je součástí systému dálkového ovládání a pracuje na frekvenci 433,92 MHz (vlnová délka λ = 0,69 m), tedy v oboru decimetrových vln. S tímto zařízením lze realizovat prakticky všechny demonstrace, které jsou uvedeny v článku 12.7 v učebnici [1]. Pro experimenty však je třeba zhotovit přijímací zařízení s výstupem na demonstrační měřidlo, jehož schéma je na obr. 2.

Půlvlnný dipól můžeme vytvořit ze silnějšího měděného drátu. Rezonanční délku dipólu poněkud ovlivňuje hodnota poměru podílu tloušťky d dipólu a vlnové délky přijímaného signálu. Např. při poměru λ/d = 200 je rezonanční délka dipólu l = 0,48 λ Průměr použitého vodiče také ovlivňuje širokopásmovost použitého dipólu, která je větší u vodiče s větším průměrem.

Uprostřed dipólu je vysokofrekvenční dioda a usměrněný vysokofrekvenční signál je vyhlazen filtrem tvořeným dvěma tlumivkami s několika závity volně navinutého měděného vodiče a kondenzátorem o kapacitě 100 pF. Napětí na výstupu přijímače je ovšem velmi malé (0,5 mV až 1 mV), což přináší problémy s indikací, chceme-li použít demonstrační měřidlo. Proto byl k zesílení signálu použit jednoduchý zesilovač s operačním zesilovačem MAA741, který je podrobněji popsán v [2]. V tomto uspořádání dosahuje signál na výstupu hodnoty (při vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem 0,6 m až 1,0 m) až 100 mV. To odpovídá plné výchylce použitého demonstračního měřidla, které je dodáváno jako součást demonstrační pomůcky EMA.

Dalšího zvětšení intenzity vyzařovaného signálu dosáhneme použitím reflektoru v podobě vodivé tyče o délce odpovídající polovině vlnové délky elektromagnetického vlnění. Reflektor umístíme za přijímacím dipólem v poloze, kterou určíme zkusmo tak, že měníme jeho vzdálenost od dipólu a najdeme polohu s maximální intenzitou přijímaného signálu. Reflektorem můžeme opatřit i vysílač, třebaže je vyzařovací systém ukryt ve skříňce vysílače. Zesílení je v tomto případě poměrně značné (v našem případě přibližně 20 dB).

Příklady demonstrací

1. Důkaz polarizace elektromagnetické vlny (viz [1], obr. 12–14)

Mezi vysílač a přijímací dipól vložíme mříž vytvořenou z rovnoběžných vodičů (k tomuto účelu se hodí např. drátěná police z chladničky). Mříží otáčíme a sledujeme kolísání intenzity přijímaného signálu. Takto zjistíme, jak je orientován vysílací dipól uzavřený v pouzdře vysílače: intenzita signálu je největší v případě, že jsou vodiče mříže na dipól kolmé.

2. Vznik stojatého elektromagnetického vlnění (viz [1], obr. 12–15)

Demonstraci můžeme provést v uspořádání podle obr. 12–15 v učebnici, ale můžeme postupovat také obráceně, že odraznou plochu (např. hliníkový plech o rozměrech 30×30 cm) umístíme za vysílač. Změna polohy odrazné plochy se projevuje kolísáním intenzity přijatého signálu. Vlnění z vysílače se skládá s odraženým vlněním a vzniká stojaté elektromagnetické vlnění. Maximum signálu odpovídá kmitně v místě přijímacího dipólu.

3. Měření vlnové délky elektromagnetického vlnění

Pokus se vznikem stojatého vlnění použijeme k přibližnému určení vlnové délky. Za vysílač umístíme např. dostatečně dlouhé pravítko s milimetrovým dělení a odraznou plochu posouváme podél pravítka. Vzdálenost dvou poloh odrazné plochy, v nichž jsme indikovali maximum signálu přijímače, odpovídá polovině vlnové délky vysílaného elektromagnetického vlnění. Při pečlivém provedení experimentu lze dosáhnout výsledku λ/2 = (0,35±0,05) m

4. Interference elektromagnetického vlnění (viz [1], obr. 12–17)

Pokus je variantou předcházejícího experimentu, od něhož se liší umístěním odrazné plochy, která je rovnoběžná se spojnicí vysílače a přijímače (jde o obdobu experimentu označovaného v optice jako Lloydův pokus). V tomto případě interferuje přímá a odražená elektromagnetická vlna a v závislosti na dráhovém rozdílu obou vln pozorujeme zesilování a zeslabování přijatého signálu.

Literatura:

[1] Lepil, O., Šedivý, P.: Fyzika pro gymnázia. Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha 1992.

[2] Lepil, O.: Operační zesilovač v učivu o magnetismu, MFI ročník 8 (1998), číslo 3, strana 147.