Pokusy s infračerveným zářením

Kamila Goldová

Uvedené experimenty mají za úkol demonstrovat některé vlastnosti infračerveného záření a propustnost materiálů v infračerveném oboru. V experimentech se využívá elektronická souprava, kterou tvoří vysílač a přijímač infračerveného záření. Jejich schémata jsou na obr. 1 a 2.

Vysílač infračerveného záření

Základním prvkem vysílače je infračervená dioda LED. Schéma vysílače obsahuje kromě ní také červenou diodu, která umožňuje experiment předem připravit s viditelným světlem a rovněž předvést analogické experimenty s viditelným i infračerveným zářením. Na vstup vysílače se připojí zdroj elektrického signálu a výstupem vysílače je optický signál (viditelný, nebo infračervený).

Přijímač infračerveného záření

Vstupním prvkem přijímače je fototranzistor citlivý zejména na infračervené záření vysílané LED diodou umístěnou na vysílači. Vstupní část přijímače tvoří společně s fototranzistorem operační zesilovač OZ 1, který pracuje jako převodník proud - napětí. Velikost napětí na výstupu zesilovače je přímo úměrná velikosti odporu zařazeného mezi výstupem a invertujícím vstupem zesilovače, což umožňuje měnit citlivost celého přijímače. Ve schématu jsou uvedeny odpory 10 kΩ pro větší citlivost a paralelní zapojení odporů 10 kΩ a 1,2 kΩ pro menší citlivost přijímače (větší citlivost se využívá zejména při experimentech, při kterých vzdálenost vysílače a přijímače přesahuje 1,5 m). Součástí schématu je také kontrolní obvod, který v případě, že fototranzistor osvětlíme příliš intenzivním zářením a tím přivedeme zesilovač OZ 1 do blízkosti saturace, rozsvítí červenou LED diodu. Přijímač je opatřen dvěma výstupy. V popsaných experimentech se využívá jen výstup 2.

Zjednodušené schéma přenosové soustavy pro pokusy s infračerveným zářením:

Zdroj signálu

a) výstup audiopřístroje – toto zapojení slouží k demonstraci vlastností infračerveného záření s využitím zvuku (výstup 2 přijímače je připojen k zesilovači s reproduktorem)

b) generátor střídavého napětí s harmonickým průběhem s frekvencí 1 kHz a s amplitudou 1 V - slouží např. k měření propustnosti a odrazivosti materiálů v infračerveném oboru (výstup 2 přijímače je připojen k voltmetru měřícímu střídavé napětí)

U všech níže popsaných experimentů se používá zapojení a).

I. Odraz infračerveného záření

Pomůcky na optické lavici uspořádáme podle obr. 4, kruhová clona a spojka slouží k vytvoření rovnoběžného svazku IČ paprsků. Místo kruhového půlválce připevníme na optický kotouč rovinné zrcátko. Pootočením optického kotouče nastavíme úhel dopadu IČ paprsků. Přijímač IČ záření sejmeme z optické lavice a posouváme ho pomalu po obvodu optického kotouče. V místě, kde zaznamenáme akustický signál vycházející z reproduktoru, odečteme na stupnici kotouče úhel odrazu IČ paprsků. Pokus provedeme několikrát pro různé úhly dopadu IČ paprsků.

II. Lom infračerveného záření na rozhraní dvou prostředí

Uspořádání pomůcek je patrné z obr. 4. Na optickém kotouči je připevněn kruhový půlválec z plexiskla. Přijímač IČ záření sejmeme z optické lavice a otočením optického kotouče nastavíme úhel dopadu IČ paprsků. Přijímačem nalezneme úhel lomu svazku infračervených paprsků na rozhraní vzduch – plexisklo tak, že přijímač pomalu posouváme po obvodu kotouče a v místě, kde zaznamenáme akustický signál z reproduktoru, odečteme úhel lomu na stupnici kotouče. Totéž provedeme pro lom IČ paprsků na rozhraní plexisklo – vzduch a při překročení mezního úhlu dopadu detekujeme svazek IČ paprsků odražených při totálním odrazu.

III. Propustnost pevných a kapalných látek pro infračervené záření

Uspořádání experimentu je stejné jako v předchozím případě. Z optické lavice odstraníme optický kotouč a infračerveným paprskům stavíme do cesty destičky z různých materiálů (např. sklo, plexisklo, dřevo, plasty, kovy atd.). Sledujeme pokles hlasitosti akustického signálu z reproduktoru pro jednotlivé materiály. Propustnost kapalných látek můžeme zjišťovat tak, že na optickou lavici umístíme stojánek s kyvetou, do které nalejeme vodu, vodný roztok hypermanganu, skalice modré apod.

Při zapojení signálu z generátoru na vstup vysílače IČ záření místo audiosignálu (zapojení b) lze změřit propustnosti materiálů vůči IČ záření.

Změřené propustnosti některých materiálů vůči infračervenému záření s vlnovými délkami v okolí 940 mn (T₉₄₀) a vůči červenému záření s vlnovými délkami v okolí 640 nm (T₆₄₀) ukazuje následující tabulka.

IV. Rozptyl infračerveného záření

Pomůcky na optické lavici uspořádáme stejně jako při demonstraci propustnosti pevných látek vůči infračervenému záření. Přijímač IČ záření posuneme do vzdálenosti nejméně 80 cm od vysílače IČ záření. Rozptylujícím materiálem posouváme směrem od kruhové clony k přijímači IČ záření a pozorujeme výrazný vzrůst hlasitosti vnímaného zvuku. Jako rozptylující materiál může sloužit pauzovací papír, mikrotenový sáček, matná kancelářská průsvitná fólie, kyveta naplněná vodou s mlékem, atd.