Teslův transformátor encyklopedicky

Transkript

1 Věda jinak

2 Obsah Věda se k nám všem dostává těmi nejrůznějšími způsoby: hodně nám toho o ní řeknou učitelé ve škole, něco se jistě dozvídáme od rodičů, z televizních pořadů, z rozhlasu. Sem tam se ještě najdou papírové noviny, které vsadily na rubriku Věda a technika. Existují stovky a tisíce webů a blogů, které rekrutují své čtenáře z řad nadšenců o vědecké otázky. A určitě je zde celá řada populárně naučných časopisů, v nichž se my všichni můžeme s nejrůznějšími aspekty vědy setkat. Ale komiks? Barevné obrázky po desetiletí vyhrazené superhrdinům a odlehčeným tématům? Jde to vůbec, prezentovat významné objevy, fyzikální zákonitosti nebo nejnovější vědecké teorie tímto způsobem? Na následujících stránkách se dozvíte, že to nejen jde, ale že je to i zábava: science center Techmania a studenti Ústavu umění a designu při Západočeské univerzitě v Plzni spojili své síly, aby Vám ukázali, že možnosti komunikace vědy jsou téměř neomezené. Nabídneme Vám tři pohledy: stejnou látku jsme pro Vás zpracovali tradičním, tedy teoretickým výkladovým způsobem. Přečtete si, jak se dá odborně vysvětlit princip Teslova transformátoru, pochopíte základní poučky, seznámíte se s fyzikálními zákony, o něž se tento úžasný přístroj opírá. A pak se na věc podíváte z druhého úhlu pohledu: uvidíte Nikolu Teslu jako svého druhu superhrdinu, který zkrotil blesky. Můžete pak navštívit Techmanii, vyzkoušet si zdejší exponáty na vlastní kůži, udělat si vlastní představu o oněch fyzikálních zákonech a rozhodnout se, že teoretická látka může být zatraceně zajímavá když se správně podá. Teslův transformáror Brownův pohyb Brownův pohyb na vlastní kůži Ohmův zákon Ohmův zákon na vlastní kůži Věda jinak? Proč ne! Úvodník 3 Věda jinak

3 Teslův transformátor encyklopedicky Zdroj: Wikipedie. Teslův transformátor je vysokofrekvenční transformátor vynalezený Nikolou Teslou. Pracuje na rezonančním principu, proto je třeba jeho obvody ladit pro dosažení nejlepšího výkonu. Slouží k získávání velmi vysokých napětí. Teslův transformátor je v podstatě zjednodušená verze tesla coil magnifieru, se kterým Nikola Tesla rád experimentoval. Transformátor je tvořen dvěma souosými vzduchovými cívkami s různým počtem závitů. Zdrojem primárního vysokofrekvenčního napětí je tlumený jiskrový oscilátor (na principu jiskřiště), napájený např. z vysokonapěťového transformátoru. Na sekundární cívce se běžně dosahuje napětí stovek kilovoltů až jednotek megavoltů (MV), podle stavby transformátoru, jeho uspořádání, vyladění a zdroje primárního napětí. Sekundární napětí uvedené velikosti se projevuje zřetelnými optickými jevy v podobě sršení, výbojů a také světélkováním blízkých (i zcela odpojených) výbojek, zářivek, atd. Tesla zamýšlel využít transformátor pro dálkový přenos energie. Vzhledem k obtížím se zpětnou přeměnou vysokofrekvenční energie, složitostí jejího směrování, nízké účinnosti přenosu a velkým ztrátám vlivem vyzařování, silnému rušení veškerého rádiového spektra atd. se tento přenos průmyslově nevyužívá. Dosti je však oblíbené jeho využívání ve formě speciálního efektu - například na některých koncertech. Zdroj: kniha Tad Wise Tesla, nakladatelství Klokan. Je to vzduchový transformátor pracující na svém vlastním rezonančním kmitočtu sloužící obvykle k výrobě velmi vysokého střídavého napětí. Primární vinutí tvoří pár závitů tlustého drátu, sekundární vinutí pak několik stovek až tisíc závitů tenkého drátu v jediné vrstvě na duté válcové kostře. Jedná se vlastně o dva induktivně vázané rezonanční obvody. Sekundární cívka se svou vlastní indukčností a mezizávitovou kapacitou ( a případně kapacitou vybíjecí elektrody na vrcholu sekundáru) určuje pracovní rezonanční kmitočet f0 = 1/[2*π*Sqrt(L*C)]. Aby docházelo k maximálnímu přenosu energie z primárního obvodu do sekundárního, je třeba primární obvod naladit na tentýž kmitočet. Protože však mezizávitová kapacita primárního vinutí je zanedbatelná, je nutno připojit k primáru vnější kondenzátor. Na protější straně začíná vysvětlení Teslova transformátoru pomocí příběhu vyjádřeného komiksem Teslův transoformátor komiksem

4 Teslův transformátor 7 Věda jinak

5 Teslův transformátor 9 Věda jinak

6 Teslův transformátor 11 Věda jinak

7 Brownův pohyb encyklopedicky A. Einstein Brownův pohyb je nazvaný na počest anglického botanika Roberta Browna, který v roce 1827 poprvé pozoroval neustálý a neuspořádaný pohyb velmi malých pylových zrnek (řádově 10-6 až 10-7 m) ve vodě. Přitom zjistil, že pohyb zrnek je tím živější, čím jsou zrnka menší. Brown se nejprve domníval, že pohyb zrnek je způsoben jejich životem, ale pak si celý pokus zopakoval s částečkami barviva a zjistil u nich pohyb také. Statistickou teorii Brownova pohybu uveřejnil v roce 1904 Marian Smoluchowski a nezávisle na něm v roce 1905 Albert Einstein. Částice o rozměrech v řádu mikrometrů vykonávají trhavý, naprosto nepravidelný pohyb, který je způsoben působením molekul vody, které ze všech stran narážejí na velmi malé částice. Charakter pohybu nezávisí na chemickém složení a na vnějších podmínkách. Intenzita pohybu je tím větší, čím menší jsou rozměry částic a čím větší je teplota prostředí. Směr částic se velmi rychle mění (řádově krát za s). Pozorovat je všechny samozřejmě nemůžeme, jen když se jich pohybuje několik stejným směrem. A čím je pohyb částic způsoben? V okolí zrnka je několik molekul vody. V některém okamžiku převáží nárazy z jedné strany a výsledná síla posune zrnko určitým směrem. V dalším okamžiku však převáží nárazy z jiné strany a výsledná síla posune zrnko jinam. Každá ze zakreslených úseček prezentuje přibližně nepozorovatelných posunutí. Navíc se Brownův pohyb děje v prostoru a tento obrázek zachycuje průmět do roviny zorného pole mikroskopu. Je to jen hrubé přiblížení skutečnosti (strana čtverce má délku 3 μm). Jestliže budeme částici pozorovat ve směru osy x, pak střední hodnota kvadrátu posunutí do této osy je dána Einstein-Smoluchowského vztahem x 2 = R m Tt 3 π ηan A kde R m je molární plynová konstanta, T je termodynamická teplota, t je čas, a je poloměr koule, která nahrazuje částici, η je dynamická viskozita a NA je Avogadrova konstanta. Einstein-Smoluchowského vztah experimentálně potvrdil Jean Baptiste Perrin v roce 1908, za což v roce 1926 získal Nobelovu cenu za fyziku. Z Einstein-Smoluchowského vztahu můžeme vypočítat Avogadrovu konstantu, protože všechny ostatní údaje ze vzorce známe nebo dokážeme změřit. Na protější straně začíná vysvětlení Brownova pohybu pomocí příběhu vyjádřeného komiksem Brownův pohyb komiksem Napsal a nakreslil David Vojtuš

8 Brownův pohyb 15 Věda jinak

9 Brownův pohyb 17 Věda jinak

10 Brownův pohyb 19 Věda jinak

11 Brownův pohyb na vlastní kůži Brownův pohyb na vlastní kůži Na vlastní kůži si Brownův pohyb můžete vyzkoušet v Techmania Science Center na těchto exponátech: Brownův pohyb: Můžeme pozorovat pohyb molekul vody obyčejným mikroskopem? Odpověď zní ano, ale jen nepřímo. Kromě mikroskopu a kapky vody, potřebujeme například zrníčko pylu, kapičku oleje nebo barvy (latexu). Ač to tak nevypadá, při běžné pokojové teplotě je v kapce vody neustálý chaotický pohyb molekul. Mikroskop však na pozorování molekul vody nestačí, je potřeba něco většího. V Techmanii používáme velmi malé množství latexové barvy, které přidáme do kapky vody. Molekuly vody naráží na bílé skvrnky latexu. Výsledkem je charakteristický trhavý pohyb skvrnek zvaný Brownův pohyb. Brownův pohyb je důkazem tepelného pohybu částic v tekutinách. Název je na počest skotského botanika Roberta Browna, který jako první tento jev zaznamenal. Molekuly narážejí na částici (skvrnku) o velikosti řádově jednotek mikrometru a částice tak vykonává nepravidelný a neustálý pohyb. Tento pohyb vzniká složením jednotlivých nárazů molekul vody na povrch částice. S rostoucí teplotou roste rychlost pohybu částice. Kromě toho si můžeme pomocí páčky z boku přepnout pohled na velkou obrazovku a dál pohodlně sledovat Brownův pohyb. Model Brownova pohybu: Jak závisí rychlost pohybu molekul vody na okolní teplotě? Model Brownova pohybu demonstruje názornou a hravou formou Brownův pohyb. Kuličky představují molekuly vody a puk znázorňuje skvrnku bílé barvy. Kuličky a puk jsou uzavřeny pod skleněným víkem. Kolem nich jsou rotující hranoly, které neustále postrkují kuličky do nahodilých směrů. Kuličky narážejí nepravidelně do puku, který se tak trhavě pohybuje po ploše. Návštěvník může názorně pozorovat demonstraci Brownova pohybu. Kromě toho lze regulovat rychlost otáčení hranolů. Pokud zvýšíme rychlost otáčení hranolů, kuličky se pohybují rychleji, a protože nárazy do puku jsou častější, pohybuje se rychleji také puk. Nárůst rychlosti rotace hranolů v podstatě demonstruje nárůst teploty. Čím vyšší teplota, tím je pohyb kuliček (molekul) rychlejší. Brownův pohyb 21 Věda jinak

12 Ohmův zákon encyklopedicky G. Ohm: Zákon odporu Vlastnosti kovového vodiče jako části elektrického obvodu můžeme určit tak, že vodič připevníme mezi svorky a ponoříme ho do chladící kapaliny. Připojeným voltmetrem a ampérmetrem pak naměříme hodnoty napětí a proudu. Hodnoty vyneseme do grafu, získáme tzv. volt-ampérovou charakteristiku. Při stálé teplotě je voltampérovou charakteristikou drátů z jednotlivých kovů přímka, tzn. že proud je přímo úměrný napětí mezi konci vodiče. U [V] 0 I [A] Tento poznatek objevil již v roce 1826 německý fyzik Georg Simon Ohm. Na jeho počest se tento zákon nazývá Ohmův. Ohmův zákon: Proud I, který prochází vodičem se stálým odporem R je přímo úměrný napětí U mezi konci vodiče I = U R Z tohoto vztahu odvodíme pro napětí nebo odpor U U = I R R = I Poslední vztah nemůžeme chápat jako závislost odporu R na napětí U nebo proudu I. Odpor vodiče je totiž určen jen jeho vlastnostmi (délkou, průřezem a materiálem), nikoli však napětím a proudem. Pomocí tohoto vztahu můžeme odvodit jednotku jeden ohm: Je to odpor vodiče, v němž je stálé napětí 1 V mezi konci vodiče vyvolá proud 1 A. Na protější straně začíná vysvětlení ohmova zákona pomocí příběhu vyjádřeného komiksem Ohmův zákon komiksem Napsal a nakreslil Pabylets Siarhei

13 Ohmův zákon 25 Věda jinak

14 Ohmův zákon 27 Věda jinak

15 Ohmův zákon 29 Věda jinak

16 Ohmův zákon na vlastní kůži Projekt SCICOM Na vlastní kůži si Ohmův zákon můžete vyzkoušet v Techmania Science Center na tomto exponátu: Někteří žáci mají problém zapamatovat si Ohmův zákon. Lepší než pamatovat si Ohmův zákon je pochopit ho. Jak se chová proud, napětí a odpor v jednoduchém obvodu? Ohmův zákon vyjadřuje závislost proudu na napětí a odporu v obvodu. Dvěma sondami je možné měnit velikosti napětí od dvou do dvanácti voltů a hodnoty odporů od šesti do dvanácti ohmů. Proud je podle Ohmova zákona roven podílu napětí a odporu (I=U/R). Velikost napětí je možné odečítat na voltmetru a velikost procházejícího proudu na ampérmetru. Jednou sondou zvolíme velikost napětí. Druhou sondou vybereme odpor o určité hodnotě. Když vybrané hodnoty napětí a odporu podělíme, dostaneme proud procházející obvodem. Vypočtená hodnota musí souhlasit s údajem na ampérmetru. Pomocí exponátu tedy můžeme snadno sami ověřit platnost Ohmova zákona Projekt SCICOM Rozvoj kompletací pro komunikaci vědy ( reg. Číslo CZ 1. 07/2.3.00/ ) je řešen v rámci Operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost, prioritní osy terciární vzdělávání, výzkum a vývoj, oblast podpory Lidské zdroje ve výzkumu a vývoji. Realizace byla zahájena v červenci 2009 a termín ukončení je stanoven na březen roku Projekt SCICOM vzájemně kombinuje dvě nosné komponenty, a to poslední kompetenci vědeckých pracovníků a studentů v oblasti komunikace o vědě a systematickou práci se zájemci o vědecko-výzkumnou činnost z řad středoškolských studentů. Příjemcem podpory je Západočeská univerzita v Plzni, partnery projektu s finančním příspěvkem jsou Techmania science center, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická v Plzni, Gymnázium a Střední odborná škola v Rokycanech a partnerem bez finančního příspěvku je Česká marketingová společnost. Díky projektu SCICOM se věnujeme sedmi klíčovým aktivitám, které vyjádří podmínky a rozvíjí science communication v České republice. Od počátku roku 2010 jsme zahájili systematickou práci se zájemci o badatelskou a vědeckou činnost ze středních škol, v počátcích projektu zaměřenou především na partnerské střední školy. Uskutečnilo se přes 100 akcí právě pro zájemce, ať už v prostorách Techmania science center, v laboratořích či učebnách Západočeské univerzity v Plzni nebo přímo na středních školách. Závěrem roku 2009 a 2010 se uskutečnily první dvě konference věnované problematice science communication. První seznámila účastníky s aktuálním stavem problematiky jak v České republice, tak i v zahraničí a uvedla příklady dobré praxe ze zahraničí. Druhá konference byla věnovaná zejména představení science center, věda v mediích a podpoře zájemců o vědeckou práci. Třetí konference se uskuteční 24. listopadu 2011, více na internetovém portálu projektu kde naleznete informace o projektu, realizovaných aktivitách a aktualitách v oblasti science communication. V prvním roce řešení projektu byla vytvořena srovnávací studie o science communication mapující situaci ve více než deseti zahraničních státech a současný stav v České republice. Důraz byl kladen na možnosti vzdělávacího systému v dané zemi s ohledem na způsoby komunikace výsledků vědy a výzkumu, existence specializovaných institucí a samozřejmě příklady dobré praxe. Po celé období řešení projektu je obsazena pracovní pozice Analytika komunikace vědy, který průběžně monitoruje vývoj v oboru komunikace vědy a zpracovává zprávy o dané problematice v tříměsíčním intervalu. Byl vytvořen ucelený vzdělávací modul o science communication, na jehož základě byly připraveny doposud 3 kurzy na několika úrovních. Vzdělávací program SCICOM Basic pro začínající i zkušené vědce, tj. studenty bakalářských, magisterských, a především doktorských studijních programů. Vzdělávací program SCICOM PIO (Public Information Officers), tj. pro prostředníky mezi vědou a médii, např. pracovníky výzkumných ústavů a organizací v odděleních pro vztahy s veřejností. Vzdělávací program pro pracovníky s mládeží, pedagogy na ZŠ a SŠ. Pro bližší informace k projektu prosím kontaktujte: RNDr. Anna Matoušková, Ph.D. Lektorka vzdělávacích kurzů Techmania Science Center o. p. s. Tylova 1/57, Plzeň, Tel.: PhDr. Irena Vlachynská Projektová manažerka Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Tel.: ,

17 Věda jinak TATO BROŽURA VZNIKLA V RÁMCI PROJEKTU SCICOM CZ.1.07/2.3.00/ , KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.