Viete čo majú spoločné atómová elektráreň, indukčný varič, nabíjačka pre smartfón, gramofón a harddisk? Je to fyzikálny princíp, ktorý využívajú - elektromagnetická indukcia. Ak si chcete vyskúšať zopár zaujímavých experimentov s EMI, čítajte nasledovné riadky.

Ako sa to začalo?
Elektromagnetickú indukciu objavil Michael Faraday, publikoval v roku 1831. Nezávisle ju objavil Joseph Henry v roku 1832.

Faradayov experiment ukazujúci indukciu medzi cievkami drôtu: Kvapalná batéria (vpravo) poskytuje prúd, ktorý preteká cez malú cievku (A) a vytvára magnetické pole. Keď sú cievky nehybné, nie je indukovaný žiadny prúd. Ale keď sa malá cievka pohybuje dovnútra alebo von z veľkej cievky (B) , magnetický tok cez veľkú cievku sa mení a indukuje prúd, ktorý je detegovaný galvanometrom (G).

(Zdroj: wikipedia.sk)

My pri našich pokusoch použijeme „trošku“ modernejšiu pomôcku a to veľmi citlivý elektronický galvanometer, ktorý sme vyrobili z Arduina a ďalších súčiastok.

Načo je galvanometer a čo meria?

Galvanometer je veľmi citlivý merací prístroj, ktorý meria veľmi malé elektrické prúdy (resp. napätia) obidvoch smerov. Tento elektronický galvanometer zobrazuje prúd na displeji zo svietiacich obdĺžničkov.

Ak galvanometrom netečie žiaden prúd, (napätie na 0 V) svietia dva prostredné segmenty – tak ako to vidíme na fotke vľavo

Ak má prúd kladný smer (na pravej vstupnej zdierke je + a na ľavej -) svieti príslušný počet segmentov vpravo.

Ak má prúd opačný smer  (na pravej vstupnej zdierke je - a na ľavej +) svieti príslušný počet segmentov vľavo.

Každý svietiaci segment predstavuje napätie približne 2 μV resp. prúd 4 nA. Citlivosť galvanometra vieme ešte zväčšiť 2x rep. 5x. (bude indikovať 2x resp. 5x menšie napätia a prúdy) Citlivosť sa prepína dotykom prsta na kruh s označením „citlivosť“.

Otočným gombíkom s nápisom „nula“ nastavíme galvanometer tak, aby trvalo svietili dva prostredné obdĺžničky. Túto kalibráciu robte v dostatočnej vzdialenosti od magnetov, či iných zdrojov magnetického poľa.

Pokus 1 – Trasú sa ti ruky? - alias detektor lži.

Ku galvanometru pripoj závit medeného drôtu ukončený banánikmi, tak ako je na fotografii vyššie.

Nastav galvanometer tak, aby bez prítomnosti magnetu svietili dva prostredné segmenty.

Chyť magnet a drž ho v ruke presne v strede v rovine závitu drôtu, ktorý je pripojený ku galvanometru.
Ak sa ti ruky netrasú mali by stále svietiť dva stredné segmenty galvanometra.
Čím viac sa ti ruky trasú tým viac segmenty preblikávajú.
 

Na čo je to dobré?
Poznáš gramofón? Hudba bola uchovávaná na gramofónovej platni, čo bol vynilový (plastový) kruh s drážkami. V týchto drážkach bola „uložená“ hudba. Prehrávanie sa dialo tak, že platňa sa otáčala a gramofónová ihla sledovala tvar drážky. Pohyb ihly sa prenášal (keď to zjednodušíme) na malý magnet, ktorý takto kmital v cievke.  Elektrické napätie, ktoré sa indukovalo v cievke sa zosilnilo a priviedlo do reproduktorov … a muzika bola na svete.

Vieš že: Gramofón a vinylové platne sú stále „in“ a ich zvuk oceňujú hudobní fajnšmekri?

Úloha: Nájdi a spracuj informácie o gramofóne.

Pokus 2 – Teraz trochu seriózne, ako funguje elektromagnetická indukcia?

Ku galvanometru pripoj závit medeného drôtu ukončený banánikmi, tak ako je na fotografi na prvej strane.

Nastav galvanometer tak, aby bez prítomnosti magnetu svietili dva prostredné segmenty.

Zober si magnet a preskúmaj, za akých okolností sa indukuje v závite, ktorý je pripojený ku galvanometru elektrické napätie. Všímaj si polaritu aj veľkosť napätia (podľa svietiacich segmentov na galvanometri). Môžeš pohybovať magnetom, galvanometrom, meniť orientáciu magnetu, je len na tvojej kreativite aké rôzne experimenty urobíš.

Úloha: Urob rôzne experienty a vyvoď záver, za akých okolností sa v závite indukuje elektrické napätie a od čoho závisí. Svoj záver napíš vo forme niekoľkých viet.

Pokus 3 – Pohyb vodiča v magnetickom poli.

Ku galvanometru pripoj kovový vodič s dĺžkou cca. 1 meter a konce vodiča pripoj ku galvanometru káblom s krokosvorkami.

Nastav galvanometer tak, aby bez prítomnosti magnetu svietili dva prostredné segmenty.

Zober si magnet a preskúmaj, za akých okolností sa indukuje vo vodiči ktorý je pripojený ku galvanometru elektrické napätie. Všímaj si polaritu aj veľkosť napätia (podľa svietiacich segmentov na galvanometri). Môžeš pohybovať magnetom, vodičom, meniť orientáciu magnetu, vymeniť magnet za „silnejší“ alebo „slabší“, je len na tvojej kreativite aké rôzne experimenty urobíš.

Úloha: Urob rôzne experienty a vyvoď záver, za akých okolností sa vo vodiči indukuje elektrické napätie a od čoho závisí. Svoj záver napíš vo forme niekoľkých viet.

Pokus 4 – Ako funguje magnetofón, harddisk, či disketa na dôchodku?

Už sme tu raz mali záznam zvuku – gramofón. Teraz si pripomenieme jeho mladšieho brata magnetofón. V čase svojho rozkvetu to bola bednička s dvoma kotúčmi, na ktorých bola navinutá magnetofónová páska. Páska bola plastová, široká cca centimeter a mala povlak z magnetického materiálu. Neskôr narodení si budú snáď pamätať aspoň „kazeťáky“ s kazetovými páskami, princíp záznamu a prehrávania zvuku bol však rovnaký, len to bolo celé menšie.

Zvuk sa na pásku nahral tak, že páska prešla cez nahrávaciu hlavu, ktorá pásku vhodne zmagnetizovala. Prehrávanie zvuku sa dialo tak, že páska prechádzala cez čítaciu hlavu, čo bola v podstate cievka, v ktorej sa indukovalo napätie. Ďalší „osud“ tohto indukovaného napätia bol rovnaký ako sme ho opísali pri gramofóne – teda zosilnil sa a putoval do reproduktora.

Aby sme nehovorili iba o zašlých časoch, princíp magnetofónu sa aj v súčasnosti stále využíva k archivácii dát na pásky, pretože je to veľmi spoľahlivý a trvanlivý spôsob zálohy dát. Možno ste sa stretli s videokamerami, ktoré ukadajú obraz na pásku – fyzikálne rovnakým princípom. Dnes sa tento spôsob záznamu sa využíva v magnetických harddiskoch, ktoré vnútri majú namiesto pásky niekoľko rotujúcich platní s povrchom z magnetického materiálu. Nad platňami sa pohybujú čítacie a zapisovacie hlavičky, ktoré určitú oblasť platne vhodne zmagnetizujú, čím na ňu zapíšu dáta, ktoré možno potom prečítať. Predchodcom harddisku bola disketa, ale tá už je na zaslúženom odpočinku v múzeu.

Vyskúšaj si simuláciu magnetického záznamu a čítania dát.

Potrebuješ niekoľko rovnakých magnetov (aspoň 8 ks) a galvanometer s pripojeným závitom z vodiča.

Najprv z magnetov vytvor vežu – aby si dosiahol, že všetky magnety budú otočené rovnako – severným pólom nahor. Ktorý pól na magnete je severný, zistíš pomocou iného magnetu, ktorý má póly označené

Teraz vytvoríme „záznam dát“:

               Na naše záznamové médium magnety, môžeme ukladať len dva stavy 0 a 1. Teda kódujeme dáta v dvojkovej sústave. Magnet položený severným pólom nahor bude 0. Južným pólom nahor bude 1.

Teraz zakódujeme jedno písmeno podľa tabuľky, ktorá je nižšie. Písmeno bude zakódované ôsmymi magnetmi. Nula alebo jednotka sa zakóduje správnym otočením magnetu.

Pokús sa teraz takto zakódovanú informáciu „prečítať“. Galvanometrom rovnomerne a  pomaly prechádzaj ponad magnety a všímaj si polaritu indukovaného napätia (či na displeji svietia obdĺžničky vľavo alebo vpravo). Skús prísť na to ako sa galvanometer správa, keď číta 0 a keď číta 1.

Teraz, keď už vieš ako čítanie funguje, popros spolužiaka, nech zakóduje magnetmi nejaké písmeno podľa tabuľky. Pomocou galvanometra príď na to, aké písmeno zakódoval.

Ak máte magnetov viacej môžete zakódovať napr. svoje meno.

Popis projektu digitálneho galvanometra.

Viac informácií o projekte digitálneho galvanometra vám rád poskytnem na adrese jancekm@gsa.sk.