Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
NámČty na experimenty s infraþerveným záĜením ZDENċK POLÁK Jiráskovo gymnázium v NáchodČ Abstrakt PĜíspČvek je urþen pro uþitele, kteĜí hledají námČty pro samostatnou výzkumnou þinnost žákĤ. V pĜíspČvku ukazuji, že i s velmi jednoduchými a snadno dostupnými pomĤckami lze zkoumat takové vlastnosti vČcí, které nemĤžeme pĜímo vnímat svými smysly. Podle uvedeného návodu si mohou žáci vyrobit svČtelný filtr, který propouští krátkovlnnou þást infraþerveného spektra elektromagnetického vlnČní. Pokud vybaví digitální kameru tímto filtrem, ukáže se jim svČt neviditelné složky spektra – infraþerveného záĜení. Mohou sami nalézat odpovČdi na otázky typu co je prĤhledné a neprĤhledné, svČtlé þi tmavé, jaké jsou zdroje infraþerveného záĜení a jaké má základní vlastnosti.
Infraþervené záĜení a jeho zdroje Infraþervené záĜení, dále zkrácenČ IR záĜení, má stejnou povahu jako svČtlo, jen jeho vlnové délky jsou vČtší. Navazuje na svČtelné spektrum u vlnové délky okolo 750 nm a v oblasti milimetrových vln pĜechází v mikrovlnné záĜení. NemĤžeme jej vidČt pĜímo, ale jen zprostĜedkovanČ. Naše experimenty se budou týkat jen krátkovlnné þásti spektra IR záĜení. Zdroje IR záĜení jsou v podstatČ dvou typĤ. Horká tČlesa jako jsou infrazáĜiþe, žárovky nebo i svíþka a pak IR LED diody. U bČžného typu žárovky se na svČtlo pĜemČní jen nČkolik procent pĜíkonu a zbytek se vyzáĜí jako IR záĜení. Protože nám nejde o svČtlo, použijeme tzv. infražárovku. Ta má podstatnČ nižší teplotu vlákna, než je u bČžných žárovek obvyklé. VČtšinou bývá ještČ opatĜena þerveným sklem. Svítí málo, ale o to více hĜeje. Prakticky veškerou energii vyzaĜuje v infraþerveném oboru spektra elektromagnetického záĜení. Jde tak o širokospektrální zdroj IR záĜení. V pĜípadČ, že nám nebude vyhovovat žárovka, mĤžeme využít IR LED vyzaĜující v úzkém pásmu vlnových délek. KromČ zdroje potĜebujeme také detektor. Tady zase máme v podstatČ dvČ možnosti. Buć použít IR LED nebo digitální kameru.
LED dioda jako zdroj i detektor IR záĜení Vyrobíme si univerzální zdroj-detektor IR záĜení. LED diodu vyzaĜující v infraþerveném oboru spektra spojíme do série s rezistorem asi 250 , zakonþíme vodiþi s banánky a diodu s rezistorem vložíme do kovové trubiþky. Pokud ji pĜipojíme ke zdroji napČtí, tĜeba k ploché baterii, bude zdrojem záĜení, pokud ji pĜipojíme k voltmetru, bude detektorem. Využijeme vlastnosti, že dioda bude fungovat jako hradlový þlánek citlivý na záĜení, které jinak sama vysílá. Trubiþku s diodou zamČĜujeme na rĤzné zdroje a zjišĢujeme, jak velké napČtí dioda vygeneruje. Tak lze odhadem porovnat intenzitu rĤzných zdrojĤ IR záĜení.
181
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Digitální kamera jako detektor IR záĜení Jako detektor je vhodná digitální kamera s pĜedĜazeným svČtelným filtrem. Všechny kamery a fotoaparáty mají infraþervený filtr, který omezuje jejich citlivost na tento druh záĜení. U levných typĤ však bývá pomČrnČ nekvalitní, což je pro nás výhodné a zbytkovou citlivost digitální kamery na IR záĜení využijeme. Lze samozĜejmČ také využít kameru s tzv. noþním vidČním, ale to není vČc bČžnČ dostupná za pár korun. Kameru musíme vybavit svČtelným filtrem, který pohltí prakticky veškeré svČtlo a propustí do objektivu jen sledovanou složku záĜení.
SvČtelný filtr Vynecháme možnost zakoupení drahého profesionálního filtru a vyrobíme si jej sami. Možností je nČkolik. NejdostupnČjší jsou asi tyto: 1) Na svČtle exponovaný a pak vyvolaný barevný film. Jde o pomČrnČ tmavý filtr, který absorbuje také þást krátkovlnného IR záĜení. Hlavní nevýhodou je jeho malá plocha. 2) ZkĜížené polarizaþní filtry. Z LCD zobrazovaþĤ lze získat pomČrnČ velké a docela kvalitní polarizaþní filtry. PropouštČjí lineárnČ polarizované svČtlo. PĜiložíme je na sebe tak, aby roviny polarizace propouštČného svČtla byly vzájemnČ kolmé, tedy aby procházelo minimum svČtla. Protože tyto bČžné polarizátory IR záĜení nepolarizují, to bude procházet s minimální absorpcí. Bohužel obvykle se nepodaĜí jednou dvojicí zcela odfiltrovat všechno svČtlo. 3) Využít absorpþních vlastností nČkterých þerných inkoustĤ, kterými se plní fixy. Jak lze postupovat pĜi výrobČ svČtelného filtru z lihového fixu? Budeme potĜebovat dĜevČnou destiþku, lepicí hmotu, vyþištČné sklo, þerný lihový fix CENTROFIX 2846 Permanent, nĤž, dvČ pinzety, líh a kapátko, pĜípadnČ injekþní stĜíkaþku. Na destiþku pĜilepíme 3 – 4 kousky plastické lepicí hmoty a na nČ pĜichytíme vyþištČné sklo. To zajistí, aby sklo bylo kousek nad plochou prkénka a pĜesto s ním pevnČ spojeno. Lepicí hmotu lze koupit v prodejnČ s kanceláĜskými potĜebami pod obchodním názvem napĜ. Tack-it, Tack-all, Gumfix apod.Velikost skla Ĝídíme podle použití filtru. Lze použít naĜezaná podložní sklíþka do mikroskopu, skla na diapozitivy nebo i vČtší plochy. Z fixu ostrým nožem odĜízneme jeden konec a pinzetou opatrnČ vyjmeme inkoustem nasáklý zásobník. Je tvoĜen pružnou polyetylénovou trubiþkou vyplnČnou mČkkou plstí. V ní je inkoust vsáklý. Další þinnost je dobré provádČt v ochranných rukavicích a v obleþení, na kterém nám pĜíliš nezáleží. Jednou pinzetou držíme zásobník ve svislé poloze a shora do nČj nakapeme nČkolik kapek lihu. Je – li fix již trochu vyschlý, tak více. Kapeme tak dlouho, než se pod dolní þástí zásobníku zaþne tvoĜit kapka. Pak jednou pinzetou pevnČ sevĜeme v horní þásti plastový zásobník a druhou pinzetou jej vyždímáme pĜejíždČním mírnČ stisknutou pinzetou smČrem dolĤ, abychom z nČj vymáþkli požadované množství zĜedČného inkoustu. Jako když maþkáte témČĜ prázdnou tubu se zubní pastou. Z jednoho fixu lze takto získat inkoust asi na 1 až 1,5 dm2 povrchu filtru. Nakapaný inkoust naklánČním rozlijeme po celém povrchu. Je tĜeba odhadnout, kolik kapek je potĜeba na zvolenou plochu. PĜi troše opatrnosti se pĜes hrany skla nepĜelije a zĤstane jen na jedné stranČ. Vrstviþku ne-
182
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 cháme vyschnout, až se vytvoĜí pomČrnČ pevný film. To že je dostateþnČ tmavý, ovČĜíme pohledem na vlákno bČžné 60 W žárovky pĜes vyrobený filtr. Uvidíme jej slabČ prosvítat temnČ þervenou barvou. Pokud chceme mít filtr odolný proti poškrábání, tak zaschlou vrstviþku inkoustu pĜelepíme prĤhlednou lepicí páskou. MírnČ se tím sice zhorší optické vlastnosti, ale výraznČ vzroste mechanická odolnost. Lze také dva stejné filtry po dokonalém vyschnutí pĜitisknout nanesenými vrstvami k sobČ a tak je chránit. Vyrobený filtr je svČtelný, protože absorbuje prakticky všechno svČtlo. Na pohled je þerný, proto také þerný filtr. Pokud vyrábíme filtry o malé ploše, vyrobíme jich najednou nČkolik, aby se bezezbytku využila vyjmutá náplĖ z fixu. Filtrem pĜekryjeme objektiv digitální kamery resp. webkamery nebo digitálního fotoaparátu. SvČtlo je filtrem pohlceno a IR záĜení projde. PĜedmČty kamerou pozorujeme v nepravých odstínech šedi podle odrazivosti jednotlivých materiálĤ pro IR záĜení.
Experimenty s IR záĜením 1) Existence neviditelného záĜení Pro další pokus potĜebujeme diaprojektor bez plastových þástí, které by se mohly teplem poškodit. Vyjmeme z nČj tepelný filtr. To je zelenkavČ zbarvená sklenČná deska mezi þoþkami kondenzoru. Místo diapozitivu vložíme štČrbinu, pĜed diaprojektor umístíme hranol a vytvoĜíme spektrum svČtla na stínítku. IR LED diodu pĜipojíme k digitálnímu voltmetru a namíĜíme ve smČru pĜicházejícího svČtla. Leží-li dioda za þervenou barvou spektra, kam zdánlivČ žádné záĜení nedopadá, voltmetr ukáže napČtí. Diodu namíĜíme na rĤzné zdroje svČtla. Žárovka, záĜivka, bílá LED dioda, svíþka. Ukáže se, že žárovka a svíþka jsou intenzivním zdrojem IR záĜení, zatímco záĜivka a LED dioda vyzaĜují pĜevážnČ svČtlo. Jestliže mezi zdroj svČtla a diodu dáváme rĤzné látky, mĤžeme z poklesu napČtí posoudit, jak velkou þást IR záĜení propustí. 2) PrĤhledné a neprĤhledné PĜipravíme kameru s þerným filtrem a rozsvítíme lampu. Obraz pozorujeme na obrazovce monitoru. PĜed kameru položíme dobĜe sledovatelný pĜedmČt a osvČtlíme jej. Pak ho pĜikrýváme rĤznými materiály a ptáme se, zda je pĜímo viditelný okem (ve viditelném oboru) nebo zda je vidČt po zobrazení kamerou (v infraþerveném oboru). MĤžeme tak všechny zkoumané materiály kvalitativnČ rozdČlit do tabulky: NČkolik pĜíkladĤ rĤzných vlastností vodných roztokĤ IR prochází IR neprochází svČtlo prochází þistá voda roztok modré skalice svČtlo neprochází inkoust nebo hypermangan ve vodČ þerná tuš ve vodČ MĤžeme samozĜejmČ nechat zkoumání rĤzných látek na samostatnou práci dČtí. Lze zkoumat cokoli a najdete zajímavé jevy. NČkolik prvních námČtĤ na zkoumání: - nápisy na rĤzných výrobcích, bankovky - minerály, prĤhledné barevné krystaly, keramické povrchy, rĤznobarevná skla, plasty
183
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 - rĤznobarevné kapaliny a roztoky - rĤzné typy filtrĤ (tepelné, interferenþní, barevné, ...) 3) Vidíme pod povrch Jde o variantu pĜedchozího pokusu. Ukážeme, že sklenČná deska s þerným filtrem je pro svČtlo neprĤhledná. Pokud nakreslíme mČkkou tužkou nČco na bílý papír a pĜekryjeme þerným filtrem, není kresba vidČt. Podíváme li se však na kameru, kresba vidČt je. Efektní je klasická þernobílá fotografie. PĜekryjeme ji þerným filtrem tak, že na svČtle není vidČt (obr. 1). ýerný filtr je pro IR záĜení propustný a fotografii na kameĜe uvidíme (obr. 2). Pokud je neprĤhledný povrch vČcí z materiálu propustného pro IR záĜení, mĤžeme se pod nČj podívat.
Obr. 1 (vlevo) je þernobílá fotografie pĜekrytá þerným filtrem ve viditelném svČtle a na obr. 2 (vpravo) tatáž fotografie v infraþerveném oboru záĜení. ýerný filtr se jeví jen jako mírnČ šedý. Na následujících obrázcích 3 a 4 jsou zleva doprava: tĜi mince zakryté trojicí na sobČ položených barevných filtrĤ modrým, þerveným a zeleným, pak jedna mince pod tepelným filtrem z diaprojektoru a nakonec dva klíþe pod þerným filtrem z lihového fixu.
Obr. 3. Fotografie ve svČtle
Obr. 4. Fotografie v IR záĜení
4) PĜenos signálĤ IR záĜením Nejprve je tĜeba vytvoĜit pĜenosovou soustavu. Zdrojem signálu mĤže být cokoli, co má sluchátkový výstup, napĜ. pĜehrávaþ. Vysílaþ tvoĜí IR LED pĜipojená pĜes rezistor
184
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 asi 300 k ploché baterii. Signál z pĜehrávaþe pĜivedeme pĜes kondenzátor o kapacitČ asi 20 ȝF. Viz obr. 5,7. Signál z pĜehrávaþe moduluje proud procházející diodou a tím i intenzitu IR signálu. Jako pĜijímaþ bude sloužit IR fototranzistor ve vhodné trubiþce, pĜipojený na vstup zesilovaþe. MĤžeme použít i zvukovou kartu v PC.Ta má výhodu, že na mikrofonní vstup je již pĜivedeno napČtí a staþí fototranzistor pĜipojit pĜímo místo mikrofonu. Více v [3]. V pĜípadČ bČžného zesilovaþe je nutno zajistit napájení fototranzistoru. Viz obr. 6.
Obr. 5. Schéma zapojení vysílaþe s IR LED diodou
Obr. 6. Schéma zapojení detektoru pĜijímaþe IR záĜení
Pomocí soupravy vysílaþe-pĜijímaþe mĤžeme provést Ĝadu jednoduchých pokusĤ. NapĜíklad zkoumat, které látky propouští IR záĜení a které ne, nebo jak které materiály záĜení odrážejí.
Obr. 7. Praktické provedení IR vysílaþe prkénkovou metodou pájení na hĜebíþky
Literatura [1] Strumienský J.: Experimenty s infraþerveným a ultrafialovým záĜením, Diplomová práce na PĜírodovČdecké fakultČ MU, Brno 2009. [2] Hadrava J., Tvrdík J., Horodyská P.: Infraþervená fotografie, projekt na SoustĜedČní mladých fyzikĤ a matematikĤ, Plasnice, srpen 2008. [3] DvoĜák L.: Pokusy se zvukovou kartou. Dílny Heuréky 2005, s. 39-48.
185
