TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Ústav řízení systému a spolehlivosti

Školní rok: 2011/2012

Crokesův radiometr Crookes radiometer Ročníkový projekt

Řešitel: David Černý Studijní obor: Elektrotechnické a informační řídící systémy Ročník: 3. BS Vedoucí projektu: Ing. Bc. Michal Malík Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Crookesův radiometr Ročníkový projekt

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Ústav řízení systému a spolehlivosti

Akademický rok: 2011/2012

Zadání projektu Jméno a příjmení:

David Černý

Studijní program: Obor:

B6212 – Elektrotechnika a informatika Elektrotechnické a informační řídící systémy

Název práce:

Crookesův radiometr

Vedoucí projektu:

Ing. Bc. Michal Malík Ing. Bc. Jiří Primas

Konzultant projektu:

Zásady pro vypracování práce: 1. Připravte rešerši k tématu radiometr se zaměřením na radiometr Crookesův a jeho historii. 2. Postavte přípravek skládající se z radiometru a zdroje světla, na kterém bude možné demonstrovat základní funkci radiometru. 3. Popište základní princip funkce přípravku ve formě prezentace. Seznam odborné literatury: [1] Feynman, R. : Feynmanovy přednášky z fyziky 1-3. Fragment, Praha 2000 ISBN 807200-405-0. [2]

Lifšic, J. M., Pitajevskij, L. P.: Fyzikální kinetika.

Rozsah průvodní zprávy:

V Liberci dne: Vedoucí projektu:

20 stran

14.10.2011 …………………………………………………… Podpis

2


Prohlášení Svým podpisem stvrzuji, že jsem svou semestrální práci vytvořil samostatně, pouze s použitím uvedené literatury a svých znalostí. Beru na vědomí, že Technická universita v Liberci nebude zasahovat do mých autorských práv užitím mé semestrální práce pro vnitřní potřebu Technické university v Liberci.

Dne:

Podpisy:

3


Abstrakt Práce se zabývá návrhem a realizací přípravku pro demonstraci Crookesova radiometru. Tento přípravek má názorně demonstrovat funkci radiometru ve výuce. V práci jsem vyřešil vlastní návrh přípravku, jeho sestrojení a také ověřil funkci celého přípravku společně s radiometrem. Nedílnou součástí práce je rešerše zaměřená na osobnost Williama Crookese, radiometry, a zvláště pak na radiometr Crookesův. V rámci práce jsem vytvořil jednoduchý návod pro vyučující, který zohledňuje možnosti přípravku a zaručuje bezproblémovou prezentaci.

Klíčová slova: William Crookes, radiometr, demonstrační experiment, Crookesův radiometr, světelný mlýnek.

Abstract The work deals with the design and realization of a device used to demonstrate the function and principle of Crookes radiometer. This device will illustrate the use of a Crookes radiometer in education. I have designed, constructed and proven the functionality of this demonstrational device. Integral part of this work is chapter about William Crookes, another about radiometers in general and a chapter focused on the Crookes radiometer. Finally I have created a simple manual for teachers, which lists all of the capabilities and limitations of the device and helps with the presentation.

Keywords: William Crookes, radiometer, demonstrational experiment, Crookes radiometer, light mill.

4


Obsah Úvod ................................................................................................................................................ 6 1 Historický úvod .......................................................................................................................... 7 1.1 Sir William Crookes .............................................................................................................. 7 1.2 Objev Crookesova radiometru ............................................................................................. 10 2 Radiometry a konstrukce ....................................................................................................... 11 2.1 Radiometry ........................................................................................................................... 11 2.2 Konstrukce Crookesova radiometru .................................................................................... 12 3 Stavba přípravku...................................................................................................................... 14 3.1 Výběr materiálů ................................................................................................................... 14 3.2 Konstrukce přípravku........................................................................................................... 14 3.3 Rozměry přípravku .............................................................................................................. 14 3.4 Konstrukce zdroje světla ...................................................................................................... 15 3.5 První kroky výroby .............................................................................................................. 15 3.6 Upevnění radiometru ........................................................................................................... 16 3.7 Další fáze výroby ................................................................................................................. 17 3.8 Celkové řešení ...................................................................................................................... 18 4 Pokyny pro prezentaci ............................................................................................................. 19 4.1 Světelné podmínky v učebně ............................................................................................... 19 4.2 Prezentace experimentu ....................................................................................................... 19 4.3 Výměna žárovky .................................................................................................................. 19 5 Návrhy možného rozšíření experimentu a přípravku .......................................................... 20 5.1 Změna zdroje světla ............................................................................................................. 20 5.2 Umožnit plynulou regulaci intenzity světla ......................................................................... 21 5.3 Naměření závislostí .............................................................................................................. 21 Závěr ............................................................................................................................................. 22 Seznam použité literatury ........................................................................................................... 23

5


Úvod Tuto práci jsem si vybral, protože téma Crookesův radiometr mi přišlo velice zajímavé. Velké množství mylných informací týkajících se Crookesova radiometru mě motivovalo k vypracování této práce. Mezi nejčastější omyly bezesporu patří tvrzení, že Crokesův radiometr měří tlak záření, popřípadě obsahuje vakuum. Pro tyto účely práce obsahuje rešerši týkající se osobnosti Williama Crookese a jeho objevů, dále se práce zabývá konstrukcí Crookesova radiometru a přehledem různých druhů radiometrů a jejich vlastností. Další částí práce bude popis návrhu a výroby přípravku, který poslouží pro demonstraci funkce Crookesova radiometru ve výuce společně s jednoduchým návodem jak přípravek prezentovat během výuky. Výsledkem celé práce bude přípravek, který poslouží během výuky jako demonstrační experiment.

6


1 Historický úvod 1.1 Sir William Crookes

Obrázek 1: Sir William Crookes

Narozen: 17. června 1832 Zemřel: 4. dubna 1919 William Crookes se narodil jako nejstarší potomek v rodině londýnského krejčího Josepha Crookese. Zhruba od svých 16ti let začal působit na Royal College of Chemistry, kde od roku 1850 do roku 1854 zastával pozici asistenta. Zde záhy (1851) začal pracovat na svém díle z oboru organické chemie, ve kterém ho inspiroval jeho učitel August Wilhelm von Hofmann, ten ho vedl při výzkumu nových sloučenin selénu. Po odchodu z Royal College se stává roku 1854 superintendantem meteorologického oddělení na Radcliffe Observatory v Oxfordu. V roce 1855 byl jmenován odborným asistentem v oboru chemie na Chester Diocesan Training College. Následující rok (1856) se oženil s Ellen Humphrey, dcerou Williama Humphreye z Darlingtonu, s níž měl později tři syny a dceru. S manželkou se po svatbě přestěhoval do Londýna, kde se věnoval především samostatné práci. Roku 1859 zakládá časopis Chemical News, vědecký magazín s méně formálním obsahem, než bylo v té době zvykem, kterému dělal editora mnoho let. Rok 1861 byl pro Crookese úspěšný, objevuje dosud neznámý prvek s jasně zelenou emisní čárou, který pojmenuje Thalium (z řeckého Thallos). Protože byl Crookes vždy lepší v experimentech nežli v jejich interpretaci, objevil výše zmiňované thálium za pomoci spektrální analýzy, kterou přijal s velkým nadšením a zápalem. Tímto objevem byla upevněna jeho pozice vědce, což mělo za následek roku 1863 jeho zvolení za člena Royal Society. Postupem času se 7


začíná Crookes zajímat také o spiritualizmus, což bylo možná dáno smrtí jeho bratra Filipa v roce 1867, který zemřel ve věku 21 let na žlutou zimnici. Díky tomu roku 1870 usoudil, že by se věda také měla zabývat nadpřirozenými jevy spojenými se spiritualizmem. Jeho názory na spiritualizmus však vedly k tomu, že se začalo mluvit o jeho vyloučení z členství v Royal Society. Díky tomu byl Crookes v této otázce mnohem opatrnější a odmítal diskutovat o svých spiritualistických poznatcích na veřejnosti až do roku 1898, kdy jeho vědecká pozice byla jistější díky níže popsaným objevům. V roce 1873 objevuje radiometr, který pojmenoval Crookesův radiometr, ale nedokázal poskytnout pravdivé vysvětlení příčiny otáčení lopatek radiometru v důsledku záření. Stává se jedním z průkopníků v používání a konstrukci vakuových trubic pro studium fyzikálních jevů. Typickým zástupcem je například Crookesova trubice na obrázku 2.

Obrázek 2: Crookesova trubice

Díky svým experimentům s katodovými paprsky (dnes používány například v CRT monitorech), si myslel, že objevil čtvrté skupenství hmoty, které nazval „radiant matter“. Jeho teoretické vysvětlení, že paprsky se skládají z částic běžného složení, se však ukázalo jako mylné. Vše uvedl na pravou míru až sir Joseph John Thomson díky své teorii proudu negativních elektronů. Crookes však díky své experimentální práci položil základy pro pozdější objevy, které změnily celou chemii a fyziku. Prakticky se snažil studovat to, čemu říkáme dnes plazma a identifikoval ho jako čtvrté skupenství již v roce 1879. V témže roce také píše pojednání Select Methods in Chemical Analysis , které vycházelo z jeho článků a poznatků o spektroskopii.

8


Také provádí experimenty se zařízením na obrázku 3 pojmenovaném Spintariskop, které bylo prvním přístrojem pro studium jaderné radioaktivity, přesněji pro počítání záblesků způsobených částicemi a jejich průletech.

Obrázek 3: Spintariskop

Po roce 1880 žije v Kensington Park Gardens, kde ve své soukromé laboratoři provádí své pozdější pokusy. Svůj postoj k spiritizmu však nemění a roku 1890 se stává prezidentem Society for Physical Research. Roku 1895 identifikoval první známý vzorek hélia a záhy roku 1897 získává šlechtický titul. Po objevení radioaktivity (1896) obrací Crookes svou pozornost a výzkum právě na ni. Přidává se také k Theozofické společnosti a v letech 1907-1912 byl prezidentem Ghost clubu, mezi tím mu byl roku 1910 udělen Řád za zásluhy (Order of Merit). V roce 1917 umírá jeho žena Ellen, po dvou letech umírá i William Crookes 4.dubna 1919 a je pochován v Brompton Cemetery.

Obrázek 4: Hrob Williama Crookese – Brompton Cemetery

9


1.2 Objev Crookesova radiometru Roku 1873 vzniká první Crookesův radiometr, nikoliv však cíleně, ale jako druhotný produkt chemického výzkumu Sira Williama Crookese. V rámci své práce potřeboval omezit působení proudu vzduchu při vážení velmi malých vzorků. Při vážení si povšimnul, že jeho měření je ovlivněno slunečním světlem, které dopadalo na misky vah s vzorkem uvnitř baňky. Tato skutečnost ho natolik zaujala, že sestrojil svůj první radiometr. Mylně se domníval, že za otáčení podložek, které při své první konstrukci použil, může tlak dopadajícího světla. Na obrázku 5 můžeme vidět patentní list s datem 12. září roku 1876, ve kterém byl Crookesův radiometr patentován pod číslem 182,172.

Obrázek 5: Patentní list – Crookesův radiomet

10


2 Radiometry a konstrukce 2.1 Radiometry Ottův slovník naučný definuje radiometr jako přístroj k měření energie elektromagnetického záření, založený na jeho tepelném působení. Kromě Crookesova radiometru známe například: Nicholsův radiometr – vynalezen roku 1901 E.F.Nicholsem a G.F.Hullem, je složen z dvou malých stříbrných zrcadel zavěšených na mechanizmu podobném torzním vahám s křemíkovým vláknem. Celý systém je uzavřen v nádobě s možností regulace vnitřního tlaku jak je vidět na obrázku 6. Díky přesné konstrukci, minimální hmotnosti pohybujících se části a především možnosti v baňce vytvořit vakuum, může Nicholsův radiometr měřit tlak záření dopadajícího na zrcátka. Nicholsův radiometr bývá často mylně zaměňován za Crookesův radiometr.

Obrázek 6: Nicholsův radiometr

Mikrovlnný radiometr – (MWR) je radiometr měřící na frekvencích 1-1000 GHz (mikrovlny), používá se na kosmických lodích k měření atmosférického a pozemního záření. MEMS radiometr – mikroelektromechanický radiometr velikosti 0,001-0,1mm.

11


Obrázek 7: MEMS radiometr

2.2 Konstrukce Crookesova radiometru Crookesův radiometr se obvykle skládá ze sedmi různých částí (viz obrázek 8), které jsou společné pro různé typy radiometrů.

Obrázek 8: Popis Crookesova radiometru

1. Otočná část jehlového ložiska – Obvykle bývá vyrobena z tenkostěnného skla, ve výjimečných případech je kovová. Vždy je opatřena výstupkem pro přesné usazení na jehlovém ložisku a jsou na ní pevně přichyceny lopatky radiometru. 2. Lopatky – Nejčastěji je Crookesův radiometr vybaven čtyřmi lopatkami přichycenými na otočené části jehlového ložiska. V prvních fázích vývoje radiometr obsahoval jediný pár zvlněných lopatek čtvercového tvaru vyrobených z tenkého hliníku. Později se tvar mění na kulaté lopatky, které mají jednu stranu z tenkého hliníkové fólie a druhá stana lopatky

12


je začerněná. Záhy je přidán druhý pár lopatek a tvar se mění na obdélníkový s trojúhelníkovými konci. Dnes vyráběné radiometry mají kosočtvercové lopatky ve dvou párech vzájemně natočených o 90º. Přehled tvarů můžeme vidět na obrázku 9.

Obrázek 9: Druhy lopatek

3. Jehlové ložisko – Jehlové ložisko obsahovaly radiometry už od prvních prototypů, využívá se kvůli minimálnímu tření mezi pevnou a otočnou částí ložiska. Obvykle bývá vyrobeno z kovových materiálů. Původní patentovaný model radiometru obsahoval dvě jehlová ložiska, mezi kterými se otáčely lopatky. 4. Uchycení jehlového ložiska – Dnešní radiometry mají uchycení jehlového ložiska zatavené ve skle, které je připevněno ve spodní části baňky. 5. Skleněná baňka – Hlavní část radiometru tvoří skleněná tenkostěnná baňka tvarem nejvíce podobná klasické žárovce. Uvnitř baňky je podtlak, který se pohybuje okolo 1Pa, při tomto tlaku má radiometr nejvyšší účinnost. V některých zdrojích se mylně uvádí, že v baňce je vakuum. 6. Uzávěr baňky – Radiometry mají obvykle pevný uzávěr, který udržuje v baňce stálý podtlak, některé speciální radiometry jsou opatřeny uzávěrem s ventilkem, kterým lze regulovat hodnotu tlaku uvnitř baňky 7. Podstavec – Obvyklou součástí radiometru bývá buď pevný nebo odnímatelný podstavec, vyrobený většinou ze dřeva, plastu či kovu, který skrývá nepravidelný svar baňky, popřípadě ventilek. Některé radiometry mají celoskleněný podstavec napevno připevněný k tělu baňky.

Obrázek 10: Různé provedení Crookesova radiometru

13


3 Stavba přípravku 3.1 Výběr materiálů Jako materiál pro stavbu přípravku jsem zvolil dýhovanou dřevotřísku. Tento materiál je vhodný svou cenou, opracovatelností, ale také vahou, která nám zaručí pevnost a stabilitu celého přípravku. Tyto vlastnosti jsou žádané, protože přípravek bude složit jako pomůcka pro výuku. 3.2 Konstrukce přípravku Při konstrukci přípravku bylo nutné vymyslet vhodný tvar, který umožní dobře prezentovat Crookesův radiometr při výuce. Jako nejoptimálnější řešení se jevilo použití základny a dvou pevných boků. Ty zajistí alespoň částečné odrušení potencionálně dopadajícího slunečního světla na radiometr, což je žádoucí z důvodu prezentace, kdy se lopatky radiometru roztočí až po zapnutí zdroje světla. Boční stěny také poslouží jako jednolitá plocha, před kterou bude umístěn radiometr, což je výhodné pro pozorovatele experimentu, který není rušen případným členitým pozadím. Díky této konstrukci je pak jednodušší pozorovat pohyb točících se lopatek radiometru, které by jinak mohly být díky své barvě a velikosti špatně viditelné při prezentaci. Na obrázku 11 je vidět návrh konstrukce přípravku.

Obrázek 11: Návrh konstrukce přípravku

3.3 Rozměry přípravku Vzhledem k potřebě přenositelnosti a zároveň prezentovatelnosti výrobku, bylo nutné zvolit vhodnou velikost přípravku. Konečná velikost přípravku byla upravena také podle rozměrů radiometru a zdroje světla. Rozměry přípravku tedy jsou: A = 40cm ; B = 13cm ; C = 14cm.

14


3.4 Konstrukce zdroje světla Jako zdroj světla jsem zvolil všesměrově polohovatelnou lampičku s vypínačem. Zároveň bylo nutné vyřešit vhodný podstavec, který zajistí bezproblémovou manipulaci se zdrojem světla. Po konzultaci s vedoucím projektu jsme usoudili, že bude vhodné vytvořit samostatný modul se zdrojem světla a samostatný přípravek. Tato konstrukce je vhodnější pro jednodušší možnost přenesení výrobku, ale také k možnosti změny zdroje světla, popřípadě využití jen samostatného přípravku. Návrh konstrukce zdroje světla je naznačen na obrázku 12. Rozměry konstrukce jsem zvolil úměrné k velikosti lampičky a rozměrům přípravku. Rozměr modulu světla je: D = 28cm ; E = 13cm.

Obrázek 12: Konstrukce zdroje světla

3.5 První kroky výroby Materiál jsem nařezal na požadovanou velikost, celý přípravek následně spojil pomocí vrutů. Jako problém se ukázali hrany jednotlivých dílů, na kterých byly vidět jednotlivé řezy a struktura dřevotřísky. K odstranění tohoto problému bylo nutné zakoupit nažehlovací lemovku, která zajistí ochranu nevzhledných hran a sjednotí celkový vzhled přípravku. Vzhled přípravku v první fázi konstrukce je možné vidět na obrázku 13.

Obrázek 13: Fotka přípravku během výroby

15


3.6 Upevnění radiometru V průběhu výroby se prováděly další úpravy výrobku. Jedna z věcí, kterou bylo nutné vyřešit, bylo uchycení radiometru k přípravku. Vzhledem ke konstrukci radiometru a poměrně hladkému povrchu přípravku, po kterém by plastový podstavec radiometru klouzal, jsem musel vymyslet vhodný stojánek. S ohledem na radiometr, který je poměrně křehký a nesnesl by hrubé zacházení, bylo nutné vyrobit vhodný stojánek tak, aby umožňoval pevné uchycení, ale zároveň i možnost vyjmutí radiometru. To je důležité pro možnost uskladnění radiometru mimo přípravek tak, aby byla zajištěna mobilita přípravku. Pro konstrukci stojánku bylo vyžito kovové víčko nádoby, které mělo kulatý tvar a průměr lehce větší nežli je průměr plastového stojánku radiometru. Tento polotovar jsem po nabarvení na černo vybavil gumovou zarážkou po obvodové hraně. Takto upravený stojánek umožňuje jednoduché „zacvaknutí“ radiometru, který je jištěn právě výše zmiňovanou gumou. Radiometru tak nehrozí pád nebo jeho sesunutí, a to do takové míry, že je možné přípravkem normálně manipulovat, což je vhodné například pro připravení experimentu před přednáškou nebo cvičením, kdy do výuky vyučující přinese již přípravek vcelku. Stojánek a detail uchycení radiometru je možné vidět na obrázku 14.

Obrázek 14: Stojánek a uchycení radiometru

16


3.7 Další fáze výroby Postupem času přibývaly další prvky přípravku. Po důkladném zalemování okrajů jsem přípravek vybavil gumovými nožičkami. Tyto nožičky zajistí stabilitu přípravku, v případné absenci nožiček by hrozilo neúmyslné sklouznutí přípravku například z hladkého povrchu stolu, což by mohlo vést v horším případě i ke zničení radiometru.

Obrázek 15: Detail jednoho páru nožiček

Dalším krokem výroby bylo uchycení zdroje světla na samostatnou základnu. Jak je vidět na obrázku 13 z první části výroby, kde bylo uchycení zdroj světla řešeno provizorně pouhou kovovou sponou, která by vadila při postavení základny na rovný povrch. Pro tento účel existuje druhý způsob uchycení zdroje světla, a to pomocí šroubů a jednoduchého stojánku. Bohužel tento stojánek chyběl v balení se zdrojem světla a musel jsem ho sehnat dodatečně. To se ze začátku jevilo jako problém, naštěstí výrobce, kterého jsem kontaktoval, poskytl chybějící stojánek.

Obrázek 16: Detail uchycení zdroje světla

17


Posledním krokem bylo vybavení přípravku odlišně barevnou pozorovací plochou. To je vhodné pro pozorování za světelně zhoršených podmínek, kdy by v zatemněné učebně mohl být špatně viditelný pohyb lopatek radiometru. Pro tuto realizaci jsem zvolil vytisknutou šablonu na papír, překrytou fólií, vše jsem následně přilepil na menší boční stranu přípravku.

Obrázek 17: Detail pozorovací plochy

3.8 Celkové řešení Na obrázku 18 můžeme vidět, celkové řešení přípravku pro prezentaci Crookesova radiometru. K jeho realizaci bylo zapotřebí zohlednit všechny možnosti a aspekty, které mohou nastat při využití přípravku ve výuce. Zvláštní důraz je dán na možnost přenášení přípravku a jeho případné uskladnění.

Obrázek 18: Fotka celého přípravku

18


Díky dvoudílné konstrukci je možné celý přípravek dobře složit a přenášet. Je třeba však dbát na to, aby při skládání nebyl v přípravku umístěn radiometr a nedošlo tak jeho zničení. Výhodou je také možnost vyndat celý radiometr a ukázat ho celé třídě. Možnost uskladnění přípravku můžeme vidět na obrázku.

4 Pokyny pro prezentaci V této kapitole nalezneme některé podmínky a doporučení pro prezentaci experimentu s Crookesovým radiometrem. 4.1 Světelné podmínky v učebně V první řadě je zapotřebí zajistit v učebně alespoň částečné omezení přímého slunečního svitu a případného vypnutí zdrojů světla s vysokými tepelnými ztrátami. Toho lze dosáhnout zatažením rolet, žaluzií nebo alespoň změnou umístění přípravku. Právě v posledním případě se velmi dobře uplatní dvě plné strany přípravku, které mohou zamezit případnému dopadu slunečního světla na lopatky radiometru. V případě světelně nepříznivých podmínek v učebně může dojít k ovlivnění experimentu. V takovéto situaci radiometr nemusí setrvávat v klidové poloze, kdy se lopatky netočí a tím pádem už nemusí být tak viditelná reakce lopatek na sepnutí zdroje světla. 4.2 Prezentace experimentu Před vlastní prezentací je zapotřebí umístit radiometr do stojánku. Připravit si zdroj světla do správné polohy, tak aby při sepnutí osvětloval radiometr. V případě potřeby upravit světelné podmínky v učebně. Pokud došlo k manipulaci s radiometrem je dost pravděpodobné, že lopatky radiometru nebudou v klidové poloze. Proto je nutné počkat na ustálení lopatek, ideálně do té doby než jejich pohyb nadobro ustane. Poté může vyučující zapnout zdroj světla a ukázat studentům odezvu radiometru na toto sepnutí. V průběhu demonstrace je možné měnit vzdálenost a polohu světelného zdroje vůči přípravku a radiometru. Tímto způsobem se může pozorovat změna otáček lopatek radiometru v závislosti na polohách a vzdálenostech světelného zdroje. Po ukončení experimentu a vypnutí zdroje světla můžeme pozorovat klesající otáčky radiometru. Další postup je pouze na vyučujícím, který může začít diskuzi, popřípadě výklad. 4.3 Výměna žárovky V případě nutnosti vyměnit žárovku v přípravku, je zapotřebí dodržet správné parametry žárovky. Musíme také mít stále na mysli, že se jedná o elektrický spotřebič, proto veškeré 19


výměny zdroje světla provádíme s odpojenou přívodní šňůrou, tak abychom předešli úrazu elektrickým proudem. Zdroj světla je navržen pro síťové napětí a žárovky klasického typu. Pro bezproblémový chod je vhodné použít žárovky o výkonu maximálně 60W. Závit žárovky může být E14 nebo E27, k přípravku je přiložena redukce závitu která zaručí kompatibilitu. V případě nedodržení horní hranice výkonu je potřeba počítat s možností tepelného poškození zdroje světla při dlouhé době zapnutí, v horším případě dokonce ke zničení radiometru vlivem tepla. Ve výjimečných případech je možné použít krátkodobě žárovky s vyšším výkonem ale je zapotřebí kontrolovat zda zdroj světla nebo baňka radiometru nejsou vystaveny příliš vysokým teplotám.

Obrázek 19: Redukce závitu z E14 na E27

5 Návrhy možného rozšíření experimentu a přípravku V rámci bakalářské práce by mohlo dojít k dalšímu rozšíření přípravku, na kterém by bylo možné lépe provádět demonstraci Crookesova radiometru. 5.1 Změna zdroje světla Jedním z návrhů rozšíření přípravku by byla změna zdroje světla. Pro tyto účely, vzhledem k funkci radiometru, by se nejlépe hodil zdroj světla s dominantní ultrafialovou složkou světla. Toto rozšíření by zaručilo, že při prezentaci by infračervený zdroj světla nevyzařoval tolik viditelného světla jako obyčejná žárovka. Díky této náhradě by poté bylo možné poukázat na to, že lopatky radiometru se neotáčí vlivem tlaku dopadajícího záření. Otáčení je způsobeno tepelnými účinky dopadajícího záření na lopatky radiometru.

20


5.2 Umožnit plynulou regulaci intenzity světla Mezi další návrh vylepšení přípravku se řadí možnost regulace intenzity světla. Tato regulace by pro potřeby demonstrace byla ideální. Díky regulovatelné intenzitě světla by bylo možné sledovat plynulou změnu otáček lopatek radiometru. Tato úprava zajistí další možnosti v prezentaci crookesova radiometru. 5.3 Naměření závislostí Mezi další možnosti rozšíření experimentu by bylo možné naměřit závislost počtu otáček v závislosti například na vstupním výkonu na zdroji světla, intenzitě záření a podobně. Pro měření závislostí by byla dobře využitelná možnost regulace intenzity světla, díky které bychom mohli proměřit jednotlivé body charakteristik. Pro měření otáček radiometru by bylo vhodné najít optimální měřící metodu, která byla schopna měřit otáčky přes sklo baňky radiometru a reagovala na malé lopatky.

21


Závěr V rámci práce byl vytvořen přípravek se zdrojem světla, který bude sloužit ve výuce pro demonstrační experiment s Crookesovým radiometrem. Stanovené cíle práce zadáním jsem splnil bez vážnějších problémů. Velice zajímavou částí pro mne bylo vypracování rešerše, kdy jsem pronikl do problematiky týkající se radiometrů obecně. Jediným problémem bylo množství mylných nebo protichůdných informací, které se týkají Crookesova radiometru. Analýza těchto informací mě přesvědčila, že je tato práce určitě přínosná k pochopení dané problematiky. Mezi základní poznatky v této práci patří zcela jistě skutečnost, že Crookesův radiometr neměří tlak záření, v jeho baňce se nachází podtlak a nikoliv vakuum a jeho lopatky se točí světlejší stranou napřed. Tyto znalosti mi pomohly v navrhnutí a sestrojení funkčního přípravku pro demonstraci funkce Crookesova radiometru. Vytvořené pokyny pro prezentaci by měli dobře posloužit pro bezproblémovou demonstraci funkce radiometru.

22


Seznam použité literatury

[1] Feynman, R. : Feynmanovy přednášky z fyziky 1-3. Fragment, Praha 2000, ISBN 80-7200-405-0. [2] Lifšic, J. M., Pitajevskij, L. P.: Fyzikální kinetika. [3] William Crookes. [online]. [cit. 2012-08-02] URL: [4] Hodson Brock , W. : Science, technology, and culture, 1700-1945, Ashgate Publishing, ISBN 0-7546-6322-1. [5] Crookes radiometer [online]. [cit. 2012-22-02] URL: [6] Nichols radiometer [online]. [cit. 2012-12-01] URL: [7] MALÍŠEK, V. Rozhledy matematicko-fyzikální, říjen1987, roč. 66, č. 2. ISSN 0035-9343. [8] Folta, J. :Dějiny matematiky a fyziky v obrazech, osmý soubor. Praha 1989, ISBN 80-7015-012-2.

Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh černobíle.

23

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Recommend Documents