Pokusy s piezoměničem

Oldřich Lepil

Rozvoj elektroniky a nových materiálů přináší řadu netradičních součástek, které můžeme využít při demonstračních i žákovských pokusech ve škole. Takovou sou­částkou je i samovybuzovací piezoměnič, který je již při malém stejnosměrném na­pájecím napětí (od 1,5 V) zdrojem intenzívního zvuku o frekvenci 3 kHz až 5 kHz (podle typu). Konstrukčně je piezoměnič zabudován do válcového pouzdra z plas­tického materiálu o průměru 30 mm a lze ho snadno pomocí šroubů, popř. nalepe­ním namontovat na vhodný držák. Pro dále uvedené pokusy byl použit piezoměnič typu SK 900 53, jehož prodejní cena je cca 60 Kč. Namontován byl na destičku z umaplexu tloušťky 10 mm, opatřenou zdířkami pro připojení piezoměniče do elek­trického obvodu. V destičce byl provrtán podélně otvor, který usnadňuje upevnění piezoměniče na stativu v potřebné výšce nad demonstračním stolem (obr. 1).

obr. 1

Ve školní experimentální technice najde piezoměnič použití všude tam, kde potře­bujeme kvalitativně indikovat malé proudy v elektrických obvodech, které ještě ne­postačují k tomu, aby se jimi rozžhavilo vlákno žárovky. A poněvadž jde o zvuko­vou indikaci, je samozřejmé, že piezoměnič najde uplatnění i v učivu akustiky.

Z řady pokusů s piezoměničem uvedeme tři typické příklady pokusů s kondenzá­torem, s polovodičovými součástkami a se zvukovým vlněním.

1. Pokusy s kondenzátorem

obr. 2

Piezoměnič je velmi vhodnou pomůckou pro demonstraci vlastností kondenzátoru jednak v obvodu stejnosměrného proudu, jed­nak v obvodu střídavého proudu.

Pro demonstraci kondenzátoru v obvodu stejno­směrného proudu využijeme dobře dostupné elektrolytické kondenzátory o velké kapacitě řá­dově 10³ mF. Jestliže takový obvod zapojíme po­dle obr. 2a např. k baterii 4,5 V, slyšíme po do­bu řádově sekundy zvuk měniče, který postupně slábne, až zanikne. Příčinou tohoto efektu je nabíjecí proud, který se exponenciálně zmenšuje, a po nabití kondenzátoru již proud obvodem neprochází. Děj několikrát opakujeme zkratováním kondenzá­toru a když zkratování periodicky opakujeme, slyšíme zvuk měniče nepřetržitě. To ilustruje funkci filtračního kondenzátoru v usměrňovači. Ukážeme také vybíjení kondenzátoru podle obr. 2b (musíme zaměnit polaritu přívodů k měniči). Je vhodné doplnit obvod ampérmetrem a sledovat průběh změn proudu v obvodu.

Stejným postupem demonstrujeme děje v obvodu střídavého proudu, v tomto přípa­dě využijeme možnosti vybudit piezoměnič také malým střídavým napětím (1 V) např. z tónového generátoru. Místo elektrolytického kondenzátoru ovšem použije­me kondenzátor svitkový s podstatně menší kapacitou (řádově 0,1 mF). Po připojení do obvodu stejnosměrného proudu se zvuk měniče neozve, ale v obvodu střídavého proudu o frekvenci blízké frekvenci jeho vlastního kmitání (3 kHz) slyšíme zvuk stejně jak v obvodu s kondenzátorem, tak v případě, že kondenzátor přemostíme vodičem. Tím dokazujeme malou kapacitanci kondenzátoru v obvodu střídavého proudu.

2. Pokusy s polovodiči

obr. 3

Při demonstraci vlastností polovodičových součástek použijeme piezoměnič jako in­dikátor proudu.

Velmi jednoduchá a působivá je demonstrace vlastností foto­rezistoru podle obr. 3. Po zapojení obvodu slyšíme při neza­krytém fotorezistoru zvuk měniče. Jestliže fotorezistor pře­kryjeme rukou, nebo lépe malou papírovou krabičkou, měnič přestane kmitat. To dokazuje, že ve tmě má fotorezistor mno­hem větší odpor než při osvětlení.

Stejným způsobem můžeme také indikovat proud procháze­jící polovodičovou diodou. Vzhledem k tomu, že vlastní odpor měniče je přibližně 1 kW, není třeba zařazovat do obvodu diody další rezistor, který by omezil proud v propustném směru.

obr. 4

Pro demonstraci funkce tranzistoru je vhodné použít vý­konový tranzistor (např. KC11), jehož kolektorový proud může být řádově až 0,1 A, takže jako indikátor kolekto­rového proudu použijeme žárovku do kapesní svítilny. Při demonstraci nejprve ukážeme, že v sériovém spojení piezoměniče s žárovkou se vlákno žárovky nerozsvítí. Pak zapojíme piezoměnič do obvodu báze (obr. 4) a žá­rovku do kolektorového obvodu. Po připojení obvodu bá­ze slyšíme současně zvuk a zářící žárovka dokazuje zesi­lovací funkci tranzistoru.

3. Pokusy z akustiky

Pro pokusy z akustiky potřebujeme především zjistit frekvenci zvuku piezoměniče, což samo o sobě představuje zajímavou úlohu pro žáky. Opomeneme-li přímé mě­ření frekvence např. pomocí některého dostupného počítačového systému (IP Coach, ADDA Junior aj., viz např. [1]), nabízejí se v podstatě dvě možnosti.

První možnost představuje metoda nulových záznějů, pro kterou potřebujeme tó­nový generátor, k jehož výstupu připojíme malý reproduktor, nebo ještě lépe další piezoměnič. Zatím co piezoměnič připojený ke zdroji stejnosměrného napětí kmitá s vlastní frekvencí, piezoměnič připojený k výstupu tónového generátoru kmitá s nastavenou frekvencí. Jestliže se tato frekvence přiblíží k vlastní frekvenci prvního měniče, slyšíme zřetelné rázy a nastavením frekvence tak, aby frekvence rázů byla co nejnižší, popř. aby zanikla, zjistíme frekvenci vlastního kmitání piezoměniče.

Pokus je současně demonstrací rezonance. Pokud bychom k předcházejícímu experi­mentu použili reproduktor, bude intenzita zvuku při všech frekvencích přibližně stejná (s ohledem na proměnnou citlivost ucha). Jestliže použijeme piezoměnič, je zvuk nuceného kmitání poměrně slabý, v okolí vlastní frekvence piezoměniče se však výrazně zesílí a nastavením frekvence na hodnotu, při níž je intenzita zvuku maximální, zjistíme přibližnou hodnotu vlastní frekvence piezoměniče.

Druhý typický postup je založen na vybuzení stojatého vlnění v rezonátoru. Tento postup můžeme využít k měření frekvence na základě znalosti rychlosti zvuku, ne­bo naopak k měření rychlosti zvuku při známé frekvenci piezoměniče. Jako rezoná­tor použijeme např. trubku z PVC délky cca 0,5 m (viz [1]). Piezoměnič umístíme před ústím jednoho konce trubky a z druhé strany zasuneme do trubky kotouč z uma­plexu jako píst (obr. 5). Píst je opatřen táhlem v podobě dostatečně dlouhé tyče, aby na ni bylo možné vyznačovat polohu pístu. Při měření píst nastavíme na začátek re­zonátoru a vyhledáme polohu, při níž nastane rezonanční zesílení zvuku. Pak píst zvolna přesouváme k opačnému konci a podle opakujících se rezonancí určíme po­čet n půlvln stojatého vlnění připadajících na vzdálenost l mezi počáteční a koneč­nou polohou pístu. Ze vztahu , kde v je rychlost zvuku a f je jeho frekvence, určíme při známé rychlosti zvuku frekvenci a naopak při známé frekvenci rychlost zvuku.

obr. 5

Efekty spojené se superpozicí postupného a odraženého vlnění můžeme demonstro­vat i bez rezonátoru. Stojaté vlny registrujeme již při odrazech zvuku s poměrně vy­sokou frekvencí od stěn učebny. Lépe je však ukážeme tak, že před piezoměničem pohybujeme rozměrnější deskou. Při přemísťování desky zřetelně slyšíme periodic­ké zesilování a zeslabování zvuku.

obr. 6

Trubku z PVC použijeme také pro demonstraci platnosti zákona odrazu pro zvu­kové vlnění. Uspořádání pokusu je patrné z obr. 6. Piezoměnič umístíme na okraji trubky, jejíž opačný otevřený konec míří na rozměrnou desku (např. 0,5 ´ 0,5 metru). Deskou otáčíme a ve směru kolmém k ose trubky indikujeme odražený zvuk. V nejjednodušším případě odražený zvuk indikujeme sluchem. Aby indikace nebyla rušena interferenčními efekty, provádíme indikaci jen jedním uchem přivrá­ceným směrem k desce. Sledujeme intenzitu odraženého zvuku a po nastavení des­ky do polohy, při níž má odražený zvuk největší intenzitu, ověříme např. pomocí pravoúhlého rovnoramenného trojúhelníku platnost zákona odrazu.

Literatura

1.    Lepil, O.: Demonstrujeme kmity netradičně, Prometheus, Praha 1996.