Petr Kácovský
Katedra didaktiky fyziky, Matematicko-fyzikální fakulta UK
Abstrakt
Tento příspěvek se věnuje třem fyzikálním experimentům představeným na konferenci, které svojí úrovní primárně spadají do středoškolské výuky. Konkrétně jde o (1) elektricky vodivé bludiště, (2) zahřívání vodiče Foucaultovými vířivými proudy a (3) zahřívání papíru absorbujícího vodu. Společným rysem těchto experimentů je, že termovizní kamera dramaticky zjednodušuje demonstraci probíhajících tepelných jevů.
Úvod
Termovizní kamery se v posledních letech staly užitečným nástrojem ve výuce přírodních věd; zřejmě nejvýrazněji se to týká fyziky, kterou problematika tepelných jevů prostupuje napříč jednotlivými fyzikálními disciplínami. V některých experimentech (například měření teploty kapalin) je termokamera „pouze“ názorným a pro žáky atraktivním nástrojem, ale samotné měření by bylo možné provést velmi přesně i s obyčejným kontaktním teploměrem. Pak jsou ovšem experimenty, ve kterých je kontaktní měření teploty natolik problematické či nepřesvědčivé, že by se do nich učitel nevybavený termokamerou pravděpodobně vůbec nepouštěl – a právě tři takové experimenty jsou v dalším textu popsány.
POKUS č. 1
Elektricky vodivé bludiště
Pomůcky
- Termokamera
- Elektricky vodivé bludiště
- Zdroj napětí + vodiče, krokosvorky
Postup
Materiálně i časově náročnou částí experimentu, který byl inspirován článkem [1], je samotná výroba vodivého labyrintu. Bludiště pro tento experiment (obr. 1 vlevo) bylo vyřezáno z elektricky vodivé kaptonové polyamidové folie, kterou lze zakoupit například v obchodě [2]; výstřižek byl pak nalepen na karton, aby se nedeformoval. Alternativně je možné vytisknout bludiště na 3D tiskárně při použití elektricky vodivého filamentu. Tvar labyrintu se 4 vstupy, který je používán v tomto příspěvku, byl převzat z [1].
Vstupy bludiště připojíme pomocí krokosvorek ke zdroji napětí (obr. 1 uprostřed). Vzhledem k poměrně vysokému měrnému elektrickému odporu použité polyamidové folie je vhodné, aby zdroj poskytoval napětí řádově desítek voltů – konkrétně v tomto provedení byl použit DC zdroj s maximálním výstupním napětím 60 V.
Vysvětlení
Pokud jsou vybrané vstupy bludiště vodivě spojené (tedy bludištěm mezi nimi „lze projít“), začne se cesta vodivého spojení průchodem elektrického proudu zahřívat (obr. 1 vpravo). Experiment je detailněji metodologicky popsán v článku [3].
Obrázek 1: Vlevo – vzor bludiště, uprostřed – experimentální uspořádání, vpravo – termogram
vodivého spojení
POKUS č. 2
Zahřívání vodiče Foucaultovými vířivými proudy
Pomůcky
- Termokamera
- Vrtačka
- Vodivá deska z nemagnetického materiálu
- Neodymový magnet
Postup
Do sklíčidla vrtačky upevníme desku tak, aby se mohla otáčet kolem osy kolmé na desku (obr. 2 vlevo). Pozor, je důležité, aby toto upevnění vydrželo i vysoké otáčky a nedošlo k uvolnění rotující desky! Ve vzorovém případě byl použit kovový disk, jehož středem prochází kolmá osička (obr. 2 uprostřed).
Do bezprostřední blízkosti vodivé desky přiblížíme jeden z pólů neodymového magnetu (obr. 2 vpravo) a postupně zvyšujeme otáčky vrtačky; přitom pociťujeme stále výrazněji sílu snažící se otáčení desky zpomalit. Celou dobu měříme teplotu desky termokamerou; v řádu desítek sekund či jednotek minut (podle materiálu a geometrie desky) zaznamenáme pomalý růst teploty desky.
Obrázek 2: Vlevo – uspořádání experimentu, uprostřed – osička procházející středem disku, vpravo – na kovovém závaží přichycený neodymový magnet přidržovaný v blízkosti disku
Vysvětlení
Pohyb vodivé desky v blízkosti nehybného magnetu způsobuje v desce (resp. jejích částech) proměnné magnetické pole, a tedy i proměnný magnetický indukční tok. Změna magnetického indukčního toku je podstatou jevu elektromagnetické indukce, při které se ve vodiči indukují proudy – u plošných vodičů se označují jako vířivé či Foucaultovy proudy. A právě tyto proudy jsou příčinou zahřívání vodiče (desky) – vzorový výsledek je zachycen na obr. 3.
Obrázek 3: Časový průběh teploty od okamžiku roztočení vrtačky (IR foto: Helena Nováková)
POKUS č. 3
Zahřívání papíru nasávajícího vodu
Pomůcky
- Termokamera
- Papírová utěrka
- Plastová stříkačka s vodou
Postup
Jednu kapku vody o pokojové teplotě kápneme na suchou papírovou utěrku. V souladu s naší zkušeností se po dopadu kapky začne oblast vlhkého papíru zvětšovat „do stran“, jak je voda absorbována jeho strukturou. Sledujeme-li situaci termovizní kamerou, zjistíme, že okraje rozšiřující se vlhké oblasti se krátkodobě zahřejí nad teplotu okolí (obr. 4), o několik sekund později se naopak ochladí pod teplotu okolí.
Obrázek 4: Časový vývoj měření, popisky udávají časový odstup od dopadu vodní kapky na papírovou utěrku
Vysvětlení
Závěr experimentu má jasné vysvětlení – z vlhkého povrchu papíru se odpařuje voda a odebírá z něj skupenské teplo. Otázkou ale je, proč se při prvotním kontaktu vody s do té doby suchým papírem teplota lokálně a krátkodobě zvyšuje. Tímto jevem se zabýval například známý vývojář a autor mnoha IR videí Charles Xie ve článku [4] a připisuje ho vzniku chemické vazby mezi molekulami vody a molekulami celulózy, která je hlavním stavebním kamenem papíru. Voda se na celulózu váže vodíkovým můstkem vznikajícím mezi vodíkem a kyslíkem a vznik této vazby je doprovázen uvolněním energie cca 21 kJ/mol [5]. Uvolnění této energie vede ke krátkodobému růstu teploty, který je ale vzápětí poté, co jsou všechny dostupné vazby vytvořeny, potlačen chladicím efektem vypařování.
Závěr
Přání autora: Pokud někdo ze čtenářů některý z uvedených experimentů vyzkouší, potěší mě, pokud se podělí o své zkušenosti a návrhy na vylepšení. Rád bych také na tomto místě poděkoval organizátorům konference za odhodlání a nadšení, které práci pro komunitu učitelů přírodních věd věnují.
Použitá literatura a informační zdroje
[1] Ayrinhac, S., Electric current solves mazes. Physics Education, 2014, 49(4), s. 443–446.
[2] Hadex (e-shop), HT polyamidová kaptonová folie s elektricky vodivou uhlíkovou vrstvou. [Citováno: 21. 6. 2024]. Dostupné online: https://www.hadex.cz/o416e-ht-polyamidova-kaptonova-folie-s-elektricky-vodivou-uhlikovou-vrstvou/
[3] Kácovský, P., Elektrické obvody očima termovizní kamery. In: Sborník z konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 23, 2018, s. 117–120.
[4] Xie, C., What Really Happens When a Water Droplet Falls on a Piece of Paper? [Citováno: 22. 6. 2024]. Dostupné online: https://charlesxie.medium.com/what-really-happens-when-a-water-droplet-falls-on-a-piece-of-paper-68763d280864[5] Wikipedia, Hydrogen bond. [Citováno: 22. 6. 2024]. Dostupné online: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bond