Úvod do aplikované fyziky

Úvod do aplikované fyziky Ing. Lucie Gembalová, Ph.D. Fyzika – zdroj poznání a základ technických aplikací Země, Slunce, vesmír – existence jevů (děje a stav hmoty) Fyzika → zkoumá pravidla jevů – přírodní zákonitosti = věda o nejzákladnějších přírodních zákonitostech – observace (pozorování) + experiment –experiment: renesance Galileo Galilei (1546 –1642) nalezení a formulace fyzikálních zákonů s využitím matematiky Fyzikální zákony: podle objevitele (Newtonův gravitační zákon) prosté označení (stavová rovnice ideálního plynu) heuristický (objevný) experiment Ověření správnosti a pravdivosti jevu = verifikace nebo observace Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Využívání přírodních zákonitostí → evoluce Fyzikální zákony – konstrukce a výroba zařízení usnadňující život – zneužívání (bojové a válečné účely) – správné pochopení → aplikace → vynález Kolo a rotor s pevnou osou – snadnější překonávání nerovností povrchu při přemisťování Létání – jednosměrné orientování toku vzduchu, který je orientován proti směru uvažovaného letu Vodní živočichové – ryby – inspirace pro stavbu lodí a ponorek Vidění živočichů – buňková struktura elektronických obrazových čipů podobná systému tyčinek a čípků Biomimetika – vědní obor na pomezí biologie a techniky – technické aplikace využívající přírodní evoluci (mrakodrap Taipei – struktura stébla bambusu) Technické aplikace – základ v přírodních zákonitostech, popsaných fyzikálními zákony – přímo inspirované přírodou, nebo ty které bychom v přírodě vůbec nenašli (aplikace elektromagnetismu) Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain mrakodrap Taipei – využití fyziky v technických oborech termika a termidynamika (18. –19. stol.) → parní stacionární a dopravní stroje elektřina a magnetismus (1.pol. 19. stol.) → telegraf, elektromotor, galvanický článek,… fyzika pevných látek a polovodičové aplikace (20. stol.) → telekomunikace, počítače,…. Technické aplikace jako motivační činitel Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Fyzikální zákon je v podstatě matematický model přírodních zákonitostí Kvantitativně formulované fyzikální zákony – přesné matematické modely zkoumaných přírodních jevů – jednoduché: algebraické vztahy mezi zkoumanými veličinami složité: diferenciální rovnice Formulace fyzikálních zákonů – nejdříve přibližné, v průběhu procesu jsou zpřesňovány a korigovány Moderní fyzika a matematika –20. a 21. stol. se začala fyzika zabývat objekty, které nejsou pozorovatelné (prostřednictvím účinků) –mikrofyzikální objekty (struktura atomu a jeho jádra, fyzika pevné fáze, fyzika polovodičů) megafyzikální objekty (procesy v nitru hvězd, vývoj galaxií, struktura a vývoj vesmíru jako celku) Modely – vycházejí z poznaných skutečností, z možných reálných podmínek a zákonů – rozpracovány složitými matematickými objekty (nelineární parciální diferenciální rovnice, fraktály atd.) – řešení předvídají možnou existenci určitých stavů nebo dějů – ověření (verifikace) experimenty, technickou realizací nebo astronomickou observací Matematika – nástroj fyziků a techniků historie: rozvoj matematických oborů na základě potřeb fyziky, geometrie a technických oborů Diferenciální a integrální počet Isaac Newton (1641 –1727) – derivace pro stanovení okamžité rychlosti z funkce popisující trajektorii bodu – integrace pro stanovení trajektorie bodu při znalosti funkčního průběhu rychlosti při dané počáteční rychlosti Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 –1716) – derivace pro stanovení směrnice tečny – formulace integrace s motivací stanovení délky čáry mezi dvěma body a pak pro určení plošného obsahu pod vymezeným úsekem křivky, pro kterou platí f(x) ≥ 0, a osou x Vývoj fyziky a matematiky Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Leonhard Euler (1707 –1783) –rozvoj infinitezemálního počtu, zejména teorie řešení diferenciálních rovnic –objev funkce y = ex(e = 2,718 281 828…Eulerovo číslo), která se derivováním a integrováním nemění → velký význam v řešení diferenciálních rovnic Eulerovo číslo je iracionální a je definováno limitou posloupnosti James Clerk Maxwell (1831 –1879) (na obrázku) – odvození rovnic elektromagnetického pole Heinrich Hertz (1857 –1894) – vektorová analýza – přehledný a názorný tvar Maxwellových rovnic Carl Friedrich Gauss (1777 –1855) –teorie náhodných chyb založená na normálním (gaussovském) rozložení James Clerk Maxwell Kurt Gödel (1906 –1978) – zabýval se teorií množin, vynikal v matematické logice a podal nové řešení Einsteinových rovnic Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Přehled základních vzorců infinitezimálního počtu Derivace – derivovat lze každou spojitou funkci, přičemž první derivace funkce geometricky udává směrnici tečny v uvažovaném bodě křivky, popsané derivovanou funkcí – při funkčním vyjádření závislosti polohového vektoru pohybujícího se bodu na čase, první derivace podle času popisuje rychlost bodu v určitém okamžiku, tj. její velikost a směr Integrace – inverzní operace k derivování – např. při integrování funkce 𝑓𝑓(𝑡𝑡) se hledá funkce 𝐹𝐹(𝑡𝑡), tzv. primitivní funkce, jejíž první derivace je rovna integrované funkci 𝑓𝑓(𝑡𝑡). Je zřejmé, že takto určená operace není jednoznačná, nalezená primitivní funkce je určena až na integrační konstantu. K jejímu určení je nutné připojit okrajové (resp. počáteční) podmínky – složitější operace než derivování – každou spojitou funkci integrovat přibližně po jejím rozvinutí v řadu, nebo numericky na počítači Derivace funkcí o jedné nezávislé proměnné Nezávislá proměnná -čas (t), v obecné matematice x akonstanta, n – racionální číslo Derivace součtu a rozdílu funkcí Derivace součinu a podílu dvou funkcí První horkovzdušný balón –bratři Montgolfierovi (1783) → mongolfiéra – nosné médium: vodík, zátěž: pytlíky s pískem Nosná síla dána rozdílem tíhy studeného vzduchu vytlačeného balónem a tíhy plynu uvnitř pláště balónu. Vodík: třaskavost → nahrazen héliem Sportovní balónové létání – nosné médium: horký vzduch (hustota vzduchu závisí na termodynamické teplotě a tlaku) – využití stavové rovnice Balónové létání z toho pro p1= p0je Konstrukce: paraventil, umožňující výtok přebytečného horkého vzduchu nejvýhodnější tvar – koule neprodyšná polyesterová či polyamidová textilie, v blízkosti hořáků nomexová textilie ratanová gondola zavěšená na ocelových lanech s plynovou tlakovou nádobou a hořáky Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Nevýhoda balónů: pohyb nelze ovládat v horizontálním směru → vynález vzducholodí Tvar: nosné těleso „doutník“, opatřená motorem s vrtulí a kormidlem Nosné médium: vodík nebo hélium První projekt vzducholodě: 1783 –bez motoru 1852 – první let 27 km – pohon parním strojem (nebezpečné z důvodu přítomnosti vodíku) 1884 – pohon elektromotorem napájeným bateriemi ( nedostatečná kapacita baterií) 1887 – pohon spalovací motor (zášleh plamene → požár) Zepelíny – zlatá éra vzducholodí – počátek 20.stol. – doprava, vojenství: pozorovatelny, bombardéry – problém: embargo na prodej hélia 1937 – havárie LZ 129 Hinderburg → konec éry Vzducholodě Zdroj: Vybíral (2019) Zepelín LZ 129 Hindenburg Setrvačník (gyroskop) = tuhé osově souměrné (rotační) těleso s velkým momentem setrvačnosti vzhledem k ose souměrnosti (volná osa) – roztáčejí se na velkou frekvenci otáčení (technické až 100 000 min-1) → vysoká Eka L(moment hybnosti) – nositel kinetické energie → využití v technické praxi – rotace setrvačníku kolem pevné osy → jednoduché řešení pohybu rotace setrvačníku kolem pevného bodu (prostorová rotace) → složitější řešení pohybu Setrvačník a jeho aplikace a) b) prostorová rotace disku, c) znázornění obecného pohybu setrvačníku: vlastní rotace (φ), precese (ψ), nutace (ϑ) Zdroj: Vybíral (2019) Impulsové věty Tuhé těleso může vykonávat 2 typy pohybu: 1. prostorová translace (všechny body opisují stejné trajektorie) → zvolení jednoho bodu -hmotný střed (těžiště) 2. prostorová rotace (podle Eulera lze rozložit na tři rotace – vlastní rotace, precese, nutace) 6 složek pohybu – zadání skalárních souřadnic (tuhé těleso má šest stupňů volnosti) tři kartézské souřadnice hmotného středu (xS,yS,zS) tři úhly pro rotace: vlastní rotace (φ), precese (ψ), nutace (ϑ) Určení těchto souřadnic řeší dvě vektorové pohybové rovnice Pohybové rovnice setrvačníku F….celková síla působící na těleso M…celkový moment síly p…..celková hybnost tělesa L…..celkový moment hybnosti tělesa První impulsová věta Druhá impulsová věta Moment setrvačnosti Míru setrvačných účinků tělesa při translaci popisuje jeho hmotnost. Míru setrvačných účinků tělesa při rotaci popisuje moment setrvačnosti k příslušné ose. Závisí na hmotnosti jeho částic a na druhé mocnině jejich vzdálenosti od příslušné osy. Tenzorová veličina, popsaná symetrickým tenzorem druhého řádu o šesti nezávislých složkách: Jxx, Jyy, Jzz (momenty setrvačnosti ke kartézským osám) Jxy = Jyx, Jxz = Jzx, Jyz = Jzy (deviační momenty) Moment hybnosti Rozložení rotace do tří hlavních os (pak ωbude mít složky ω1, ω2,ω3) a tenzor setrvačnosti se redukuje na tři hlavní momenty J1, J2, J3 → jednodušší výpočet momentu hybnosti Rotační pohyb technického (symetrického) setrvačníku -moment vnějších působících sil je nulový (bezsilový nebo astatický) M = 0 roztočení kolem volné osy, která je osou symetrie → L = J ω→ L = J ω= konst Vlastnost: zachovává směr volné osy, kolem níž jej roztočíme → ovyužití v letectví, indikační a stabilizační přístroje (umělý horizont, setrvačníkový kompas,..) ostabilita jednostopých vozidel ořízení pohybu raket a u tanku ke stabilizaci hlavně kanónu při střelbě za jízdy terénem Volný setrvačník = gyroskop Maxwellův setrvačník Setrvačník uložený v Cardanově závěsu 1-osa vlastní rotace 2osa nutace 3osa precese Zdroj: Vybíral (2019) Rotující setrvačník – velká kinetická energie Ek = J ω2/ 2 Setrvačník u pístových motorů -nerovnoměrný pracovní cyklus. Řešení tohoto problému → víceválcové motory s vhodným uspořádáním válců, setrvačník, spojený s klikovým hřídelem -pravidelný chod stroje a překonávání „mrtvého bodu“ zajištěn setrvačníkem Wattův odstředivý regulátor -1782 James Watt -stabilizace frekvence parního stroje -princip: setrvačnost rotujících koulí a k setrvačnosti využívá odstředivou sílu Gyrobus -využití: kinetický energetický akumulátor u vozidla hromadné dopravy (50. léta -Švýcarsko, Německo ) -princip: setrvačník uložený pod podlahou spojen s generátorem elektrického proudu → pohon motoru KERS (Kinetic Energy Recovery System)-využití: závodní speciály F1 (od r. 2007) – krátkodobé zvýšení výkonu Volvo –do automobilu S60 Setrvačníková baterie -využití: NASA pro Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS) -princip: solární panely ISS pohání motor, který setrvačník spojitě roztáčí Setrvačník jako kinetický energetický akumulátor Wattův odstředivý regulátor Gyrobus Setrvačníková baterie FlyeES (český prototyp) KERS ve vakuovém pouzdře pro testovací automobil Volvo Zdroj: Vybíral (2019) Zdroj: https://www.solarninovinky.cz/flyees-cesti-vedci-pracuji-na-vyvoji-nove-setrvacnikove-baterie/ Gyroskopický kompas (gyrokompas) - základem je volný setrvačník uložený v Cardanově závěsu -zaručení volnosti natáčení vzhledem k pohybujícímu se letadlu nebo lodi Automatický pilot (autopilot) - zařízení, kterému lze svěřit řízení mimo start a přistání -stejný princip jako gyrokompas, přičemž Cardanův závěs má jeden stupeň volnosti Zatáčkoměr aumělý horizont -důležité indikační palubní přístroje -součástí je setrvačník v Cardanově závěsu o jednom stupni volnosti Řízení letu kosmické lodi -podobný princip jako u řízení letadla -gyroskopický stabilizační systém Polohování Hubbleova kosmického teleskopu (HST) -základní součástí je gyrokompas Řízení letu raket -funkce setrvačníku jako řídícího a stabilizačního systému Námořní lodě -gyroskopy v podpalubí zabraňující houpání Torpéda -stabilizace pohybu setrvačníkem Mobily -miniaturní gyroskop zachovává orientaci obrazu a textu na monitoru při otočení o 90⁰ Laserový gyroskop -nahrazení mechanických volných gyroskopů jako indikátorů polohy a řídící systémy -letadla a kosmické lodě Aplikace volného setrvačníku kompas v Cardanu setrvačník raketové střely zatáčkoměr vnitřní uspořádání gyrokompasu laserový gyroskop Zdroj: Vybíral (2019) Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Tepelné čerpadlo – progresivní topný systém založen na tepelném přenosu z vnějšího okolí – stejný princip jako chladnička, ale účel je obrácený – zdroj: voda ve studni s dostatečnou zásobou vody (ideální dvě) či bazén podzemní umístění rozměrného výparníku čerpání tepelného obsahu z okolního vzduchu Kondenzační plynové kotle – spalují zemní plyn (směs alkanů) → vznik množství vody → při spalování se odpaří a odchází ve formě páry spolu se spalinami do ovzduší, odnáší i tepelný obsah ve formě výparného tepla → uvolněné teplo předehřívá vratnou vodu a tím zvyšuje účinnost kotle – kondenzace vodních par –rozhodující teplota rosného bodu Chladící systémy Zdroj: https://www.gemtec.cz/jak-funguje-cerpadlo/ Kondenzační kotel •pístové motory (parní stroje a spalovací motory) •tepelné proudové motory (parní a spalovací turbíny) •raketové motory – využití vnitřního energetického stavu látky U – cíl: vznik kroutícího momentu síly M na výstupní hřídeli s úhlovou rychlostí ω→ P = M ω Tepelné motory účinnost Tepelná výměna při činnosti stroje Práce vykonaná při jednom cyklu Zdroj: Vybíral (2019) -při každém cyklu je potřeba vyměnit pracovní médium – vzduch (nutný k hoření paliva) Rozdělení motorů podle způsobu zapálení a hoření paliva: •zážehové motory •vznětové motory Zážehový motor -čtyřdobý benzínový motor (Ottův motor) -pohonná směs paliva se vzduchem je zapálena elektrickou jiskrou na „svíčce“ Vznětový motor -dieslový motor (naftový) -vzduch se při adiabatické kompresi stlačí na tak vysoký tlak (i vzrůst teploty) → vznícení paliva -pozvolné hoření, pohyb pístu → změna objemu za (přibližně) stálého tlaku Spalovací motory Zdroj: Vybíral (2019) zážehový m. vznětový m. Skutečné pracovní cykly spalovacích motorů -polytropické děje – platnost Poissonova zákona pVκ= konst. Κ…..Poissonova konstanta -nevratné děje Porovnání ideálního cyklu zážehového motoru s reálným pracovním diagramem Reálný pracovní diagram vznětového motoru Zdroj: Vybíral (2019) Fyzikální základ Newtonův zákon pro hmotný bod Newtonův pohybový zákon pro proudění tekutiny Turbíny ρ…..hustota tekutiny dV…objemový element ΣF…výslednice vnějších sil působících na tzv. tekutý objem Tekutý objem – část tekutého prostředí vymezena uzavřenou plochou (kontrolní plochou) Technicky významné tekuté objemy Zdroj: Vybíral (2019) Obtékání pevného tělesa reálnou tekutinou charakter proudění určuje Reynoldsovo číslo v…..velikost vzájemné rychlosti tělesa a tekutiny d….charakteristický rozměr tělesa ν…..kinetická viskozita (ný) Kritická hodnota η…..dynamická viskozita ρ…..hustota tekutiny laminární proudění turbulentní proudění Zdroj: Vybíral (2019) Termodynamika páry – pracovní látka turbín – pára (plynné skupenství, ve kterém se látka nachází při varu kapalného skupenství) Ideální plyn - izoterma (T = konst.) p = RT/V Entropie (S) Entalpie (H) H = U + pV s = S/m h = H/m U…..vnitřní energie soustavy p…..tlak soustavy V…..objem soustavy Mollierův diagram látky p-V diagram Zdroj: Vybíral (2019) – rotační proudový motor, hnací médium voda → předávání kinetické popř. tlakové energie pomocí lopatkového oběžného kola –Peltonova, Francisova, Kaplanova – rovnotlaké a přetlakové Parní turbíny – tepelný stroj využívající vnitřní energii páry, uzavřený cyklus (Clausiův-Rankinův cyklus), pracovní látka – voda – princip: pára s ↑p z parogenerátoru do první řady rozváděcího lopatkového ústrojí, zde expanduje a její hybnosti získá směr. Pak vstupuje do oběžného kola, kde na lopatkách dochází ke změně směru hybnosti → silový přenos na rotor. Po této expanzi proces pokračuje ve druhé statorové a rotorové řadě. Pára postupně expanduje až na ↓pa T – vnitřní energie → práce → elektrický proud – velký počet lopatkových řad → vyšší účinnost turbíny – při expanzi vzrůst objemu páry, proto se musí zvětšovat plocha průtokového průřezu i délka lopatek Vodní turbíny Peltonova turbína Parní turbína - Dukovany Zdroj: Vybíral (2019) R. Goddard 1926 – raketa na kapalný pohon (benzín a kapalný kyslík), výška vzletu 12,5 m 1937 – výška vzletu 2,5 km J. Winkler, H. Oberth 1931 – raketa na kapalný pohon (kapalný kyslík a kerosin) 2. SV (Hitler) – raketová technika – vojenské využití W. von Braun – vývoj rakety s dálkovým doletem V-2 Sovětský svaz 1957 – první družice Země (Sputnik 1) 1961 – první člověk na oběžné dráze Země (J. Gagarin) USA 1961 – vyhlášen program Apollo 1969 – první přistání na Měsíci (Apollo 11) 1981 -2011 –program Space Shuttle – pilotované lety kolem Země –Challenger, Columbia, Atlantis, Endeavour Vesmírné lety (1961-2023) –676 osob (643 osob – Kármánová hranice) –18 osob zahynulo (14 USA a 4 SSSR) V. Remek 1978 –program Interkosmos (Saljut 6) Rakety start kosmické lodě Apollo Zdroj: Vybíral (2019) J. Gagarin a jeho loď Pohybová rovnice rakety Předpoklad: inerciální vztažná soustava m…hmotnost rakety v….okamžitá rychlost rakety u….rychlost molekul plynu vystupujících z motoru v1….rychlost elementu v soustavě R…reaktivní síla (tažná síla) rakety Meščerského rovnice Vrtulníky (helikoptéry) 1-nosný (hlavní) rotor 2trup 3-prostor pro posádku a náklad 4-vyrovnávací rotor 5-ocasní nosník 6-lyže Pohon rotoru –motor Rotace horizontálních nosných ploch na rotoru → aerodynamický vztlak působící proti tíhové síle stroje (i když je v klidu) ∆p…….rozdíl tlaků mezi horní a dolní stranou ρ………hustota tekutiny v………prostor pro posádku a náklad ω…..úhlová rychlost otáčení rotoru r……vzdálenost profilu od osy rotace v….. rychlost proudu vzduchu ofukující profil Zdroj: Vybíral (2019) Vrtulníky (helikoptéry) Dopředný pohyb – naklopení osy nosného rotoru o úhel β(tlaková síla rotoru Fvytvoří složku Fx → dopředná síla Řízení vztlakové síly – změna úhlu náběhu α kolektivní změna – změna úhlu náběhu na všech listech stejně (zvětšování výkonu motoru) Dopředný let – naklopení vrtulníku dopředu → vytvoření dopředné tažné síly jako složky vztlakové síly –cyklické řízení úhlu náběhu změna úhlu náběhu rotorových listů v průběhu otáčky → moment posunuté vztlakové síly naklopí vrtulník dopředu → dopředná tažná síla Zdroj: Vybíral (2019) Kmitání – dynamický děj, periodické změny veličin popisující okamžitý fyzikální stav soustavy Oscilátor – mechanická nebo elektromagnetická soustava, která je schopna kmitat –npočet stupňů volnosti Rovnovážná poloha – ve stavu klidu kolem níž po vychýlení oscilátor kmitá Oscilátory o jednom stupni volnosti Kmitání oscilátoru (bez ohledu na počet stupňů volnosti): •vlastní (volné) •nucené (buzené) •samobuzené Kmitání technických soustav lineární mechanický pružinový torzní matematické kyvadlo gravitační (kulička v jamce) elektromagnetický Zdroj: Vybíral (2019) koná soustava po vychýlení z rovnovážné polohy bez působení vnějšího činitele Netlumené Tlumené Vlastní kmitání ψ…..popisuje kmity ω0…vlastní úhlová frekvence φ0….počáteční fáze mechanický oscilátor s hmotností ma tuhostí k elektrický oscilátor s indukčností La kapacitou C δ…..součinitel tlumení mechanický oscilátor elektromagnetický oscilátor Zdroj: Vybíral (2019) koná soustava, když na ni působí periodicky proměnný činitel (periodická síla nebo periodicky proměnné napětí) -má dvě složky: vlastní tlumené kmity buzenou složku o úhlově frekvenci Ωbudícího činitele Rezonance – stav, kdy oscilátor kmitá s největšími výchylkami (nebo elektrickým napětím či proudem) Nucené kmitání ϕm…..amplituda buzení Ω…….úhlová frekvence budícího činitele (síly nebo napětí) ψm…..amplituda rezonančního nuceného kmitání Zdroj: Vybíral (2019) zvláštní jev kmitání, kdy se oscilátor rozkmitá, aniž by budící činitel byl časově proměnný př. smykové tření smyčce na struny rozezvučení píšťaly varhan, křídlovky či flétny stálým proudem vzduchu stálý proud páry při průtoku potrubím → vibrace visutý most nebo mrakodrap působením větru Samobuzené kmitání zřícení mostu Tacoma Bridge Golden Gate Bridge hotelový komplex Marina Sands v Singapuru Zdroj: Vybíral (2019) Kmitání a únava materiálu Statická pevnost – zkoušky: trhací stroj Hookův zákon Cyklické namáhání – Wohlerův diagram σ…..mechanické napětí ε…..relativní prodloužení E….Youngův modul N…..počet cyklů proměnného napětí Zdroj: Vybíral (2019) zkušební vzorky pro zkoušku meze únavy Michael Faraday 1831 – objev elektromagnetické indukce Tři experimenty: 1. Při vzájemném pohybu magnetu a cívky → indukce napětí v cívce a v uzavřeném obvodě elektrický proud. 2. Přerušovaný proud v jedné cívce indukuje napětí v galvanicky oddělené druhé cívce (na společném jádru) 3. Měděný kotouč rotuje v příčném poli magnetu, indukci podmiňuje vodivá radiála kotouče mezi jeho osou a obvodem, která při rotaci protíná siločáry magnetického pole Indukční elektrické stroje 1. 2. 3. Zdroj: Vybíral (2019) Faradayův zákon Historie indukčních elektrických strojů Hippolyte Pixii 1832 – sestrojení prvního malého dynama (1) Werner von Siemens 1832 – sestrojení prvního dynama o výkonu 30 kW 1881 – sestrojení prvního tramvaje Thomas Alva Edison – použití dynam k elektrickému osvětlení žárovkami M. O. Dolivo-Dobrovolskij – vynález třífázového proudu – vypracování systému rozvodných sítí vysokého napětí František Křižík – vybudování továrny na elektrické stroje, osvětlení a elektroměry (Praha) Indukční elektrické stroje •generátory elektrického proudu (alternátory – střídavý proud a dynama – stejnosměrný proud) •transformátory pro jednofázový a třífázový proud Ui…..indukované elektromotorické napětí Φ…..magnetický indukční tok B……magnetická indukce (1) Zdroj: Vybíral (2019) Alternátory = synchronní elektrické stroje – elektrický proud prochází cívkou statoru připojeného na spotřebič → magnetické pole, které synchronně rotuje s budícím magnetickým polem rotoru – indukční cívky na statoru a budící elektromagnet na rotoru – k buzení potřebného magnetického pole o indukci Bmenší proud než se indukuje ve statoru – typy: jednofázový čtyřpólový, třífázový dvojpólový, třífázový čtyřpólový Třífázový proud Zdroj: Vybíral (2019) Polovodiče –Egmezi vodiči a izolanty – vlastní polovodiče při T = 0 K valenční pás zcela zaplněn a vodivostní pás zcela prázdný → chování jako izolanty – s ↑ T některé elektrony „přeskočí“ do vodivostního pásu a podílí se na vodivosti –vodivost elektronová (zápornými nosiči náboje) nebo děrová (kladnými náboji po uvolnění elektronu z atomu) Chemicky čisté – při nenulové absolutní teplotě se vyznačují vlastní vodivostí, která roste s T Příměsové – častější použití v technických aplikacích – „zmenšení“ zakázaného energiového pásu – posunutí spodní hranice přidáním pětimocného prvku do krystalické mřížky → vznik polovodiče typu N s přebytkem volných elektronů Donorová příměs, příměsový prvek Donor (dárce) elektronu – posunutí horní hranice dolů přidáním trojmocného prvku → vznik polovodiče typu P s přebytkem volných děr Akceptor – prvek je schopen přijmout elektron Ionizační energie – energie, kterou musí elektron získat k přechodu z valenčního do vodivostního pásu Aktivační teplota –T1 při této teplotě přebírá vedení proudu příměsová část polovodiče T2 do této teploty zůstává počet nosičů a proudu téměř konstantní, po překonání T2 přebírají zpět vedení proudu vlastní nosiče proudu nad příměsovými nosiči počet vlastních nosičů náboje roste Polovodičové materiály Prvky IV. skupiny Si – nejdůležitější polovodičový materiál –dotuje se donory P, As, Sb na polovodič typu N a akceptory na polovodič typu P – vysoká čistota křemíku (99,999 999 %) Ge – nevýhoda: malé teplotní zatížení (T2 = 90°C) C – polovodičový materiál k výrobě součástek s vysokou hustotou integrace, přenos velkých proudů Prvky VI. skupiny Se – používal se k výrobě usměrňovačů do éry Ge, vodivost typu P, vodivost typu N se dociluje Cd Te – vysoká citlivost na světlo a teplo, samostatně se nepoužívá Zdroj: Vybíral (2019) Sloučeniny Binární sloučeniny prvků IIIX(B, Al, Ga, In) a VY(N, P, As, Sb) nejvýznamnější: GaP – výroba diod a elektroluminiscenčních diod emitujících červené a zelené světloí GaAs – výroba vysokofrekvenčních a tunelových diod, vysokofrekvenčních tranzistorů, laserových a LED diod, Hallových senzorů Ternární sloučeniny prvků IIX (Zn, Cd, Hg) a VIY(O, S, Se, Te) použití: detektory širokého spektra elektromagnetického záření (od RTG až po IČ) Binární sloučeniny jiných typů IVX a VIY PbS,PbSe, PbTe – využití ke konstrukci fotorezistorů Binární sloučeniny jiných typů IVX a IVY SiC – využití k výrobě LED diod modré barvy a v optoelektronice Oxidy kovů (Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni a Cu) Cu2O– do 70. let jako usměrňovač v měřících přístrojích, nyní v termočláncích Fe2O3a TiO – využití u termistorů Amorfní polovodiče – skla (roztoky As-Te-Si-Ge, As-Te-Ga-Ge, As-Te-Ge) – výroba skelných vláken, laserů, paměťových a spínacích součástek, ultrazvuková technika Organické polovodiče – výroba fotorezistorů, termoelektrické články, nanášení vodivých vrstev PN přechod výchozí stav (bez napětí, neprochází proud) propustný směr (připojení + pólu k polovodiči P) závěrný směr (připojení -pólu k polovodiči P) PN přechod – vzájemná difuze nosičů náboje Zdroj: Vybíral (2019) Typizace polovodičových součástek – dělení podle počtu vrstev ve struktuře součástky : •jednovrstvé součástky -bez PN přechodu (z jednoho druhu polovodivé látky – termistory, fororezistory,…) •dvouvrstvé součástky -s jedním PN přechodem (diody) •třívrstvé součástky -se dvěma PN přechody (bipolární tranzistory) •čtyřvrstvé součástky -se třemi PN přechody (tyristory) •pětivrstvé součástky -se čtyřmi PN přechody (triaky) •vícevrstvé součástky -integrované obvody Jednovrstvé součástky Termistor – tepelně závislý rezistor s kladnou (PTC) nebo zápornou (NTC) teplotní závislostí Fotorezistor – rezistor, jehož odpor závisí na intenzitě světelného záření Varistor – napěťově závislý rezistor vhodný k omezení napětí jako napěťová ochrana Hallova sonda – jednovrstvá polovodičová destička využívající Hallův jev – využití: pro měření magnetického pole Fotorezistory Varistor Termistor Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain Diody -polovodičové dvojvrstvé součástky využívající usměrňovací jev PN přechodu (princip činnosti a její charakteristika) Zapojení diody jako usměrňovače střídavého proudu usměrňovač jednocestný usměrňovač dvojcestný v můstkovém Graetzově zapojení usměrňovač dvojcestný Zdroj: Vybíral (2019) Tranzistory Bipolární – nejjednodušší typ tranzistorů, sériové řazení dvou PN přechodů s opačným pořadím v jednom bloku polovodičového materiálu Unipolární –tranzistory FET (Field Effect Transistor) – přenos náboje je uskutečněn pouze majoritními nosiči náboje, řízení proudu pouze elektrickým polem – skládají se z polovodičů typu N a P, přičemž výrazně převládá jeden z nich – základem počítačových procesorů Spínací (1) –tyristor, triak, diak, bipolární transistor s izolovaným hradlem (IGBT) – IGBT uplatnění v měničích stacionárních i mobilních zdrojů B -báze E - emitor C - kolektor 1 Zdroj: Vybíral (2019) Integrované polovodičové obvody – integrované součástky na Si destičce (cca mm2) – oscilátory elmag. kmitů, klopné a logické obvody, zesilovače Operační zesilovače 1 – stejnosměrný zesilovací obvod, základní prvek analogických elektronických systémů – sestaven z bipolárních tranzistorů, doplněn unipolárními tranzistory – velké napěťové nebo proudové zesílení Mikroprocesory 2 – základní řídící jednotka počítače – využití: notebooky, superpočítače, hodinky, kardiostimulátory – složité obvody doplněné o operační paměť – části: řadič, sada registrů, aritmeticko-logické jednotky, operační paměť Elektronické polovodičové paměti 3 – základem jsou paměťové buňky Paměť SSD – princip vysokorychlostní polovodičové paměti USB Flash disk –externí forma paměti SSD s USB konektorem 1 2 3 Zdroj: Vybíral (2019) – mechanické podélné vlnění, vnímána sluchem (16 Hz – 20 kHz) – zdroj: kmitající tělesa → tlakové změny vzduchu Zvuk c0......rychlost zvuku za normálních podmínek t = 0°C, p0= 1,013.105Pa, ρ0(vzduchu) = 1,293 kg.m-3, κ= 1,402 ω.......úhlová frekvence Z.......akustická impedance prostředí Rychlost zvuku Akustická výchylka Akustický tlak Akustická intenzita Hladina akustické intenzity Principy záznamu a reprodukce zvuku •mechanicky (gramodesky a mechanický gramofon) •elektro-mechanicky (gramodesky a elektrický gramofon) •opticky (elektro-optický záznam používaný u filmu) •magneticky (elektro-magnetický záznam) •digitálně (digitalizace analogového signálu a jeho záznam na paměťová média) Stereofonní záznam a reprodukce – jeden mikrofon → jeden elektroakustický signál → info o zvukovém poli v jednom bodě = monofonní záznam – dva mikrofony → tvar charakteristik zvuku a rozdíl intenzit signálů = stereofonní záznam Reprodukce zvuku –subwoofer Vícebodový záznam a reprodukce – dokonalejší obraz o zvukovém poli pomocí zvukové soustavy (reprosoustava) – domácí kino, promítání filmů v kinech (3D zvuk) 4. Atom prvku jako kvantový generátor vlnění Elektronový obal atomu – zvětšení energie elektronu v atomu → změna energiového stavu atomu (obsazení vyšších kvantových hladin) nestabilní stav → přechod elektronů zpět do výchozího stavu – přechod doprovázen vyzářením fotonu –hodnota ΔE (oblast mikrovlny, IČ, UV, světlo nebo RTG) – nepolarizované a nekoherentní (fázový rozdíl vlnění vyzářených fotonů není konstantní) Jádro atomu – generování tvrdého elektromagnetického záření – jaderné přeměny (přirozená a umělá radioaktivita, štěpení těžkých jader) –záření gama (f = 1.1018 až 1.1024 Hz, λ= 3.10-10 až 3.10-16 m) – vznik ve změnách energiových stavů nukleonů f......frekvence fotonu λ......vlnová délka fotonu h......Planckova konstanta ΔE…rozdíl energie elektronu 5. Rentgenka = generátor rentgenového záření – elektronová vakuová lampa emitující elektrony (f = 1.1016 až 1.1021 Hz, λ= 3.10-8 až 3.10-13 m) –vynalezl 1895 Wilhelm Conrad Röntgen (1901 Nobelova cena) – princip: žhavená katoda emituje elektrony ke kladné antikatodě (anodě) → zbrzdění elektronů a průnik elektronů do atomů antikatody → excitace vnitřních elektronů → vznik RTG záření (brzdné a charakteristické ) 6. Kvantový generátor LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) – pro fáze světelných vlnových kvant všech emitovaných fotonů platí: (koherence světla) Zdroj: Vybíral (2019) 7. Kvantový generátor MASER (Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation) – předchůdce laseru –1953 Townes, Gordon a Zeiger – sestrojili první maser – princip: v atomu aktivní látky se čerpáním elektrony excitují na vyšší kvantové hladiny, z nichž za pomocí zpětnovazebních fotonů přepadají do základního stavu → emise stimulovaného koherentního mikrovlnného záření (λ= 1 –1000 mm) – problém: vlnové délky emitovaných vln jsou srovnatelné s rozměry rezonátoru → stojaté vlnění – čpavkový, vodíkový Aa pevnolátkový maser B AB Zdroj: Vybíral (2019) = rádiovlnná zařízení , která slouží pro přenos vlnění prostorem (počínaje mikrovlnnou oblastí) – příjem rozhlasu, televize, mobilní telefony, Wi-fi –1888 Heinrich Hertz – sestrojili první anténu 1895 Guglielmo Marconi – vývoj antén pro reálný bezdrátový přenos signálů (telegraf) – vodič upravený tak, aby vyzařoval (nebo přijímal) maximální množství energie (vysílací nebo přijímací antény) – nejjednodušší anténa = vodič o délce násobku (nebo zlomku) vlnové délky vysílaného/přijímaného signálu, např. délky čtvrt, půl, celé vlny, jejího dvojnásobku – symetrický zářič, takzvaný anténní dipól (u Yagi antén) – zařízení, které využívá mikrovln k detekci polohy (popř. rychlosti) těles (letadla, lodě, automobily, mraky) – generátor mikrovln = magnetron –pasivní (příjem mikrovln letadel a vesmírných útvarů) a aktivní radary (astronomie) –1934 -první funkční radar (americké námořnictvo US Navy) – využití: vojenství, civilní letecká a námořní doprava, meteorologie, dopravní policie Antény Radary (Radio Detection And Ranging) – základ pro zobrazení je osvětlení předmětu, které vzniká dopadem světla (λ= 380 až 780 nm) –vlnový popis: příčné elektromagnetické vlnění (elektrická složka o intenzitě E kolmá na magnetickou složku B) –částicový popis: světelný tok fotonů, přičemž kvantum energie – jeden foton – interakce světla s předmětem: Aodraz (reflexe) –koeficient reflexe r Bpohlcování (absorpce) – koeficient absorpce a Cprůchod předmětem (propustnost) – koeficient propustnosti p p = 0 (neprůhledé těleso) r = 0 (zobrazení černě), r = 1 (zobrazení bíle) 0 < r < 1 (odstíny šedi) Obraz Barva světla a předmětů – strukturu barev bílého světla podává spojité spektrum ←rozklad bílého světla pomocí hranolu nebo optické mřížky Vytváření barevného zobrazení využití dvou metod: •systém RGB (Red, Green, Blue) -aditivní (součtová) metoda míchání barev – sekundární (doplňkové) barvy vznikají sčítání barev (G + B = azurová, B + R = purpurová, R + G = žlutá) – kombinace všech tří barev při 100% krytí = bílá – využití: barevná televize, monitor PC, skener, jevištní osvětlovací technika •systém CMYK (Cyan, Magenta, Yellow) -subtraktivní (odčítací) metoda vytváření barev – sekundární barvy (Y + M = červená, M + C = modrá, Y + C = zelená) – soutiskem všech tří barev vznikne černá, při 0% krytí = bílá – využití: tisk (doplněn o černou) a fotografie Zdroj: Vybíral (2019) Koherence světla – emise fotonů = elektrony vybuzené do vyšších kvantových stavů jsou nestabilní a přepadají zpět → neřízená emise (statisticky náhodný průběh) → nelze uplatnit pro interferenci → uskutečnění interference: rozložení světelného vlnění ze zdroje na dvě Koherentní zdroj – fázový rozdíl stavů emitovaných fotonů je časově konstantní Mechanismus vidění, fotoreceptory – lidské oko: rohovka, čočka (spojka -proměnná ohnisková vzdálenost = ostření, sítnice) zaostřování = akomodace fotoreceptory –tyčinky (vnímání kontrastu – černobílé vidění) a čípky (vnímání barev) nekoherentní zdroj 1 -oční čočka uložená v ciliárních svalech 2 -rohovka s duhovkou a zornicí 3 - sklivec 4 -sítnice 5 -oční nerv Zdroj: Vybíral (2019) Fotografie Fotochemický princip černobílé fotografie – záznam obrazu na fotografickou emulzi (částice světlocitlivého materiálu ve vrstvě nosné látky) Světlocitlivý materiál – halogenidy stříbra (nejčastěji AgBr) –princip: dopad fotonu na krystal AgBr → uvolnění elektronu z halogenu (Br) a pohyb krystalem → elektron se znovu spojí s atomem bromu nebo se zachytí na poruše mřížky krystalu (vznik latentního obrazu) – použití pouze na světlo krátkých → přidávání látek reagujících na celé spektrum světla – zviditelnění latentního obrazu ve vývojce (převod AgBr na tmavé kovové stříbro) → negativ (snímek s převrácenými světlými a tmavými místy), odstranění neosvětleného halogenidu v ustalovači (chemický roztok k fixaci zviditelněného latentního obrazu), celý proces ve tmě a ještě jednou → pozitiv Zdroj: Vybíral (2019) Barevné fotografie – základní princip stejný jako u černobílé fotografie, ale podstatně složitější – na filmu vytvořeny tři světlocitlivé vrstvy emulze, které jsou opatřeny ab sorpčním filtrem (chemikálie s halogenidy Ag) → barevný negativ, opětovné osvětlení negativu → pozitiv (původní barvy předmětu) Základní schéma struktury ideální emulze barevného filmu Ideální absorpční filtry Zdroj: http://fyzika.jreichl.com Digitální fotografie Snímací čip – základní součástí digitálního fotoaparátu (nahrazuje film) – umístění tak, aby objektiv na jeho ploše vytvářel skutečný zaostřený obraz – kvalifikační hodnoty: rozměrová velikost světlocitlivé plochy a její rozlišení Velikost – podle úhlopříčky světlocitlivé plochy (popř. součin délek stran) – určuje vhodnou optickou mohutnost objektivu a jeho vstupní otvor (světelnost) – mobilní telefony, digitální fotoaparáty,…. Rozlišení – udává počet světlocitlivých prvků, které zachycují jas a barevnou informaci (systém RGB) –jednotka pixel (1 pixel – jeden prvek na čipu, čtyři světlocitlivé buňky) Vytvoření obrazu – zaznamenání sytosti jednotlivých základních barev RGB – osvětlování buněk přes příslušné filtry (Bayerův filtr) Zpracování obrazového signálu – signál po převedení do binárního kódu pomocí mikroprocesoru převeden do grafického formátu JPEG – standardní a nejčastěji používaný formát pro ukládání snímků TIFF – neoficiální formát pro ukládání snímků pro tisk RAW – soubor neupravených digitalizovaných dat ze senzoru fotoaparátu Rozhlas Rozhlasový vysílač – stabilizační oscilační obvod naladěný na nosnou frekvenci, generovaný signál se moduluje amplitudově nebo frekvenčně signálem z přenášeného zvukového programu a přivádí se do zesilovače → signál do antény (vyzařovaný výkon až 1 MW). Anténa vysílače – šíření polarizovaného elektromagnetického vlnění s AM (FM) zvukovým signálem, ovlivněno jeho frekvencí (vlnovou délkou) Intenzita závisí na vzdálenosti a ionosféře (elektrickém náboji vrstvy Anténa přijímače – konstrukce závisí na frekvenci nosné vlny a na vzdálenosti vysílače Přijímač – provádí selekci přijímaných signálů a ladí je na signál požadovaného vysílače = technická soustava, která umožňuje z vysílače pomocí elektromagnetického vlnění přenášet do televizoru pohyblivý obraz a simultánně doprovodný zvuk – tvorba a přenos zvukového signálu stejně jako u FM rádia – setrvačnost lidského oka (30 až 100) ms → klasický film (24 obrázků/s a každý obrázek prosvětlen 2x) → 21 ms Televize Rozklad statického černobílého obrazu na obrazové body → rychlé vysílání informací o bodech → spojitý vjem. Řádkový rozklad a šířka písma (základ pro vytvoření obrazových bodů) – potřebná šířka písma 13MHz. Podmínka stability obrazu - rozklad obrazu na řádky a půlsnímky a jeho následné nakreslení na obrazovce musí být synchronní (časová informace o začátku každého řádku apůlsnímku – synchronizační impulzy). Televizní přenos – amplitudová modulace obrazového signálu na nosnou vlnu (zvuk frekvenčně) se zantény vysílače přenese na anténu přijímače. – významný telekomunikační sdělovací prostředek = celosvětový systém propojených počítačových sítí v nichž počítače spolu komunikují s využitím protokolů TCP/IP – účel: bezproblémová komunikace formou výměny dat, sdílení a získávání informací Hlavní služby: •Služba www (World Wide Web) -nejznámější služba umožňující propojení hypertextových dokumentů (webových stránek zobrazených pomocí webového prohlížeče) •Elektronická pošta – telekomunikační služba (pro přenos zpráv se používá protokol SMTP) •Instant messaging –on-line (přímá, živá) komunikace mezi uživateli •Telefonování prostřednictvím internetu – protokol VoIP •Přenos souborů prostřednictvím protokolů FTP (File Transfer Protocol) •Protokol SMB pro přístup ke sdíleným souborům, tiskárnám aj. •Připojení ke vzdálenému počítači: oTelnet – klasický terminálový přístup oSSH - zabezpečená náhrada protokolu telnet oVNC – připojení ke grafickému uživatelskému prostředí oRDP – připojení ke gafickému uživatelskému prostředí v Microsoft Windows (proprietární protokol) Internet Zdroj:https://en.wikipedia.org/wiki/World_Wide_Web Historie internetu 1971 Ray Tomlinson – vytvořil první e-mailový program; je definován protokol FTP pro přenos souborů 1972 Síť ARPANET byla rozšířena na asi 20 směrovačů a 50 počítačů; je užit protokol NCP 1976 vyšla první publikace o síti ARPANET 1980 vydán dokument RFC 760, popisující IPv4, experimentální provoz TCP/IP v síti ARPANET 1983 vytvořen systém doménových jmen DNS, do sítě ARPANET připojeno 1000 počítačů, oddělení vojenské sítě 1984 propojením počítačů v USA vznikla síť NSFNET -páteřní síť internetu v Americe 1987 vznik pojmu „internet“, do sítě je propojeno 27 000 počítačů 1990 Tim Berners-Lee – vytvořil World Wide Web, vyvinul jazyk HTML a internetový protokol HTTP 1990 zánik sítě ARPANET a nahrazena sítí NSFNET 1991 spuštění první webové stránky jako domovské stránky CERNu v Ženevě 1992 Československo bylo z iniciativy ČVUT v Praze připojeno k internetu – vznik akademické sítě CESNET 1993 Marc Andersen a Eric Bina vyvinuli webový prohlížeč Mosaic (zdarma) → komerční poskytování internetu 1995 Pierre Omidyar spuštění internetové aukční síně eBay → on-line nákupy čehokoliv 1996 55 milionů uživatelů internetu 1998 Larry Page a Sergey Brin založení Google Inc. (provozovatel internetového vyhledávače Google) •VYBÍRAL, B. (2019). Technické aplikace fyziky (svazek první a svazek druhý), ISBN 978-80-7435-753-4 Literatura 1999 vznik Napster (první pirátská služba ke sdílení a stahování hudby zdarma, 2001 zakázána) 2000 250 milionů uživatelů internetu 2001 vznik Wikipedie (největší neplacená internetová encyklopedie, tvorba dobrovolníci) 2004 uvolnění prohlížeče Mozilla Firefox k bezplatnému užívání 2005 900 milionů uživatelů internetu 2010 rychlost internetu až 30Mb/s, 2 miliardy uživatelů 2015 uvolnění prohlížeče Microsoft Edge (nahrazení prohlížeče Internet Explorer) 2024 5,3 miliardy uživatelů internetu (uživatel stráví 7hod./denně u internetu; existence 1,13 miliardy web stránek, ale 82% neaktivních; globální maloobchodní tržby z eCommerce 6,4 bilionu dolarů) O NPO_VŠB-TUO_MSMT-16605/2022 Děkuji za pozornost lucie.gembalov[email protected] Toto dílo je licencováno pod CC BY 4.0