Heuréka - 9. seminář (elektrický proud v polovodičích, kapalinách a plynech, stacionární magnetické pole)

O víkendu 15. - 17. 10. 2021 se konalo v prostorách SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské další setkání projektu Heuréka, který se po dvou letech konal zase konečně prezenčně. Jednalo se o devátý seminář dalšího běhu projektu Heuréka pro střední školy, který podporuje KDF MFF UK Praha a Elixír do škol.

V pátek v půl osmé večer se sešlo v učebně fyziky 20 účastníků (včetně jednoho žáka naší školy) na devátém semináři věnovaném středoškolské fyzice. V sobotu pak dorazili další 2 účastníce. Několik účastníků se omluvilo buď z důvodu aktuální nemoci nebo z důvodu komplikovaného přejezdu hranic ze Slovenska.

1. blok: Zavedení polovodičů, vlastní polovodiče

Po přivítání účastníků semináře a vyřešení technických záležitostí jsme se pustili do práce.

„Na přání některých účastníků budu seminář natáčet, ale nebudu vysílat současně on-line. To jsem zažil v prosinci 2020 ve škole, kdy jsem musel učit současně žáky ve třídě přímo i ty, kteří seděli ve vedlejší učebně, přes internet.“

Začínáme vymezením pojmu polovodiče jak pomocí měrného odporu, tak pomocí teplotní závislosti odporu. Skutečnost, že se odpor polovodiče s rostoucí teplotou může zvyšovat i snižovat, ukazuji pomocí jednoduchých experimentů se dvěma typy termistorů. Oby typy termistorů včetně ohmmetrů pak půjčuji i účastníkům semináře.

Následně se přesouváme k charakteristice vlastních polovodičů a ke způsobům jejich excitace.

„Tepelnou excitaci jsem ukázal před chvílí, světelnou ukážu nyní,“ říkám a ukazuji změnu odporu fotorezistoru vlivem světla. Poté zapojuji fotorezistor sériově s LED a zakrytím či odkrytím fotorezistoru reguluji jas LED. Někteří účastnic tento experiment viděli poprvé.

Pak přináším z kabinetu malou hračku, která se po osvětlení solárního článku umístěného na horní části hračky rozvibruje. Pro účastníky semináře je to příjemné oživení.

„Podobnou hračku má ve svém arzenálu hejblat určitě i Katka Lipertová,“ odkazuji na několik dílen zaměřených na výrobu podobných hraček, které Katka vedla. Účastníci semináře přikyvují, že takové hračky skutečně s Katkou vyráběli.

Pak nad rámec látky věnované polovodičům počítám energii fotonu viditelného světla, která je dostatečná na vytržení elektronu ze struktury křemíku.

„Se žáky to v téhle chvíli výkladu nepočítám, ale pro vás jsem to spočítal, abyste si uvědomili ty souvislosti,“ dodávám po výpočtu.

Pak vysvětlíme pojmy generace, rekombinace a díra. Díru chápeme přitom jako kvazičástici, která při odtržení elektronu ze struktury křemíku vzniká na původně neutrálním místě krystalu.

Příměsové polovodiče začneme vysvětlením rozdílu mezi příměsí a nečistotou a popíšeme způsob umístění příměsi do struktury křemíku.

V devět večer se rozloučíme.

2. blok: Příměsové polovodiče, přechod PN

První sobotní blok začínáme vysvětlením vzniku polovodiče typu P a polovodiče typu N.

„Začnu přidáním prvku páté skupiny periodické soustavy prvků do struktury křemíku, protože mi to přijde didakticky snadnější a pro žáky stravitelnější,“ říkám na úvod. Pak už začínám rozkreslovat příslušnou situaci, barevně odlišuji jednotlivé částice, které jsou pro pochopení klíčové.

Výklad provázejí občas diskuse - zejména na téma, jak tuto látku žákům nejlépe vizualizovat. Na to odpověď nemám.

„Dvacet let, co učím, to vizualizuji pořád stejně a mám pocit, že to padá na úrodnou půdu. Minimálně žáci tuší, jak součástky fungují, když s nimi pak pracujeme nebo se ptám na jejich funkci,“ sdílím svou zkušenost. „Ale pokud místo mého dvourozměrného pohledu uděláte pohled prostorový a vy i žáci se v tom vyznáte, tak klidně. Jak a co z mého působení tady před vámi použijete pro svou vlastní výuku, je na vás.“

Dotazy ohledně vazeb v krystalu, ohledně vzniku iontů z přidaných prvků se snažím vysvětlovat. Snad jsme nakonec všichni došli ke stejné představě.

„Přirozeným vyústěním polovodičů obou typů je přechod PN,“ pokračuji pak. „Ten rozkresluji na dva obrázky, aby bylo jasné, co se při jeho výrobě děje a jaké to má dopady do praktického použití.“

Následně rozkreslím dvě situace:

Když jsou vyjasněny položené dotazy, pokračujeme v zapojení přechodu PN do obvodu. Opět rozkresluji dvě situace (lišící se polaritou zdroje napětí) a snažím se vysvětlit fyzikální podstatu.

3. blok: Polovodičové součástky, realizace logických spojek

Třetí blok semináře věnujeme polovodičovým součástkám, jejich vlastnostem a využití v praxi. Nejdříve zmíním dva typy termistorů a fotorezistor, s nimiž jsme si hráli během prvního bloku semináře. Pak pokračujeme k diodám. Postupně probereme:

„Polovodičové součástky a základní principy polovodičů se využívají hojně v praxi - regulátory teploty, automat na kafe, ovládání iVěcí a další. Jejich činnost je řízena hradly pracujícími na principu tranzistorů, k nimž se dostaneme jindy. Přesto ale můžeme činnost těchto hradel nasimulovat již nyní - a to pomocí obvodů, které budou pomocí spínačů a žárovky realizovat jednotlivé logické spojky,“ nastiňuji další program.

Rozdám připravené pracovní listy, nakreslím tabulku a uvědomím si, že je čas skončit. Takže pokračování po obědě.

4. blok: Realizace logických spojek, vedení elektrického proudu v kapalinách

První odpolední blok začneme dvěma „reklamními okénky“:

Renáta Ottová láká na nově připravovaná centra podporovaná organizací Elixír do škol zaměřená na chemii;

Václav Pazdera láká na seminář zaměřený na polovodiče, který se bude konat další víkend pod vedením Standy Gottwalda a Věrky Koudelkové.

Pak se věnujeme dokončení aktivity zaměřené na realizaci logických spojek. Na základě tabulky pravdivostních hodnot si účastníci semináře zkoušejí samostatně realizovat schéma a následně i příslušný obvod. Některé obvody jsou snadné, jiné vyžadují trošku přemýšlení.

„U některých obvodů bude po stisku spínače baterie zapojená do zkratu,“ upozorňuji. „Ale jednak to krátkodobě vydrží, a pak se o zkrat v pravém slova smyslu jednat nebude. Sice v úlohách počítáme s nulovým odporem spojovacích vodičů, ale ve skutečnosti tento odpor nulový není. Což je vidět i na tom, že žárovka připojená paralelně ke zkrat způsobujícímu vodiči nezhasne zcela, jen její jas poklesne.“

Na závěr upozorním, že reálné obvody se realizují pomocí spojek NAND a NOR, které jsou umístěny v součástkách po několika kusech. Jako ukázku máj připraven sestavený komparátor, který porovnává počet rozsvícených LED a výsledek zobrazuje opět pomocí další LED.

Pak pokročíme k dalšímu tématu, kterým je vedení elektrického proudu v kapalinách a u kterého očekávám vášnivé diskuse. A skutečně tomu tak bylo. Ukázal jsem experiment, při kterém jsem zvýšil vodivost vody přisypanou solí, a hned se rozeběhla diskuse o chemickém popisu jevu. Na závěr bloku jsem stihl ukázat LED položené na polystyrenové desce, která plovala na hladině právě vytvořeného elektrolytu. LED se přitom rozsvěcovaly v závislosti na natočení desky. Kromě přechodu od polovodičů ke kapalinám posloužil experiment i jako ukázka tzv. krokového napětí, které se v praxi občas používá.

„Až se budete blížit k místu, kam spadl vodič vysokého napětí, nesmíte dlouhými kroky, ale velmi malými drobnými krůčky, aby napětí mezi vašima nohama bylo malé,“ vysvětluji a oba typy chůze ukazuji.

5. blok: Elektrický proud v kapalinách, Faradayovy zákony

Další blok začíná Renáta Ottová vysvětlením reakce, která probíhá po přisypání soli do vody.

„Musela jsem si najít redoxní potenciály, abych mohla vysvětlit detaily,“ říká v úvodu a píše příslušné rovnice na tabuli. Snaží se vysvětlovat i v jaké formě se daná látka v roztoku nachází, proč některá reakce probíhá a jiná ne.

Někteří účastníci semináře jen koukají, jiní jsou zmatení např. z toho, že se změnila definice katody a anody nebo že mluví o vodíkové elektrodě vyrobené z platiny, jiní se snaží dělat pečlivě poznámky. Jako celek bylo ale Renátino vystoupení velmi příjemné a dalo účastníkům hodně.

„Další částí jsou Faradayovy zákony elektrolýzy,“ pokračuji já. „Chcete je odvodit nebo to znáte?“

No že jsem se ptal … Už účastníky nějakou dobu znám. Takže zákony odvozuji. Slovní znění ale na tabuli nepíšu, jen shrnu a vysvětlím fyzikálně-matematickou podstatu zákonů.

„Já nechápu, co znamená, že látková množství jsou chemicky ekvivalentní, jak je uvedeno v učebnici,“ zazní dotaz a přidávají se další.

Renata začíná vysvětlování z chemického hlediska. Ne všichni, ale toto vysvětlení vnímají resp. chápou.

„Já jsem si to našla a dělám to jinak,“ hlásí se Iveta Krahulcová. „Ten vztah, který jsi odvodil, nechávám v jiném tvaru.“ Chvíli trvá, než se shodneme, který vztah mám upravit jinak, ale nakonec odvodíme vztah, v němž vystupují jen látková množství a počty elektronů nutné k vytvoření neutrálního atomu.

„A odtud to je vidět,“ usmívá se Iveta. A je to pravda. Tento vztah je i pro fyzikáře dostatečně čitelný.

Na závěr bloku ukazuji jako motivaci k dalšímu studiu jednoduchý princip galvanického článku realizovaného pomerančem. Proměřím jeho napětí a voltmetr ukazuje více než 0,8 V. Pak připojím jednoduché hodiny, které na pomerančový článek fungují.

Během přestávky pak Vašek Pazdera připojí ampérmetr, kterým měří proud procházející takto vzniklým obvodem. Je v řádu jednotek mikroampér, takže tento článek by LED, na níž se někdo ptal, rozhodně nerozsvítil.

6. blok: Galvanické články, odpor elektrolytu, elektrický proud v plynech

„Našla jsem nějakou svojí starou tabuli, takže ti jí můžu nechat jako tahák, jestli chceš,“ říká mi Renáta na začátku dalšího bloku.

„Tak to řekni sama,“ usmívám se.

„No já nevím … ale jo, dobře. Ale budeš tu se mnou a dáme to v tandemu,“ rozhoduje.

Souhlasím.

Renáta začíná vysvětlovat princip vzniku náboje na různých elektrodách ponořených do různých roztoků, já občas přidám komentář fyzikální. Trošku se bojím, aby z toho nebylo pro ostatní zmatení, ale když jsme skončili, tak hodnotili náš výkon poměrně kladně. Postupně tedy s Renátou vysvětlíme:

Na závěr - motivován dotazem Milady Markové ohledně experimentu s LED ve vodě - vysvětlujeme elektrický odpor elektrolytu. A v rychlosti pak načrtnu jeho voltampérovou charakteristiku.

Pak přecházíme k vedení elektrického proudu v plynech.

„Já jsem slyšela, že lze ten pomeranč oživit vstříknutím roztoku solného roztoku dovnitř,“ říká Rita Chalupníková, když se snažím odklidit pomeranč ze stolu a udělat si místo na další experimenty. Jdu tedy pro stříkačku, kádinku a sůl a Rita provádí příslušnou operaci. Lokálně to zafungovalo, ale dlouhodobý účinek to na pomeranč nemělo. Patrně by bylo nutné roztok soli lépe v pomeranči rozložit.

„Využiju toho, že nám přeje sluníčko,“ začínám a všichni se dívají zmateně na mě a do oken, za kterými je kolem osmé večer v polovině října už tma. „Ano, právě proto, že právě svítí na jinou část zeměkoule, můžeme udělat experimenty, které vyžadují tmu. Ráno bude slunce svítit sem.“

Postupně předvedu a okomentuji experimenty:

Vzhledem k tomu, že čas vymezený poslednímu sobotnímu bloku uplynul před pěti minutami, loučíme se a těšíme se na další bloky v neděli.

7. blok: Elektrický proud v plynech, úvod do magnetického pole

Experimenty, které jsem ukázal v sobotu večer, v neděli ráno popíšeme. Nejprve vysvětlíme rozdíl mezi samostatným a nesamostatným výbojem. K tomu může někomu pomoct i voltampérová charakteristika výboje. Pak rozdělíme výboje na ty, které probíhají za atmosférického tlaku, a ty probíhající za sníženého tlaku.

Za atmosférického tlaku postupně projdeme a charakterizujeme:

Ze skupiny výbojů, probíhajících za sníženého tlaku, zmíním pouze doutnavý výboj.

„Je otázka, zda v 21. století probíhat princip klasické obrazovky,“ otvírám poté nenápadně diskusi. „Dříve jste mohli žákům říct, ať se na takové zařízení podívají doma - je v televizoru nebo v CRT monitoru. To jen ten, na kterém se mohla pohodlně vyhřívat kočka. Dneska už v domácnostech takové zařízení není. Někteří žáci se s těmito systémy setkají například u osciloskopů. Ale to je asi vše. Navíc pokud zmiňovat tento princip, tak bych ho nechal až po probrání příslušné části magnetického pole, protože už budeme znát potřebné jevy, které se právě v klasické obrazovce využívají.“

Účastníci semináře souhlasí, a proto můžeme přejít k magnetickému poli.

Hned v úvodu magnetické pole rozdělíme na stacionární a nestacionární.

„Předběhnu, stejně tak jako předbíhám se žáky, ale v tuto chvíli rovnou obě pole popíšu pomocí veličiny magnetické indukce. To, že jí zavedu později, si myslím ničemu nevadí. Zatím si mohou žáci představovat, že tato veličina popisuje jakousi sílu magnetu. Není to zcela přesné, ale podstatu to vystihuje.“

Pomocí magnetu a teslametru firmy Vernier předvádím, jak lze i s běžným magnetem vytvořit stacionární i nestacionární pole.

„Tak, jako v mechanice musíme důsledně hlídat, z jaké vztažené soustavy pozorujeme daný pohyb, musíme i zde stacionaritu nebo nestacionaritu pole uvažovat vůči měřáku nebo vůči dalším objektům, které jsou magnetickému poli vystaveny,“ dodávám na vysvětlenou.

„Šlo by to detektovat i mobilem? Mám tu minimálně dvě různé aplikace,“ ptá se Láďa Dvořák.

„Určitě ano,“ odpovídám. „Dokonce před několika lety měl připravenou dílnu na toto téma Leoš Dvořák, který v rámci dílny ukazoval, jak mají různé telefony umístěny senzory magnetického pole na různých místech.“

Pak začínáme magnetické pole popisovat pomocí:

Během mého povídání a kreslení obrázků na tabuli si mohli účastníci semináře pohrát s několika hračkami, které jsem poslal do učebny.

„Tu levitující tužku mám nakoupenou z nějakého science centra, ale pokud si ji budete chtít vyrobit, kontaktujte Věrku Koudelkovou, která ji v rámci své dílny taky na nějaké konferenci vyráběla,“ odkazuji na zdroj pro kutily.

8. blok: Stacionární magnetické pole

Poslední blok začínám experimentem, kterým chci ukázat uzavírání magnetických indukčních čar v kovu. Základní popis experimentu je takový, že magnetické pole dřevěnou deskou prochází, zatímco kovovou deskou ne. Netušil jsem, jakou diskusi tímto experimentem vyvolám. Do zkoumání se aktivně zapojí i Václav Pazdera.

Pak ukazuji experiment, který nazývám řezání magnetického pole a který řadu účastníků zaujal. Ač jsem myslel, že je experiment známý, zjevně ho někteří viděli poprvé.

Experimentem, při kterém krátkodobě zkratuji vodič volně visící nad magnetem, přecházím k dalšímu zdroji magnetického pole: vodič, kterým prochází elektrický proud.

„Abych zabránil dotazům: vodič jsem získal ze spletence vodičů, které se používají k přenosu dat mezi počítači,“ upozorňuji na možnost relativně snadno získat vodič. Někteří účastníci namítají, že je to zbytečně složité, že stačí obyčejný vodič. Stačí, to je pravda, a Václav Pazdera s Petrem Kozou si to ihned zkoušejí, přesto mám osobně raději ty dlouhé vodiče extrémně malé hmotnosti. Efekt je na nich lépe vidět a žáci ve skupinách si s jeho délkou hravě poradí.

„Ostatně - jak už jsem říkal během semináře asi desetkrát - nabízím variantu, jak to dělám já. Za výuku fyziky ve vašich třídách jste zodpovědní vy! Proto moje nápady nemusíte vůbec akceptovat, případně si je upravit dle svých podmínek a zvyklostí,“ dodávám.

Dále postupně probereme:

„Síla působí pochopitelně i mezi dvěma magnety, ale kvantitativně popíšeme jen velikost síly působící na vodič s proudem v magnetickém poli,“ dodávám. „Magnetickou sílu mezi dvěma magnety odvozoval v rámci vzpomínané dílny Leoš Dvořák a ten vztah nebyl z nejjednodušších.“

Poslední informaci, kterou společně vyvodíme, je vztah pro velikost zmíněné magnetické síly.

„Tady tedy je ta rodinná tragédie,“ usmívám se a píšu fyzikářům notoricky známý vztah s narážkou na foneticko-grafické čtení vztahu.

Sedm minut před uplynutím času, ve kterých bych další problém vyřešit nestihl, se loučíme a doufáme, že do našich plánů vidět se zase v listopadu už znovu nezasáhne covid.

Materiály ze semináře, které jsou účastníkům k dispozici, a odkazy:

Průběh semináře je zachycen na fotografiích.

Autoři fotografií:

Jan Kratochvíl

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 20. 10. 2021