Elixír do škol - 5. setkání

Ve čtvrtek 8. 1. 2015 se konalo v učebně fyziky SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské další setkání projektu Elixír do škol, který je podporován Nadací Depositum Bonum. Páté setkání tohoto školního roku bylo věnováno elektrickému proudu v polovodičích. Setkání se tentokráte zúčastnily samé ženy.

V úvodu setkání jsem dal účastnicím setkání úkol: měly vyluštit dvě připravené křížovky, které jsou součástí připraveného materiálu s úkoly týkajícími se právě vedení elektrického proudu v polovodičích. Některé z nich luštily poctivě, jiné po napsání několika písmen do tajenky si její znění tiply a pak doplňovaly zbylá slova. Termíny, které se doplňovaly, se týkaly právě problematiky polovodičů. Po několika minutách jsme si společně řekli správné odpovědi s tím, že jsem nevysvětloval všechny pojmy hned; věděl jsem, že se k nim postupně dostaneme během dnešního setkání.

Pak už jsme začali probírat základní vlastnosti polovodičů. Po nezbytném úvodu a vymezení pojmu polovodič, jsme rozdělili polovodiče na vlastní a příměsové a připomněli si různé způsoby jejich excitace.

„Já to vysvětlím pomocí energetických hladin. Nebudu ale zabíhat do detailů, protože je jasné, že na základní škole, kde většina z vás učí, to nepoužijete. Nicméně budete mít alespoň představu a budete to moct vysvětlit zvídavějším žákům,“ říkám na úvod, když začínám na tabuli kreslit první obrázky energetických hladin. „Jen doufám, že až ten záznam bez toho mého povídání uvidí ostatní fyzikáři, neseberou mi maftyzácký diplom,“ dodávám s úsměvem.

Teoreticky popsané způsoby excitace jsme si pochopitelně předvedli v praxi. S termistorem jsem ukázal pokles jeho odporu po ohřátí v horké vodě a vzrůst odporu po ponoření do kelímku s ledem. Podobný pokus jsem pak předvedl s pozistorem, jehož teplotní závislost odporu je přesně opačná - tj. s rostoucí teplotou odpor roste. Světelnou excitaci jsme názorně viděli s využitím fotorezistoru a ukázali si praktické použití v podobě solárních článků. Přitom jsme diskutovali o politickém rozhodnutí minulých let dotovat výrobu elektrické energie právě tímto způsobem. Funkční solární panel pak mohly účastnice setkání vidět na hračce kobylky, která má solární panel připevněný na své horní části. Když se na něj posvítí, kobylka začne poskakovat po stole; důvodem tohoto pohybu je pohyb asymetrického motorku uvnitř hračky. Jak jsem předpokládal, tento pokus se velmi líbil. Princip činnosti fotorezistoru a solárních článků je založen na fotoelektrickém jevu, kterému se budeme podrobněji věnovat v dubnovém a květnovém setkání.

„Totéž si můžete zkusit i vy samy,“ říkám a beru do rukou překvapení dnešního setkání. „Před Vánocemi jsem pro vás připravil dárečky: termistor a fotorezistor,“ usmívám se a rozdávám součástky. Obě jsou připájené k vodičům zakončenými banánky, takže je možné součástky zapojit přímo do elektrického obvodu nebo do zdířek multimetru.

Účastnice jsou nadšené a děkují za dárky.

„Pěkné měření, které většinou i dobře vychází, je proměřování voltampérové charakteristiky diody zapojené v propustném směru,“ pokračuji poté a sklízím ze stolu, na kterém je obvod připraven již od začátku setkání, přebytečné pomůcky. „Tu můžete proměřit jak klasickými multimetry, tak s využitím sond firmy Vernier.“

„A jéje, hlavně pak neříkej, že za to můžu já,“ směje se Edita Martoníková a vzpomíná na setkání, které proběhlo přibližně před rokem a na kterém jsem se neúspěšně snažil proměřit voltampérovou charakteristiku rezistoru.

„Teď to mám připravené a pro jistotu naměřená data uložená,“ usmívám se a vzpomínám na trapné chvilky také.

Během minutky je vše připraveno. Obvod si zakreslíme na tabuli, doplníme do schématu dle autorů základoškolských učebnic i ochranný rezistor, který v reálném zapojení není potřeba, a spustíme měření. Na tabuli se objeví krásná voltampérová charakteristika diody.

Společně si vysvětlíme, proč elektrický proud začíná procházet diodou až od jistého nenulového napětí (tzv. prahové napětí), proč není voltampérová charakteristika lineární i drobné nepřesnosti v naměřených datech.

„Nechci zase způsobit nějaký malér, ale jak by to vypadalo v závěrném směru?“ ptá se Edita.

„Můžeme to zkusit,“ říkám a zapojuji baterii do obvodu s opačnou polaritou. „Dioda by se zničit neměla,“ dodávám a věřím tomu!

Dioda přežila a poslední pixely grafu voltampérové charakteristiky diody v závěrném směru se na tabuli dokreslily za bouřlivého nadšení všech zúčastněných dam.

„Pro porovnání můžeme zobrazit voltampérovou charakteristiku rezistoru“, navrhuji a vyměňuji součástky zapojené v obvodu. Voltampérová charakteristika je lineární, jak jsme očekávali. Ukazuji, jak je možné z grafu zjistit odpor (resp. vodivost) rezistoru. Některé účastnice to zajímá, protože mají sondy firmy Vernier i software LoggerPro do škol, kde učí, zakoupeny.

Pak jsme se ještě krátce zastavili u LED - základní princip činnosti jsme vysvětlili rychle, protože detailnější výklad z hlediska kvantové fyziky by byl už dost nad rámec učiva fyziky základních škol.

Aniž jsme si to uvědomili, přiblížila se pátá hodina. Dvě hodiny vyhrazené na setkání utekly příjemně a snad i pro účastnice setkání inspirativně.

Jako inspirace pro další práci mohou posloužit:

  • pracovní list;
  • seznam témat na samostatnou laboratorní práci žáků;
  • data voltampérové chrakteristiky diody v propustném i závěrném směru a rezistoru (v souboru jsou grafy ve formátu obrázku *.jpg, data ve formátu excelovského souboru *.xls a data ve formátu programu LoggerPro);
  • záznam z tabule.
  • Atmosféru prvního setkání v novém kalendářním roce setkání přibližují fotografie.

    Autoři fotografií:

    Edita Martoníková

    Jaroslav Reichl

    © Jaroslav Reichl, 10. 1. 2015