Detektor elektrického náboje
Elektrické pole a náboj jsou základem mnoha jevů, které se vyskytují v přírodě i v technice. Od blesků až po fungování elektronických zařízení, vše je založeno na interakci elektrických nábojů a elektrických polí.
Elektrický náboj je vlastnost částic, která způsobuje, že na sebe vzájemně působí elektrickou silou. Existují dva druhy elektrických nábojů: kladný a záporný. Záporný náboj si nese elektron, kladný náboj proton. Stejné náboje se odpuzují, zatímco různé náboje se přitahují. Pokud na nějakém tělese převažují elektrony nad protony, nabije se těleso záporně, v opačném je nabito kladně.
Elektrické pole je silové neviditelné pole, které obklopuje každé elektricky nabité těleso. Můžeme si ho představit jako sílu, která působí na jiné elektricky nabitá tělesa. Představte si to jako magnet, který přitahuje kovové předměty.
Detekce elektrického náboje a elektrického pole může probíhat různými způsoby. Jedním z nich je použití elektroskopu. Elektroskop je jednoduché zařízení, které se skládá z kovové tyče a dvou tenkých kovových listů. Když se nabitý předmět přiblíží k elektroskopu, náboj se přenese na kovovou tyč a listy se od sebe odchýlí. Čím větší je náboj, tím větší je odchylka listů.
Další způsob detekce je využití elektrického pole k ovlivnění pohybu nabitých částic. Například v katodové trubici se elektronový svazek ohýbá působením elektrického pole.
V mém případě půjde o detektor založený na pohybu elektricky nabitého tělesa v okolí antény. V anténě se rozpohybují elektrony a vzniklý proud je následně pomocí 3 tranzistorů zesílen na hodnotu, která je dostatečná pro rozsvícení LEDky.
Popisovaný detektor není nic neznámého, na internetu je velké množství ukázek, jak si tento detektor postavit. V dalším textu pouze nabízím jednu z možných variant. Můj detektor používá snadno dostupné součástky a je umístěn v obalu, který si vytisknete na 3D tiskárně. Vše potřené si postupně představíme tak, aby si to mohl vytvořit každý trochu šikovnější učitel i žák na kroužku.
Základní potřeby
Pro stavbu budete potřebovat následující součástky:
- 1× LED červené barvy o průměru 10 mm
- 1× LED zelené barvy o průměru 10 mm
- 2× rezistor 1 kΩ/0,5 W
- 2× rezistor 10 MΩ/0,5 W
- 3× NPN tranzistor BC547
- 3× PNP tranzistor BC557
- 1× kolébkový přepínač MRS-102, ON-ON 250V/6A
- 1× kontakty na 9V baterii s vývody 12 cm
- 1× Univerzální deska plošného spoje PC-02
(rozměry 91×45mm, lze rozlomit na dva čtverce o hraně 45 mm) - 1× zdířka pro banánek
- 3× vrut 2,5×12 mm
- vodiče – ideálně z vyřazených UTP kabelů a to jak ve formě lanka, tak i drátů
- cca 30 cm drátu o průřezu 1,5 cm2
Dále bude potřeba pájka, kalafuna, cín s průměrem do 1 mm, kleštičky nebo pinzeta, sponky do sešívačky a 3D tiskárna.
Schéma detektoru
Jak je patrné z následujícího schématu zapojení, vytvoří tranzistory trojstupňový zesilovač, na jehož výstupu je osazena červená nebo zelená dioda. Pokud budete k anténě přibližovat nabité těleso, v anténě se vytvoří proud, který je zesílen na požadovanou úroveň. Citlivost přístroje je dostatečná, aby detekoval i pole kolem vodičů s AC proudem.
Sestavení obvodu na DPS
Nejprve si naohýbejte vývody jednotlivých součástek, aby se snadno osazovali do DPS. K ohýbání se hodí pinzeta a případně i nějaká ohýbací pomůcka. Já jsem si pro tento účel vytiskl ohýbátko ze serveru Thingiverse – viz obrázek 3.
Při ohýbání si ohlídejte rozteč otvorů v DPS. Příslušné hodnoty si určete podle obrázku 4. (DPS musí být ve skutečnosti otočena o 90° – perforací nahoru nebo dolů.)
Čárkované čáry naznačují, kde později uděláte propojky z drátu UTP kabelů. Zvlněné čáry naznačují, jak připojit součástky, které budete mít pouze na obalu.
Do DPS nejprve umístěte tranzistory tak, aby spoj desek byl otočen o 90° oproti obrázku 4, a nožičky připájejte jen k desce. Vývody jsou od sebe jen 2,5 mm a nesmí se vám spojit. DPS vám v tom hodně pomůže, a pokud dodržíte následující postup, dopadne to dobře:
- naneste malé množství cínu na hrot pájky,
- naneste na pájku kalafunu,
- prohřejte hrotem kontakt na DPS cca 2 s při teplotě pájky 300 °C,
- přidejte na plošku trochu cínu (dotkněte se cínem plošky nebo hrotu).
Pokud jste postup dodrželi, máte na plošce malý kužel cínu, který obklopil drát. Pokud ne, namočte opět hrot pájky do kalafuny a ještě jednou místo prohřejte, cín se rozlije do požadovaného tvaru. Nedávejte zbytečně velké množství cínu.
Pokud máte 6 tranzistorů osazených, přidejte na desku všechny 4 rezistory. Postup upevnění je analogický tomu s tranzistory.
Dalším krokem bude vytvoření propojek. Na ty využijete přebývající vývody součástek nebo drát z UTP kabelu. Na obrázku 5 jsou modře označené vytvořené z vývodů a červeně ty z UTP drátu. Šedivé kolečko je místo, které je připájené buď k DPS, nebo jiné součástce. Popisky pak naznačují, ke kterým místům se budou připojovat zbývající součástky. Na obrázku 6 je vyobrazena finální podoba DPS.
Když jsem sestavoval druhý obvod na volné „polovině“ DPS, zjistil jsem, že má jiný počet bodů. Pro vlastní osazení součástkami to nepředstavuje problém, máte více místa, ale musel jsem kvůli tomu vytvářet 2 krabičky (viz obr. 7).
Krabička na detektor
Krabička se skládá ze tří částí, které si vytiskněte na 3D tiskárně a úplně vám na to bude stačit PLA filament. Jak jsem již zmínil v předchozí kapitole, existují 2 velikosti DPS, vytvořil jsem tedy 2 verze „hlavní“ krabičky. Ostatní prvky jsou univerzální.
Dvířka pro baterku zasaďte na místo a skrz volné otvory prostrčte narovnanou sponku do sešívačky. Na obou koncích si ji pak zahněte. Dvířkami několikrát otočte, aby se trochu obrousily otřepy zateklého filamentu. U dvířek není žádná zarážka, ale myslím, že scházet vám nebude. Pokud ano, můžete místo ní použít 2 gumičky, které nasadíte na detektor, budou zároveň sloužit jako protiskluzový materiál.
Připevnění dalších prvků detektoru
Nejprve si připravte antény pro detekování náboje. Z měděného drátu o průřezu 1,5 mm2 si připravte 2 cca 20 cm dlouhé kusy a zbavte je izolace. Na jednom konci odměřte asi 5 cm a v tomto místě ohněte drát do pravého úhlu. Prostrčte otvorem kratší konec v boku hlavní části krabičky, zbylý upevněte do drážky a zkraťte na příslušnou délku. Mně se k upevnění hodila kapka tavného lepidla.
Vezměte banánkovou zdířku a připájejte k ní asi 15 cm dlouhý vodič z UTP kabelu. (Vodič bude sloužit k uzemnění, tak pokud máte po ruce i něco s větším průřezem použijte ho.) Zdířku upevněte do otvoru v boku krabičky, vhodně upravte délku antén, aby si se zdířkou nepřekážely. K volným koncům antén připájejte cca 5 cm dlouhé vodiče.
Vezměte si spínač a přidělejte k jeho vývodům vodiče s délkou minimálně 8 cm a zastrčte do otvoru v krabičce. Stejně postupujte i s LEDkami, jen vodiče použijte o kousek delší. Pořadí diod není důležité.
Vezměte DPS, položte a upevněte ji na distančníky (sloupky) nad spínačem. Všechny vodiče si vytáhněte, aby byly volně přístupné pro další upevnění a následně 2 vruty připevněte desku do krabičky. Otvory pro vruty jsou připravené, jen při dotahování opatrně s kroutícím momentem.
Podle obrázků 5, 6 a hlavně 2 připojte vodiče k DPS. Krabička nenabízí mnoho prostoru, tak buďte opatrní, ať si nic nepokazíte. Zbývá už jen připevnit přívody pro baterku a záporný přívod propojit s vodičem vedoucím ke zdířce.
Krabičku zakryjte a víčko přišroubujte zbývajícím vrutem.
STL soubory ke stažení:
Použití detektoru
Vložte do detektoru 9V baterii, postavte jej anténami vzhůru a zapněte. Tím je připraven k detekování. Pro lepší fungování můžete přístroj uzemnit libovolným vodičem přes zdířku v boku krabičky.
Nyní již stačí nabít hadrem např. novodurovou trubku přiblížit se k detektoru. Tím se rozsvítí jedna z diod. Pokud se budete oddalovat, rozsvítí se naopak druhá dioda. Zkusíte-li stejnou pohyb nyní s hadrem, kterým jste trubku třeli, budou diody blikat v opačném pořadí.
Zkuste si detektor postavit na bezdrátovou nabíječku mobilů 😉.