ZESPÓŁ SZKÓŁ ELEKTRONICZNYCH, ELEKTRYCZNYCH

I MECHANICZNYCH W BIELSKU-BIAŁEJ

Konrad Wysogląd

Oswojony piorun, błysk światła i nieco magii

Praca wykonana pod kierunkiemMgr Zdzisławy Hojnackiej

- 1 -

BIELSKO-BIAŁA 2009

SPIS TREŚCI

1. WSTĘP ….......................................................................................................... 3

1.1. CO TO JEST ŚWIATŁO......................................................................... 4

1.1.1 RÓŻNE SPOJRZENIA NA ŚWIATŁO ….................................. 4

1.1.2 MODEL WYKONANY PRZEZE MNIE WYJAŚNIAJĄCY

ŚWIATŁO WYSYŁANE PRZEZ ATOM

WODORU ....................................................................................... 5

1.2. CO MOŻE ŚWIECIĆ? …....................................................................... 10

1.2.1. ŚWIATŁO STWORZONE PRZEZ CZŁOWIEKA ….............. 10

1.2.2. ŚWIATŁO NATURY .................................................................... 14

2. ZJAWISKA FIZYCZNE WYSTEPUJĄCE PODCZAS ŚWIECENIA …. 16

2.1. JONIZACJA GAZÓW …....................................................................... 16

2.2. ISKRA I ŁUK ELEKTRYCZNY .......................................................... xx

2.3. PLAZMA …............................................................................................. xx

3. ROLA WYSOKIEGO NAPIĘCIA W PROCESIE ŚWIECENIA ….......... 19

3.1. NIEBEZPIECZEŃSTWO ZWIĄZANE Z WYTWARZENIEM

WYSOKIEGO NAPIĘCIA …................................................................ 19

3.2. WYTWARZANIE I WŁASNOŚCI PROMIENI ROENTGENA ….. xx

4. MÓJ MODEL – GENERATOR MARXA ….................................................. xx

4.1. UŻYTE NARZĘDZIA DO BUDOWY GENERATORA MARXA …. xx

4.2. STRUKTURA MODELU ….................................................................... xx

4.3. WIZUALNA REALIZACJA MODELU (GALERIA) …...................... xx

4.4. PROBLEMY WYSTĘPUJACE PODCZAS BUDOWY ….................. xx

5. WNIOSKI .......................................................................................................... xx

6. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. xx

- 2 -

1. WSTĘP

Na pewno każdy zastanawiał się kiedy, skąd pochodzi światło. Światło to

bardzo obszerne stwierdzenie, wielu ludzi mówiąc o świetle ma na myśli światło

widzialne przez nasze oczy. Inni widzą w nim siły duchowe. Fizycy mówią o

świetle jako fali elektromagnetycznej lub wiązce fotonów.

Dawniej ludzie uważali błyskawice i inne, wówczas niewyjaśnione rodzaje

świecenia, za zjawiska nadprzyrodzone albo gniew Bogów. Dzisiaj wiemy, że

błyskawica to nie gniew Bogów, a zjawisko fizyczne bazujące na niepodważalnych

prawach fizyki.

Zjawiska związane z powstawaniem światła wskutek jonizacji towarzyszą

nam na co dzień, mnie jednak fascynowały na tyle, że postanowiłem je zbadać.

Potrzebowałem do tego źródła wysokiego napięcia, które też chciałem uzyskać

samodzielnie, gdyż poza fizyką ogólną interesuję się elektroniką. W ten sposób

powstał mój model, generator Marxa, oraz szereg ciekawych doświadczeń.

W tej pracy zostały omówione poszczególne zagadnienia, zaczynając od teorii

związanej ze światłem poprzez promieniowanie X, a kończąc na moim modelu

Generatora Marxa.

- 3 -

1.1. CO TO JEST ŚWIATŁO

1.1.1 RÓŻNE SPOJRZENIA NA ŚWIATŁO

Potocznie światłem nazywa się widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowania odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm.

W nauce pojęcie światła jest jednak szersze, gdyż nie tylko fale widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki.

Przykłady wskazujące, że światłem należy nazywać szerszy zakres promieniowania, niż tylko światło widzialne:

wiele substancji barwiących płowieje nie tylko od kontaktu ze światłem widzialnym, ale i bliskim ultrafioletem pochodzącym ze Słońca;

rozszczepiając, za pomocą pryzmatu, światło emitowane przez rozgrzane ciała , można zaobserwować wzrost temperatury przesuwając termometr wzdłuż uzyskanych barw widmowych, wzrost ten jest mierzalny także dalej, w niewidocznej części widma, która jest również załamywana przez ten pryzmat;

wiele zwierząt ma zakresy widzenia światła wykraczające poza zakres widzenia ludzkiego oka.

Tak więc można mówić o "świetle widzialnym" i "świetle niewidzialnym".

W naukach ścisłych używa się określenia promieniowanie optyczne tj. promieniowania podlegającego prawom optyki geometrycznej oraz falowej. Przyjmuje się, że promieniowanie optyczne obejmuje zakres fal elektromagnetycznych o długości od 10 nm do 1 mm, podzielony na trzy zakresy – podczerwień, światło widzialne oraz ultrafiolet.

- 4 -

1.1.2. MÓJ MODEL WYKONANY PRZEZE MNIE WYJAŚNIAJĄCY ŚWIATŁO

WYSYŁANE PRZEZ ATOM WODORU

Zjawisko Zeemana

Ogólnie rzecz biorąc widmo to obraz powstały na ekranie na skutek rozszczepienia pewnej wiązki światła w pryzmacie. Wyróżniamy dwa typy widm - adsorpcyjne i emisyjne. Różnica polega na tym, że w wypadku widma emisyjnego rozszczepiamy wiązkę światła wysłanego przez atomy dlatego pierwiastka na skutek wzbudzenia (np. za pomocą prądu elektrycznego lub ciepła), zaś w wypadku widma adsorpcyjnego - rzucamy wiązkę światła białego na próbkę i rozszczepiamy światło, które przez nią przechodzi. Badając widmo emisyjne wodoru stwierdzono, że składa się ono z tzw. serii, a one z poszczególnych linii spektralnych. Występowanie takich prążków w rozszczepionym widmie nazywamy zjawiskiem Zeemana. Jako pierwszy opisu zależności pomiędzy liniami spektralnymi w seriach dokonał Rydberg. Jest on autorem tzw. równania Rydberga, którego postać przedstawia się następująco:

Gdzie (v /c) to liczba falowa linii. Dla różnych wartości zmiennej m wyróżniamy różne serie, i tak:

m = 1 - seria Lymanam = 2 - seria Balmeram = 3 - seria Paschenam = 4 - seria Brackettam = 5 - seria Pfundam = 6 …

- 5 -

Przyczyny

Teraz przyszła pora na wyjaśnienie, skąd się to wszystko bierze. To, o czym powiemy zostało ogłoszone przez duńskiego uczonego Nielsa Bohra.

Po pierwsze stwierdził on, że w widmie pojawiają się prążki, (a nie rozmyte plamy) i z tego powodu energie elektronów w atomie nie mogą być dowolne. Bohr przyjął, że elektrony krążą po orbitach nie tracąc przy tym energii (co jest pewnym krokiem w kierunku chemii kwantowej), nie wysyłają też żadnego promieniowania podczas ruchu po orbitach. Stwierdził, że elektrony mogą krążyć tylko w określonych odległościach od jądra. Odległości te wyznaczały orbity i zostały nazwane stanami dozwolonymi. Dla zainteresowanych równanie opisujące energie stanów dozwolonych:

Same prążki w widmie emisyjnym powstają, gdy elektronowi zostanie dostarczony odpowiedni kwant energii (zgodny z równaniem na Ryc. 2) i elektron ten przeskoczy z orbity o niższej energii (o mniejszym promieniu zgodnym z równaniem na Ryc. 3) zwanej stacjonarną na orbitę wyższą o promieniu zgodnym także z tym równaniem. Stan taki nazywamy stanem wzbudzonym. Stan wzbudzenia trwa bardzo krótko i elektron prawie natychmiast wraca na swoją dotychczasową pozycję emitując kwant energii (fala o odpowiedniej długości - jej energia to różnica energii na danych poziomach energetycznych hν = Ew − Es). Położenie prążka w widmie zależy więc od tego jaki kwant światła zostanie wyemitowany. Wynika to z tego, po między którymi orbitami następuje przeskok.

Powrót elektronów z innych powłok (2, 3, 4, 5, 6, 7) na powłokę pierwszą wiąże się z emisją światła o długości fali należącej do nadfioletu. Powrót na powłokę drugą daje światło w zakresie widzialnym, a na powłoki wyższe - podczerwień. Powroty elektronów na powłokę drugą były poznane najszybciej, ponieważ emitowały światło w zakresie widzialnym:

Z 3 na 2 - światło czerwoneZ 4 na 2 - światło zieloneZ 5 na 2 - światło niebieskieZ 6, 7 etc. - światło fioletowe

- 6 -

Widmo światła białego

Widmo atomu wodoru

Mój model Bohra wykonany na lekcje fizyki

Porównanie obu modeli. Powyżej model ze strony internetowej. Poniżej Mój model atomu Bohra wykonany na obwodzie drukowanym dwustronnym w technologii SMD ( Montażu powierzchniowego) Płytka została zaprogramowana w programie AutoTrax, i wykonana metodą termotransferu.

- 7 -

Kiedy naładowany elektron spada na pierwszą orbitę od jądra wypromieniowywany jest foton o odpowiedniej energii

- 8 -

Elektrony spadając na drugą orbitę tworzą światło widzialne tzw. serię Balmera, a na trzecią promieniowanie IR (podczerwone)

- 9 -

1.2.1 ŚWIATŁO STWORZONE PRZEZ CZŁOWIEKA

Ze względu na wykorzystywane zjawiska fizyczne przy wytwarzaniu światła w lampach

elektrycznych można wyróżnić:

► Lampy żarowe (żarówki), w których wykorzystuje się świecenie nagrzanego drutu

wolframowego;

► Lampy fluorescencyjne (świetlówki), w których wykorzystuje się zjawisko fluorescencji, tj.

świecenie pewnych substancji chemicznych pod działaniem promieni ultrafioletowych i

elektronów;

► Lampy wyładowcze (rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe), w których wykorzystuje się

świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych (przepływu prądu elektrycznego przez

gaz);

► Lampy o świetle mieszanym, w których wykorzystuje się do otrzymania światła dwa zjawiska

fizyczne, zwykle świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych i świecenia ciał

stałych pod wpływem wysokiej temperatury (lampy rtęciowo-żarowe, lampy łukowe).

- 10 -

ŻARÓWKI

Elementem świecącym w żarówce jest żarnik wykonany w postaci skrętki jedno- lub dwuskrętnej z drutu wolframowego. Wolfram jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, wynoszącej ok. 3380°C. Żarnik umieszczony jest w bańce szklanej, z której zostało wypompowane powietrze. Żarówki o małej mocy (do 25 W) wykonuje się zwykle jako próżniowe, a o mocach większych – jako gazowe. Bańka żarówki jest wtedy wypełniona gazem – argonem lub kryptonem. Zastosowanie gazu w bańce zmniejsza intensywność rozpylania wolframu żarnika. Poprawia to trwałość żarówki i umożliwia zastosowanie wyższej temperatury żarnika. Wolfram rozpylony osiada na bańce powodując jej czernienie i zwiększając pochłanianie światła przez bańkę. Trwałość żarówek do ogólnych celów oświetleniowych wynosi ok. 1000 h. Jest to czas, po którym żarnik ulega przepaleniu, lub po którym strumień świetlny żarówki zmaleje do 80% strumienia początkowego. Doprowadzenie energii elektrycznej do żarówek odbywa się za pośrednictwem trzonków. Stosowane są głównie dwa rodzaje trzonków.

Bańki żarówek mogą być przezroczyste, matowe, opalizowane lub mleczne. Zastosowanie bańki matowej, opalizowanej lub mlecznej zmniejsza znacznie luminację żarówki. Oprócz żarówek do ogólnych celów oświetleniowych produkuje się cały szereg żarówek specjalnych, jak: sygnalizacyjne, iluminacyjne, samochodowe, górnicze i inne. Praca żarówki zależy szczególnie od napięcia sieci. Podwyższenie napięcia bardzo znacznie zmniejsza trwałość żarówki, zwiększa się jednak jej strumień świetlny. Przy obniżeniu napięcia zmniejsza się znacznie strumień świetlny, ale wzrasta trwałość żarówki. Można w przybliżeniu przyjąć, że wzrost napięcia o 5% powyżej napięcia znamionowego powoduje obniżenie trwałości żarówek do połowy i zwiększenia strumienia świetlnego o ok. 20%. Obniżenie napięcia o 5% poniżej znamionowego zwiększa trwałość żarówek dwukrotnie i zmniejsza strumień świetlny o ok. 20%.

- 11 -

ŚWIETLÓWKA

Świetlówka składa się z rury szklanej, w której następują wyładowania elektryczne pomiędzy dwiema elektrodami pokrytymi warstwą aktywną. Wnętrze wypełnia argon i pary rtęci pod niskim ciśnieniem.

Przy wyładowanie elektrycznym (tj. przepływie prądu elektrycznego) powstaje w rurze słabe promieniowanie widzialne i silne promieniowanie ultrafioletowe, niewidzialne. Powierzchnia wewnętrzna rury pokryta jest mieszaniną odpowiednio dobranych substancji chemicznych wykazujących właściwości fluorescencyjne, tworzące warstewkę zwaną luminoforem. Pod wpływem padającego na luminofor niewidzialnego promieniowania ultrafioletowego następuje świecenie luminoforu. Barwa światła zależy od składu

chemicznego luminoforu.Świetlówki wymagają współdziałania dodatkowych urządzeń przy pracy. W obwodzie świetlówki musi być umieszczony stabilizator prądu. Rolę stabilizatora prądu dla świetlówek zasilanych napięciem przemiennym pełni zwykle dławik, tj. cewka nawinięta na rdzeniu z blach ze stali krzemowej. Zadaniem dławika jest ograniczenie prądu płynącego przez świetlówkę i chwilowe podwyższenie napięcia pomiędzy elektrodami świetlówki dla ułatwienia zapłonu.Świetlówki z podgrzewanymi katodami przy zaświeceniu współpracują ponadto z zapłonnikiem. Jest to urządzenie, które zamyka obwód na krótką chwilę i ponownie go otwiera.

Zapłonniki współpracują z świetlówką w układzie przedstawionym na rysunku powyżej. Działanie tego układu jest następujące: po włączeniu napięcia przez obwód złożony z dławika , katody , zapłonnika oraz katody płynie bardzo mały prąd, gdyż zapłonnik przedstawia bardzo duży opór. Następuje jarzenie (świecenie) neonu zawartego w zapłonniku i jego nagrzewanie. Podgrzana blaszka bimetalowa wygina się i dotyka styku. Opór zapłonnika maleje praktycznie do zera. Przez obwód płynie duży prąd, ograniczony przez dławik i rezystancję skrętek katod i K2, wywołując nagrzanie katod. Od momentu zamknięcia styku zapłonnika następuje chłodzenie blaszki bimetalowej, która po chwili powraca w położenie wyjściowe, przerywając przepływ prądu w obwodzie. Nagła zmiana prądu płynącego przez dławik powoduje powstanie w nim samoindukcji o znacznej wartości (kilkaset woltów). Siła elektromotoryczna samoindukcji dodaje się do napięcia sieci i powoduje, że między katodami panuje przez moment wysokie napięcia, które może wywołać wyładowania elektryczne w rurze.

- 12 -

LAMPA RTĘCIOWA

Źródłem światła w lampach rtęciowych są wyładowania elektryczne w parach rtęci. Elementem głównym lampy jest jarznik wykonany jako bańka ze szkła kwarcowego, przepuszczającego promienie ultrafioletowe z dwiema elektrodami głównymi i jedną lub dwiema elektrodami zapłonowymi. W bańce wypełnionej argonem lub neonem znajduje się kropla rtęci. Neon lub argon wraz z parami rtęci silnie świecą przy przepływie prądu elektrycznego, światłem zawierającym w dużej części promieniowanie ultrafioletowe .Jarznik otacza bańkę zewnętrzną pokryta luminoforem, z której wypompowano powietrze. Luminofor przetwarza promieniowanie ultrafioletowe wytworzone w jarzniku na światło widzialne. Rtęciówka może być przyłączone do sieci jedynie w układzie zawierającym dławik, który spełnia rolę stabilizatora prądu. Bezpośrednie przyłączenie rtęciówki do sieci grozi zniszczeniem jarznika. Po przyłączeniu lampy do sieci rozpoczyna się wyładowanie miedzy elektrodą zapłonową i główną, a po pewnym czasie między elektrodami głównymi. Czas rozświetlania rtęciówek jest długi,

wynosi kilka minut. Rtęciówka wyłączona i ponownie włączona do sieci, zacznie rozświecać się dopiero po częściowym ostygnięciu jarznika, praktycznie po kilku minutach od włączenia. Właściwość ta stanowi wadę rtęciówek.Skuteczność świetlna rtęciówek jest znacznie większa niż żarówek. Rtęciówki są mniej wrażliwe na zmiany napięcia

niż żarówki. Odchylenie napięcia o 5% od napięcia znamionowego zmienia strumień świetlny ok. 8%, a trwałość lamy nie ulega praktycznie zmianie.

W bańce zewnętrznej lampy rtęciowo – żarowej znajduje się bańka ze szkła kwarcowego z elektrodami głównymi i zapłonowymi (jarznik), analogicznie jak w lampie rtęciowej oraz żarnik wolframowy podobny do używanych w żarówkach. Żarnik połączony szeregowo z jarznikiem rtęciowym spełnia role stabilizatora, a ponadto koryguje barwę światła dodając barwę żółtą i czerwoną. Lampa może być bezpośrednio włączona do sieci. Skuteczność świetlna tych lamp jest niższa niż rtęciówek.

- 13 -

1.2.2 ŚWIATŁO NATURY

BIOLUMINESCENCJA

Bioluminescencja– świecenie żywych organizmów, jeden z rodzajów chemiluminescencji. Występuje u wielu bakterii, grzybów, niektórych pierwotniaków, morskich jamochłonów, gąbek, mięczaków (głównie głowonogów), skorupiaków, owadów, osłonic, ryb.

U różnych zwierząt występują różne mechanizmy odpowiedzialne za świecenie – jednym z nich jest enzymatyczne utlenianie lucyferyny z udziałem lucyferazy.

Bioluminescencja może być też zjawiskiem ubocznym towarzyszącym innym procesom chemicznym, jak np.u grzybów.

Często jest przystosowaniem umożliwiającym orientację, jak np. u ryb głębinowych, świetlików. Niektóre zwierzęta mają specjalne organy świetlne.

Badanie bioluminescencji, a w szczególności cząsteczek chemicznych odpowiedzialnych za świecenie (fluoroforów), jest źródłem cennych informacji wykorzystywanych we współczesnej biologii molekularnej. Przykładowo, odkryte u świecących meduz białko GFP (z ang. Green Fluorescent Protein) jest wykorzystywane do znakowania innych naturalnie występujących

białek, np. w celu ich lokalizacji w komórce. Tę samą substancję wykorzystuje się w immunologii oraz embriologii, gdzie podmienienie fragmentu nici DNA na fragment kodujący GFP pozwala w prosty sposób śledzić ekspresję zmodyfikowanych w ten sposób genów.

Wiele organizmów wyższych do produkcji światła wykorzystuje zdolności bakterii osiadłych na niektórych fragmentach ich ciała.

Musi jednak istnieć interesujący dodatkowy mechanizm sterowania taką zdolnością "gości", ponieważ nawet w tych przypadkach, świecenie następuje impulsami (czasem w postaci oślepiających błysków). Barwa bioluminescencji jest z reguły żółtozielonkawa lub niebieskawa, jedynie u organizmów głębinowych spotyka się światło koloru czerwonego. Nie jest do końca wyjaśniona etiologia bioluminescencji. Początkowo przypisywano jej funkcję seksualną (np. u świetlików). Ostatnio okazało się, że pełnić ona może rolę czynnika

- 14 -

agregacyjnego (przy skupianiu) drobnoustrojów, lub funkcję prawdziwego reflektora podczas polowania, a wreszcie - czynnika kamuflującego.

FLUORESCENCJA

Fluorescencja –jeden z rodzajów luminescencji, zjawisko emitowania światła własnego, wywołane pochłonięciem przez ciało kwantu promieniowania elektromagnetycznego.

Zjawisko uznaje się za fluorescencję, gdy po zaniku czynnika pobudzającego następuje szybki zanik emisji w czasie około 10-8 s, gdy czas zaniku jest znacznie dłuższy, to zjawisko jest uznawane za fosforescencję. Wyróżnia się także fluorescencję długożyciową, gdy czas zaniku promieniowania jest znacznie dłuższy od zwykłej fluorescencji, zwanej w tej sytuacji dla odróżnienia krótkożyciową, a charakter promieniowania jest identyczny z fluorescencją a nie fosforescencją.

Fluorescencja wszystkich cząsteczek organicznych charakteryzuje się tym, że:

maksimum pasma fluorescencji jest przesunięte w kierunku większych długości fali względem maksimum pasma absorpcji

pasma fluorescencji i absorpcji częściowo się nakładają natężenie fluorescencji jest proporcjonalne do natężenia światła wzbudzającego.

Fluorescencja, podobnie jak fosforescencja, jest związana z emisją promieniowania o większej długości fali niż długość fali promieniowania wzbudzającego.

Promieniowanie emitowane w wyniku fluorescencji nie zachowuje polaryzacji ani kierunkowości światła padającego. Gdy w widmie światła padającego są fotony o dostatecznie dużej energii, widmo emitowanego światła jest praktycznie niezależne od widma światła padającego. Fakty powyższe świadczą, że fala emitowana nie jest falą padającą.

- 15 -

W WYKRYWACZACH PROMIENIOWANIA RADIOAKTYWNEGO STOSUJE SIĘ JONIZACJĘ GAZÓW, OTO PRZYKŁADY DOZYMETRÓW JAKIE POSIADAM.

2. ZJAWISKA FIZYCZNE WYSTEPUJĄCE PODCZAS ŚWIECENIA2.1 JONIZACJA GAZÓW

Jonizacja - powstanie jonu z obojętnego atomu lub cząsteczki.

Może się ona odbywać na kilka sposobów:

Na poziomie atomowym:

zderzenie atomu z cząstką o wysokiej energii np. protonem, elektronem, cząstką α;

na skutek wzajemnych zderzeń obojętnych atomów o dużej energii kinetycznej - jonizacja termiczna;

poprzez wybicie elektronu z powłok atomowych w wyniku absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego;

w wyniku wyrzucenia z atomu elektronu po wychwycie elektronu przez jądro.

W ten sposób powstają wolne jony dodatnie i swobodne elektrony, które przyłączając się do obojętnych atomów tworzą jony ujemne;

Na poziomie cząsteczki:2. ZJAWISKA FIZYCZNE WYSTEPUJĄCE PODCZAS ŚWIECENIA

poprzez rozpad wiązań chemicznych, w wyniku czego jedna część cząsteczki dostaje oba elektrony wcześniej uczestniczące w wiązaniu, taki rozpad nazywa się dysocjacją elektrolityczną - w ten sposób powstają luźne pary jonowe;

poprzez reakcję chemiczną, w której jedna cząsteczka (donor) dostarcza elektrony drugiej (akceptor) jednak nie ulegają przy tym rozbiciu żadne wiązania - nazywa się to jonizacją chemiczną - w ten sposób również powstają luźne pary jonowe;

Zjawisku jonizacji towarzyszy zjawisko rekombinacji, czyli procesu odwrotnego, polegającego na zobojętnianiu się swobodnych elektronów i jonów dodatnich lub na łączeniu się jonów o przeciwnych znakach. W warunkach równowagi tempo jonizacji jest równe tempu rekombinacji, co powoduje utrzymywanie się stałego stopnia jonizacji danego ośrodka.

- 16 -

2.2 ISKRA I ŁUK ELEKTRYCZNY

Iskra - odmiana wyładowania elektrycznego w atmosferze lub innym gazie o podobnym ciśnieniu lub cieczy. Iskra elektryczna od łuku elektrycznego różni się dużym oporem elektrycznym kanału przewodzącego.Ze względu na własności fizyczne iskrę elektryczną można podzielić na:

-iskrę krótką

-iskrę długą

Specyficzną odmianą iskry jest tak zwana iskra ślizgowa, czyli wyładowanie elektryczne po powierzchni izolatora. Spektakularną odmianą iskry jest piorun.

Łuk elektryczny - ciągłe wyładowanie elektryczne zazwyczaj w gazie pod ciśnieniem normalnym (atmosferycznym) lub wyższym. Cechą charakterystyczną jest bardzo mały wewnętrzny opór elektryczny. Wyładowanie zachodzi pomiędzy dwiema elektrodami z materiału przewodzącego prąd elektryczny lub między stykami łącznika elektrycznego mechanizmowego

w trakcie wyłączania prądu elektrycznego. Łuk elektryczny ma szerokie zastosowanie w technice. Jest źródłem światła. Używa się go w syntezie chemicznej i przy spawaniu elektrycznym. W obszarze łuku elektrycznego gaz jest zjonizowany — stanowi plazmę. Jej temperatura zależy od natężenia prądu, rodzaju elektrod, rodzaju i ciśnienia gazu. Pod ciśnieniem atmosferycznym i przy przepływie prądu 1 A wynosi ona 5000-6000 K.

- 17 -

2.3 PLAZMA

Plazma - materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek obojętnych, jak i naładowanych elektrycznie, jednak jako całość - elektrycznie obojętna. Wg. jednej teorii w stanie plazmy znajduje się ponad 99% materii tej części Wszechświata, która znajduje się w obszarze dostępnym dla ludzkiej obserwacji. Dokładniejsza definicja plazmy zależy od kontekstu badań.

Plazma tworząca gwiazdy (tak zwana plazma gorąca) składa się z naładowanych i obojętnych cząstek elementarnych oraz jąder atomowych, jednak z uwagi na dużą gęstość i wysoką temperaturę nie możemy mówić o obecności atomów lub jonów.

Plazma kwarkowo-gluonowa powstaje przy bardzo dużych energiach i gęstościach materii (jeszcze wyższych, niż w typowych gwiazdach), gdy nie rozróżnia się już poszczególnych neutronów i protonów. Materia i energia pochodząca z ich rozbicia, wraz z elektronami i innymi cząstkami fundamentalnymi, tworzy plazmę kwarkowo-gluonową.

Plazma zimna powstaje przy odpowiednio niskich temperaturach i gęstościach, w warunkach ziemskich (na przykład podczas wyładowań atmosferycznych) i w zbudowanych przez człowieka urządzeniach (na przykład plazmotronach). W jej skład, prócz składników tworzących plazmę gorącą, wchodzić mogą również atomy i ich jony, a także cząsteczki (zarówno obojętne, jak i zjonizowane).

Plazma wyładowania pierścieniowego to niskociśnieniowa odmiana plazmy. Otrzymywana jest pod wpływem przemiennego pola elektromagnetycznego wysokiej częstości rzędu 100 MHz przy ciśnieniu obniżonym do ok. 100 Pa. Jest to interesujący stan materii o ciekawych właściwościach fizycznych, trudny jednak do badań z uwagi na brak w tych warunkach równowagi termodynamicznej.

- 18 -

3. ROLA WYSOKIEGO NAPIĘCIA W PROCESIE ŚWIECENIA

3.3. NIEBEZPIECZEŃSTWO ZWIĄZANE Z WYTWARZENIEM WYSOKIEGO

NAPIECIA

PORAŻENIAWysokie napięcie (zapisywane skrótowo jako WN) w elektroenergetyce oznacza napięcie elektryczne od 60 kV. Górna granica przedziału wysokiego napięcia jest określana jako 220 kV, powyżej której występuje najwyższe napięcie.Wysokie napięcie jest widowiskowe ale jest niezwykle niebezpieczne. Skutkami porażenia wysokim napięciem są oparzenia, krwotoki i elektroliza krwi. Przy porażeniu o dużym natężeniu prądu następuje zwęglenie tkanek lub natychmiastowa śmierć.Przyczyny wypadków podczas pracy z wysokimi napięciami są różne. Przeważnie są to:

Nieostrożność Lekceważenie przepisów Roztargnienie Omyłki Brak odpowiedniej konserwacji Brak nadzoru Nieszczęśliwy zbieg okoliczności

Następstwem tych przyczyn jest najczęściej dotknięcie części znajdujących się normalnie lub przypadkowo względem ziemi. Jeżeli dotykający soi na ziemi, na przewodzącej podłodze lub konstrukcji stalowej to pod działaniem napięcia dotykowego następuje przepływ prądu przez jego ciało.

ODDZIAŁYWANIE ELEKTROMAGNETYCZNEOddziaływanie elektromagnetyczne powstającego wokół urządzenia wytwarzającego wysokie napięcie może być różne. Inne urządzenia elektryczne półprzewodnikowe w pobliżu źródła wysokiego napięcia ulegają całkowitemu zniszczeniu. Jarzeniówka zbliżona do źródła wysokiego napięcia świeci bez podłączenia jakichkolwiek przewodów.Oddziaływanie elektromagnetyczne na człowieka i inne organizmy żywe jest bardzo zróżnicowane i zależy od wielu czynników. Są to:

Częstotliwość pola elektromagnetycznego Gęstość strumienia mocy Uwarunkowanie ciała człowieka

Pole elektromagnetyczne i częstotliwości przekraczającej 104Hz wywołuje efekt termiczny. Zostaje zakłócona termoregulacja Najbardziej narażone są organy zewnętrzne słabo chłodzone np. oczy. Stałe działanie pola o częstotliwości 107…1011Hz powoduje zespół objawów zwanych chorobą radiotelegrafistów; zaburzenia układu termoregulacji, bóle głowy, bezsenność, uczucie zmęczenia, również przyspiesza rozwój nowotworów.

- 19 -

3.4. WYTWARZANIE I WŁASNOŚCI PROMIENI ROENTGENA

Promieniowanie rentgenowskie (w wielu krajach nazywane promieniowaniem X lub promieniami X) – to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg.

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np. w lampie rentgenowskiej) poprzez wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej (promieniowanie hamowania), efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego anody (rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów anody). Luki po wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego - następuje emisja charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie X powstaje także w wyniku wychwytu elektronu, tj. gdy jądro przechwytuje znajdujący się na powłoce K elektron, w wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają

elektrony z wyższych powłok i następuje emisja kwantu X. Przykładem źródła promieniowania X działającego w oparciu o wychwyt elektronu jest 55 Fe , emitujące 80% kwantów o energii ok. 5,9 keV (linia K-alfa) oraz 20% o energii 6,2keV (linia K-beta). Obecnie są budowane także efektywniejsze źródła promieniowania X, promieniowanie wytwarzane jest przez poruszające się po okręgu elektrony w synchrotronach, stąd promieniowanie to nazywa się promieniowaniem synchrotronowym. Pierwsze źródła promieniowania synchrotronowego należące do tzw. I i II generacji były stosunkowo mało wydajne. Dopiero źródła promieniowania synchrotronowego nowszej konstrukcji, należące do III generacji, pozwoliły na osiąganie większych natężeń promieniowania, a przede wszystkim umożliwiły w miarę ciągłą bezawaryjną pracę. Synchrotrony III generacji zaopatrywano też z reguły w tzw. "urządzenia wstawkowe" (ang. insertion devices) - wigglery i undulatory. W urządzeniach tych elektrony poruszają się w periodycznym polu magnetycznym po trajektorii zbliżonej do sinusoidy, dzięki czemu natężenie emitowanego promieniowania znacznie się zwiększa

(nawet o kilka rzędów wielkości) w stosunku do natężenia promieniowania wytwarzanego w

- 20 -

polu magnesów zakrzywiających synchrotronu bez urządzeń wstawkowych. Przykładem źródeł synchrotronowych mogą być: BESSY II (Berlin), DORIS III (II generacji, Hasylab, Hamburg), ESRF (III generacji, Grenoble). Obecnie działają już źródła kolejnej, IV. generacji promieniowania synchrotronowego, lasery na swobodnych elektronach (lub lasery FEL - ang. Free Electron Laser. Najsilniejszy z nich, laser FLASH w DESY (Hamburg) wytwarza impulsy monochromatycznego promieniowania w zakresie XUV-SX (skrajnego ultrafioletu próżniowego do miękkiego promieniowania rentgenowskiego), o czasie trwania około 25 femtosekund i mocy szczytowej w impulsie dochodzącej do 1 GW. Lasery FEL są przestrajalne, a emitowane przez nie promieniowanie jest spójne i spolaryzowane liniowo. Szczytowe natężenie w impulsie osiągać może wartości ponad 9 rzędów wielkości większe niż otrzymywane z najpotężniejszych synchrotronów III generacji. W lutym 2007 r. w tym samym ośrodku w Hamburgu rozpoczęto budowę europejskiego lasera X-FEL działającego w rentgenowskim zakresie dł. fali 6 nm - 0,1 nm. Przewiduje się, że pełną operacyjną zdolność działania laser ten osiągnie w roku 2013.

W 2008 r. w czasopiśmie Nature ukazała się publikacja informująca, że źródłem nanosekundowych błysków promieniowania rentgenowskiego jest rozwijana w próżni standardowa taśma klejąca. Promieniowanie z taśmy jest wystarczająco silne do wykonania zdjęcia rentgenowskiego [1] .

W ostatnich dekadach XIX stulecia w badaniach fizycznych przodowali uczeni niemieccy i brytyjscy, a nieco za nimi pozostawali Francuzi. Istniała jednak spora różnica poglądów, zwłaszcza między Niemcami i Brytyjczykami. Fizycy brytyjscy interpretowali przyrodę tak, jakby prawa zwykłej mechaniki obowiązywały nadal na poziomie mikroskopowym. Stąd, na przykład, brały się próby wyjaśniania koncepcji eteru elektromagnetycznego za pomocą modeli mechanicznych. Wielu fizyków niemieckich uznawało, że nastawienie mechanistyczne ich brytyjskich kolegów jest mylące, a przesadna skłonność do posługiwania się takimi modelami była raczej przeszkodą niż pomocą w rozwiązywaniu problemów naukowych.

Promienie katodowe, opisane pierwszy raz w 1867 roku przez niemieckiego fizyka Johanna Hittorfa jako Glimmstrahlen (promienie świecące), zostały tak nazwane w 1876 roku przez innego Niemca Eugena Goldsteina. Stanowiły one wdzięczny obiekt zainteresowań fizyków w wielu laboratoriach, ponieważ aparatura do badania wyładowań elektrycznych w gazach rozrzedzonych była nieskomplikowana, a piękne barwy świecących gazów cieszyły oko. Wielki

rozgłos zdobyły badania przeprowadzone przez brytyjskiego uczonego Williama Crookesa, który propagował pogląd, że promienie katodowe to czwarty stan skupienia materii - materia w stanie promienistym.

Z wymienionych powodów fizycy w Niemczech nie przyjęli forsowanej przez Brytyjczyków korpuskularnej teorii promieni katodowych, lecz uznali je za pewną postać światła rozprzestrzeniającego się w eterze. Było to zgodne z przeświadczeniem, że tylko światło może wywoływać

fosforescencję. Odchylenie promieni katodowych w polu magnetycznym interpretowano jako

- 21 -

wynik gwałtownej zmiany współczynnika załamania w resztkach gazu blisko magnesu. Ta promienista teoria promieni katodowych zdawała się potwierdzać, kiedy niemiecki fizyk Philipp Lenard wykazał, że mogą one przenikać przez bardzo cienkie folie metalowe. Wydawało się wtedy niemożliwe, by materia mogła być przenikalna dla obiektów materialnych.

Badając promienie katodowe w licznych laboratoriach, prędzej czy później musiano spostrzec, że znajdujące się blisko osłoniętej rury do wyładowań światłoczułe ekrany fosforyzują, a klisze fotograficzne ulegają zaczernieniu. Znane są dwa przypadki fizyków (a pewnie było ich więcej), którzy odesłali takie zaczernione klisze do producenta, domagając się ich wymiany na nie uszkodzone. W lutym 1890 roku Goodspeed i Jennings w Filadelfii otrzymali nawet na osłoniętej kliszy, znajdującej się blisko rury do wyładowań, pierwszą fotografię przedmiotów, ale nie przywiązali do tego żadnej wagi.

Tylko Röntgen podjął systematyczne badania zauważonej przez siebie przypadkowo fluorescencji ekranu pokrytego platynocyjankiem baru i jemu przypadła sława odkrywcy niewidzialnych promieni.

Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają m.in. na diagnostykę złamań kości i chorób płuc oraz do rentgenowskiej tomografii komputerowej. Naświetlanie promieniami rentgenowskimi zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Przyjęcie dużej dawki promieniowania może powodować oparzenia i chorobę popromienną.

- 22 -

MÓJ DOZYMETR DRSB-01. NA WYPOSARZENIU ROSYJSKIEGO WOJSKA

LICZNIK GEIGERA AMERYKAŃSKIEJ OBRONY CYWILNEJ

URZĄDZENIA WYKRYWAJĄCE PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera) - urządzenie opracowane przez Hansa Geigera wraz z Walterem Müllerem w 1928 roku, mierzące promieniowanie jonizujące.

Ponieważ jonizacja gazów wewnątrz licznika zachodzi nie tylko w wyniku promieniowania alfa, ale także innych rodzajów promieniowania jonizującego (beta i gamma), toteż licznik Geigera zlicza w istocie niemal całkowity poziom czynników jonizujących w otoczeniu. Licznikiem Geigera można oceniać także liczbę fotonów światła (jak we wspomnianej niżej fotodiodzie gazowanej) i promieniowania rentgenowskiego, ale nie można nim badać bezpośrednio natężenia strumienia neutronów - cząstek nie wywołujących jonizacji. Jednak istnieje rozwiązanie pomijające wspomnianą przeszkodę. Licznik taki albo wypełnia się wodorem (neutrony zderzają się z

jądrami wodoru - protonami, powodując ich ruch) lub też otacza się folią kadmową, wówczas neutrony pochłaniane przez kadm, wywołują w nim reakcję jądrową, wynikiem czego jest powstanie promieniowania gamma. Następnie promieniowanie gamma przenika do objętości czynnej licznika powodując powstanie sygnału. Warunkiem wykorzystania kadmu, jest wcześniejsze spowolnienie neutronów do energii otoczenia (neutrony termiczne), co można otrzymać, np. poprzez umieszczenia licznika w bloku parafinowym, teflonowym itp.

Rozwinięciem licznika Geigera jest opracowany w 1947 przez Sydneya Lebsona licznik halogenowy (wykorzystujący pary rtęci). Różni się od pierwowzoru większą trwałością i niższym - bezpieczniejszym - napięciem polaryzującym, co jest istotne w zastosowaniu do urządzeń przenośnych. Obniżenie napięcia pracy można również otrzymać po przez dodanie domieszki chlorowców do gazu roboczego.

- 23 -

Miejsce wytrawione – zabezpieczenie przed przebiciem kondensatora

Rys.5

4. OPIS I PRZEZNACZENIE ZREALIZOWANEGO MODELU –

GENERATORA MARXA

4.1 UŻYTE NARZĘDZIA.

Projekt generatora został zaczerpnięty z czasopisma elektronika dla wszystkich numer 05/2005. Jest tam artykuł profesora Osiniaka jak zbudować generator Marxa.Do budowy generatora profesor Osiniak jako kondensatorów użył płyty winylowe obłożone z dwóch stron folią aluminiową, schemat przedstawia rysunek 1.

Korzystając z tego faktu że Mój tata prowadzi zakład produkujący obwody drukowane, do budowy mojego generatora, jako kondensatory użyłem laminatu szklano-epoksydowego dwustronnego do produkcji płytek PCB.Produkcja takiej płytki - kondensatora zaczyna się od projektu, potem płytka zostaje frezowana na wiertarce numerycznej CNC, na końcu płytka zostaje wytrawiona. Schemat takiej płytki przedstawia zdjęcie 2.

Płytka została celowo nie pokryta cyną ponieważ mogło by to zaburzyć działanie kondensatora.Kondensator został dodatkowo zbudowany na grubszym laminacie, w celu powiększenia pojemności kondensatora. Kolejnym elementem niezbędnym do budowy generatora były wszystkie pomoce, narzędzia i układy pomiarowe. Do lutowania generatora Marxa użyłem mojej stacji lutowniczej na gorące powietrze (rys.3). Do pomiaru, i określenia przebiegów użyłem

- 24 -

Obszar pokryty miedzią

Otwór

Rys.6

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 6

oscyloskopu analogowego (rys.4), z kolei do zasilenia całego generatora służy zasilacz regulowany 0-15V/5A i transformator bezpieczeństwa 100VA (rys.5) Również niezbędnym przyrządem do pomiaru napięcia i natężenia okazał się multimetr cyfrowy (rys.6). Poza elementami pomiarowymi i zasilającymi użyłem rurki PCV, kleju szybkoschnącego i oringów do ustawiania iskierników.

- 25 -

Następnym elementem są układy czynne, czyli wszystkie elementy elektroniczne układu.Większość elementów zakupiłem w sklepie internetowym, lecz okazało się że brakuje kilku elementów i zaszła potrzeba zakupu części elektronicznych w najbliższym sklepie.W module zasilającym przedstawionym na rysunku 7, widać transformator wysokiego napięcia z cewką AT-110, moduł mostka, moduł sterujący i radiator z tranzystorem MOSFET.Części modułów zamontowane są na płytkach drukowanych które sam projektowałem w programie komputerowym Eagle i wykonywałem metodą termo-transferu.(rys.8) Tranzystor został przymocowany do radiatora ze względu na wydzielające się ogromne ciepło, po 30 sekundach pracy jest on bardzo gorący, tak więc wyposażony będzie w chłodzenie aktywne.

RADIATOR

TRAFO WN i CEWKA AT-110

MODUŁ MOSTKA MODUŁ STEROWANIA

- 26 -

4.2 STRUKTURA MODELU

Mój model składa się z trzech bloków

Bloku zasilania

Bloku sterującego

Bloku właściwego, czyli generatora Marxa

Do zasilania bloku sterującego używam zasilacza 0-15V/5A i transformatora bezpieczeństwa

30V. Są one potrzebne do zasilenia transformatora wysokiego napięcia i urządzenia sterującego

pracą generatora. Można ustawiać częstotliwość i dopełnienie. Blok sterujący i zasilania

umieściłem w estetycznej obudowie z tworzywa sztucznego. Ścianka przednia i tylna zostały

wykonane z laminatu. Został on wyfrezowany na wiertarce CNC. Umieszczone są na nim

wszystkie peryferia niezbędne do sterowania transformatorem. (Rysunek ponieżej)

- 27 -

Rys. 14

Rys. 13

Pobór prądu dla układu sterowania nie przekracza 10mA przy zasilaniu 15V, natomiast

transformator bezpieczeństwa użyty do zasilania transformatora pobiera w stanie spoczynku (bez

łuku elektrycznego) około 3A, a w szczytowych granicach około 7-8A.

Jarzeniówka zbliżona do cewki wysokiego napięcia świeci bez żadnych połączeń(rys.12), a dioda

próżniowa EY-86 (rys.13) podłączona do generatora wydziela promieniowanie X, które można

rozpoznać dozymetrem (rys.14). Jest to promieniowanie niskoenergetyczne, ma mały zasięg i

niską moc.

- 28 -

W trakcie bodowy

Płytka drukowana

W trakcie budowy generatora

4.3. WIZUALNA REALIZACJA MODELU (GALERIA)

- 29 -

Iskrowniki

Iskra o długości ok. 5cm czyli 50kV

Układ zasilający i sterowanie w płycie czołowej

- 30 -

4.3 PROBLEMY WYSTĘPUJACE PODCZAS BUDOWY

Największym problemem podczas budowy okazał się zasilacz. Musiał on być o ogromnej

wydajności prądowej, ponieważ we wszystkich zasilacze do 5 A albo paliły się bezpieczniki albo

zasilacz nie wytrzymywał i włączał zabezpieczenie przeciwprądowe.

Następnym problemem były tranzystory mocy, które wytrzymywały prąd 10 A i napięcie 30 V,

Niestety nie należą one do najtańszych, a do generatora użyte są trzy, niestety przez moją

nieuwagę podłączyłem napięcie 35 V i tranzystory się spaliły. Innym razem napięcie z

transformatora przeskoczyło na tranzystory i też uległy zniszczeniu. Odszedłem od tego

rozwiązania i postanowiłem zbudować generator wg profesora Osiniaka. Zadziałało, i co

najważniejsze od razu i bez żadnych kłopotów i kalibracji.

Kolejnym i chyba ostatnim problemem była regulacja iskierników. Ich odległości nie są

unormowane i odległość trzeba

było dobrać eksperymentalnie.

- 31 -

Iskrownik

5. WNIOSKI

Nie zawiodłem się na moim modelu. Jestem bardzo zadowolony z dobrego działania mojego

generatora, zwłaszcza że powielacz udało mi się otrzymać z kondensatorów ręcznej roboty.

Otrzymane przeze mnie, rzeczywiście wysokie napięcie pozwoliło mi praktycznie zbadać

kilka ciekawych zjawisk fizycznych, więcej, niż zakładałem na początku. Zobaczyłem też

możliwość przeprowadzenia dalszych doświadczeń, którymi zamierzam się zająć w

przyszłości, na przykład z plazmą. Już teraz mogę z pewnością stwierdzić, że budowa

modelu, przeprowadzone doświadczenia i przeczytanie dużej ilości literatury fizycznej,

powiększyło moją wiedzę i moją ciekawość fizyki, nie tylko w sferze wysokich napięć.

Konrad Wysogląd 2009

- 32 -

BIBLIOGRAFIA

1. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Podstawy Fizyki 1,Wydawnistwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.

2. Salach J, (red), Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, wydawnictwo ZamKor, Kraków 2005

3. http://www.wiw.pl/delta/czastki.asp

4. Godlewska M., Godlewski M., Kreiner J.: Fizyka i astronomia dla każdego, Wydawnictwo Zamkom,

Kraków 2008

5. Bolkowski S.: Elektrotechnika, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1993

6. Osiniak M., Górecki P.: Elektronika dla wszystkich, numer 05.2005

7. Bułat W.: Zjawiska Optyczne w Przyrodzie, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1987

8. Wolke R.: Co Einstein powiedział swojemu fryzjerowi, Klub dla ciebie

9. http://www.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert/tutorials/interface.swf?hapter=chapter_03&folder=hydrogen_energies

10. www.wikipedia.com

11. www.sciaga.pl

12. www.elektrosystemy.com.pl

13. www.skyscrapercity.com

14. hojnacka.net

15. http://www.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert/tutorials/interface.swf?

chapter=chapter_03&folder=hydrogen_energies

16. http://www.chemmix.artnet.pl/index.php?s1=02&s2=005&s3=002

- 33 -