Σχεδιασμός και υλοποίηση πειραματικών διατάξεων Οπτικής και Ηλεκτρομαγνητισμού Ναλμπάντης Ορέστης (ΑΕΜ: 3072) Επιβλέπων καθηγητής : Δρ. Κωνσταντίνος Χειλάς,

Παρουσίαση με θέμα: "Σχεδιασμός και υλοποίηση πειραματικών διατάξεων Οπτικής και Ηλεκτρομαγνητισμού Ναλμπάντης Ορέστης (ΑΕΜ: 3072) Επιβλέπων καθηγητής : Δρ. Κωνσταντίνος Χειλάς,"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σχεδιασμός και υλοποίηση πειραματικών διατάξεων Οπτικής και Ηλεκτρομαγνητισμού Ναλμπάντης Ορέστης (ΑΕΜ: 3072) Επιβλέπων καθηγητής : Δρ. Κωνσταντίνος Χειλάς, Αναπληρωτής Καθηγητής

2 Ανάλυση και εξήγηση φαινομένων που συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή. Διατάξεις κατασκευασμένες από ανακυκλώσιμα υλικά που θα μπορούσαν εύκολα να βρεθούν σε ένα σπίτι. Ο στόχος και ο τρόπος της συγκεκριμένης πτυχιακής εργασίας.

3 Στο Πρώτο Κεφάλαιο θα αναφερθούμε στους οπισθοανακλαστήρες. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο θα κατασκευάσουμε τον δίσκο του Νεύτωνα και του Benham.

4 Στο Τρίτο Κεφάλαιο θα μιλήσουμε για τους μαγνήτες και τους ηλεκτρομαγνήτες καθώς και για τα ρεύματα που δημιουργούνται σε ένα αγώγιμο υλικό όταν εισέλθει στο μαγνητικό τους πεδίο. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο θα αναφερθούμε στην ηλεκτροστατική φόρτιση μέσω της ηλεκτροστατικής επαγωγής.

5 Ανακλαστήρας γωνιών (οπισθοανακλαστήρας) Ένας οπισθοανακλαστήρας συνήθως αποτελείται από τρεις αμοιβαία κάθετες, τεμνόμενες επίπεδες επιφάνειες.

6 Εάν μια δέσμη φωτός (laser) πέσει κοντά στη γωνία που σχηματίζεται από τους 3 καθρέπτες, η ακτίνα αυτή θα αναπηδήσει από καθρέπτη σε καθρέπτη και τελικά θα βγει από τον ανακλαστήρα παράλληλα από την δέσμη φωτός που μπήκε.

7 Για την υλοποίηση της διάταξης : Χρησιμοποίησα 3 τετράγωνα κομμάτια καθρέπτη, τα οποία τα τοποθέτησα κάθετα μεταξύ τους.

8 Εφαρμογές Ανακλαστήρες ποδηλάτου. Ανακλαστικές πινακίδες.

9 Το Lunar Ranging Experiment μετρά την απόσταση μεταξύ της γης και του φεγγαριού χρησιμοποιώντας λέιζερ. Η απόσταση στο φεγγάρι υπολογίζεται περίπου με την εξής ισότητα: Απόσταση = ( Ταχύτητα του φωτός * Ώρα που πήρε στο φώς να επιστρέψει ) /2

10 Δίσκος του Νεύτωνα Ο δίσκος του Νεύτωνα (Newton), ανακαλύφθηκε από τον Isaac Newton και είναι ένας δίσκος χωρισμένος σε 7 ίσα τμήματα τα οποία έχουν τα χρώματα του ουράνιου τόξου.

11

12 Όταν ο δίσκος περιστρέφεται, τα χρώματα εξασθενούν σε λευκό. Αυτό οφείλεται στο φαινόμενο που λέγεται εμμονή της όρασης. Με αυτόν τον τρόπο ο Isaac Newton κατέδειξε ότι το άσπρο φως είναι ένας συνδυασμός των επτά διαφορετικών χρωμάτων που βρίσκονται σε ένα ουράνιο τόξο.

13 Στην πράξη είναι η αντίθετη διεργασία από αυτό που συμβαίνει με την ανάλυση του λευκού φωτός στα χρώματα της ίριδας με τη χρήση πρίσματος.

14 Δίσκος του Benham Όταν ο δίσκος του Benham περιστρέφεται, και καθώς φωτίζεται επαρκώς από φως, σχηματίζει τόξα χλωμού χρώματος (αποκαλούμενα και χρώματα Fechner) που είναι ορατά σε διάφορα μέρη πάνω στο δίσκο.

15

16 Μετά από πείραμα που έγινε παρατηρήθηκε ότι από αυτούς που πήραν μέρος ο καθένας είδε διαφορετικές εντάσεις των χρωμάτων πάνω στο δίσκο, και κάποιοι δεν είδαν καθόλου χρώματα. Οι επιστήμονες συνδέουν την παραίσθηση αυτή με τα κωνία.

17 Πως εξηγείται αυτό? Τα κωνία είναι τα κύτταρα που αντιλαμβάνονται τη φωτεινότητα του φωτός της ημέρας και το αναλύουν σε χρώματα. Τα κωνία διαχωρίζονται σε τρείς τύπους. Αυτά που αντιλαμβάνονται την κόκκινη ακτινοβολία, την πράσινη ακτινοβολία και την μπλε ακτινοβολία.

18 Κάθε τύπος κωνίου έχει διαφορετικό χρόνο καθυστέρησης ( ο χρόνος τον οποίο παίρνει για να αποκριθεί σε ένα χρώμα ), και έναν διαφορετικό χρόνο εμμονής της απάντησης ( ο χρόνος που η οπτική αίσθηση ακόμα υπάρχει ενώ έχει αφαιρεθεί το ερέθισμα ).

19 Αναπαράσταση των κωνίων του ανθρώπινου ματιού

20 Όταν κοιτάζουμε σε ένα μέρος του περιστρεφόμενου δίσκου, κοιτάζουμε στην ουσία τις εναλλασσόμενες λάμψεις των λευκών ριγών στο μαύρο φόντο. Τα μάτια και ο εγκέφαλός μας μπορούν να δουν το άσπρο χρώμα μόνο όταν ο χρόνος καθυστέρησης είναι επαρκείς για να αποκριθούν και οι τρείς τύποι κωνίων για να συνθέσουν το λευκό χρώμα.

21 Άλλο μοτίβο τύπου Benham

22 Για την υλοποίηση της διάταξης : Χρησιμοποίησα έναν ανεμιστήρα αυτοκινήτου για την επίτευξη της περιστροφής των δίσκων. Τους έλικες τους αφαίρεσα και προσάρμοσα στην θέση τους έναν κυκλικό πλαστικό για να τοποθετούμαι είτε τον δίσκο του Νεύτωνα είτε του Benham.

23

24 Μαγνήτες Μαγνήτης ονομάζεται κατά τη Φυσική οποιοδήποτε τεμάχιο υλικού ή σώμα, συνήθως μεταλλικό, που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο. Το μαγνητικό πεδίο εντοπίζεται από την αλληλεπίδραση του μαγνήτη με άλλα σώματα π.χ. τη δυνατότητα να έλκει μικρά τεμάχια σιδήρου.

25 Μαγνητικό Φρένο (Δινορεύματα, ρεύματα Foucault ) Τα δινορεύματα ( ονομάζονται και ρεύματα Foucault ) είναι κυκλικά ηλεκτρικά ρεύματα που δημιουργούνται όταν σε κοντινή απόσταση με τον αγωγό υπάρχει μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο είτε από ηλεκτρομαγνήτη είτε από έναν μόνιμο μαγνήτη.

26 Εφαρμογές : Οι ιδιότητες των δινορευμάτων χρησιμοποιούνται : για την δημιουργία φρένων σε τραίνα, αεροπλάνα και σε περιστρεφόμενα ηλεκτρικά εργαλεία, σε κουζίνες με επαγωγική θέρμανση για τον εντοπισμό ρωγμών και ατελειών σε μεταλλικά μέρη, στους αυτομάτους πωλητές που λειτουργούν με κέρματα, τα δινορεύματα χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ψεύτικων νομισμάτων, Όπως και οι ανιχνευτές μετάλλων χρησιμοποιούν αντίστοιχες ιδιότητες για την ανίχνευση κρυμμένων «θησαυρών».

27 Στα τραίνα κατά τη διάρκεια του φρεναρίσματος οι μεταλλικές ρόδες εκτίθενται σε ένα μαγνητικό πεδίο από έναν ηλεκτρομαγνήτη. Όσο γρηγορότερα περιστρέφονται οι ρόδες, τόσο ισχυρότερη και η επίδραση, που σημαίνει ότι καθώς το τραίνο επιβραδύνει η δύναμη φρεναρίσματος μειώνεται, παράγωντας ένα ομαλό σταμάτημα.

28 Επίδειξη και έρευνα της λειτουργίας ενός φρένου με δινορεύματα. Πάνω σε μια βάση στερέωσα ένα λαμάκι και πάνω σε αυτό βίδωσα έναν αποστάτη. Πέρασα ένα ρουλεμάν και έφτιαξα μια βάση από πλαστικό την οποία την κόλλησα με σιλικόνη και πάνω σε αυτήν μπορούμε να βιδώσουμε τους δύο αλουμινένιους δίσκους.

29

30 Τι συμβαίνει Την στιγμή που έρχεται ο μαγνήτης σε κοντινή απόσταση με τον δίσκο μας, το μαγνητικό του πεδίο προκαλεί δινορεύματα τα οποία διαρρέονται στροβιλιστά σε όλο τον δίσκο. Από το νόμο του Lenz’s, το ρεύμα στροβιλίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο που αντιτάσσει την αλλαγή.

31

32

33 Λόγω της τάσης των δινορευμάτων να αντιτίθενται στις δυνάμεις που δέχονται, τα δινορεύματα προκαλούν χάσιμο ενέργειας. Τα δινορεύματα μετατρέπουν τις ποιο χρήσιμες μορφές ενέργειας, όπως την κινητική ενέργεια σε θερμική.

34 Στην δεύτερη περίπτωση, που τοποθετήσαμε τον δίσκο που ήταν διακοπτόμενο το μέρος που ‘έβλεπε’ στον μαγνήτη παρατηρήσαμε ότι η κίνηση του δίσκου δεν άλλαξε παρότι ανεβάσαμε τον μαγνήτη. Αυτό συμβαίνει διότι οι σχισμές του δίσκου – κενά αέρος υψηλής αντίστασης – διακόπτουν τον βρόγχο των δινορευμάτων που πάει να δημιουργηθεί.

35

36 Φορέας φόρτισης ( Ηλεκτροφόρος ) Ο φορέας φόρτισης είναι μια χειροκίνητη χωρητική γεννήτρια που χρησιμοποιείται για να παραγάγει ηλεκτροστατική φόρτιση μέσω της διαδικασίας της ηλεκτροστατικής επαγωγής.

37 Η πρώτη έκδοση του εφευρέθηκε το 1762 από τον σουηδό καθηγητή Johan Carl Wilcke, αλλά ο ιταλός επιστήμονας Alessandro Volta βελτίωσε και διέδωσε τη συσκευή το 1775.

38 Χρησιμοποιείται για να φορτίσει με τριβή ένα επίπεδο πιάτο από μονωτικό υλικό που ονομάζεται « κέικ ». Την εποχή του Volta το « κέικ » αποτελούνταν από ένα μίγμα από πίσσα και ρετσίνι ή από κερί πάνω σε μια γυάλινη επιφάνεια.

39 Εφαρμογές Ο George Christophe Lichtenberg ανακάλυψε τις βασικές αρχές της σύγχρονης τεχνολογίας των μηχανών αντιγραφής ξηρογραφίας.

40 Η πρώτη κατασκευή ξηρογραφίας

41 Επίσης, με την αποφόρτιση ενός σημείου με υψηλή τάση κοντά σε έναν μονωτή, ήταν σε θέση να καταγράψει παράξενα σχέδια που θύμιζαν μορφή δέντρου πάνω σε μια επιφάνεια με σκόνη. Αυτές οι φιγούρες ονομάστηκαν Lichtenberg και θεωρούνται σήμερα παραδείγματα fractals.

42 Φιγούρα Lichtenberg

43

44 Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ηλεκτροφόρου : Μπαλόνι Αλουμινένιο κουτάκι αναψυκτικού Αλουμινένιο ταψάκι Ένα κομμάτι πλαστικής επιφάνειας Ανιχνευτής ηλεκτροστατικού φορτίου

45 Τι πραγματικά συμβαίνει ; Όταν τρίβουμε την πλαστική επιφάνεια με το μπαλόνι, την φορτίζουμε αρνητικά. Αυτό συμβαίνει γιατί η επιφάνειά μας προσελκύει τα ηλεκτρόνια από το μπαλόνι. Τα ανθρώπινα σώματα είναι αγωγοί, έτσι όταν αγγίζουμε με το δάχτυλό μας το κουτάκι ενώ είναι κοντά στην πλαστική επιφάνεια τα ηλεκτρόνια θα ωθηθούν από το κουτάκι στο δάχτυλο μας.

46 Ανιχνευτής ηλεκτροστατικής πολικότητας

47 Για την κατασκευή του χρειάστηκαν : 1 FQP 27P06 (P-channel MOSFET) 1 TRF 730 (N-Channel MOSFET) 1 κόκκινο Led 1 μπλε Led 2 αντιστάσεις των 680 kΩ 1 μπαταρία 9 volt 2 κουμπιά

48 Τα συγκεκριμένα Mosfet [ FQP 27P06 (P-channel MOSFET) & ΙRF 730 (N-Channel MOSFET) ] χρησιμοποιούνται σε φωτορυθμικά, επίσης χρησιμοποιούνται ως αντιστάτες σε υψηλής ενέργειας παλμούς, σε μετατροπείς DC/DC όπως επίσης και σε μετατροπείς υψηλής αποδοτικότητας για την διαχείριση ισχύος σε φορητά προϊόντα που λειτουργούν με μπαταρία.

49

50 Πως λειτουργεί στην πραγματικότητα ο ανιχνευτής; Η πηγή και ο αγωγός (Source – Drain) θα πρέπει να έχουν αντίθετη πολικότητα και πάντα με βάση την πύλη (Gate) στο τι σωματίδια θέλει να άγει. Η εργασία των MOSFET είναι ότι όταν η τάση εφαρμόζεται στο σώμα, η πύλη (Gate) το λαμβάνει και μέρος του φορτίου απωθείται από την περιοχή της πύλης που λέγεται περιοχή μείωσης ή το έλκει σε αυτήν ανάλογα με τον τύπο του MOSFET.

51 Στην περίπτωση του p-channel, η πηγή είναι συνδεδεμένη με την πιο θετική τροφοδοσία (θετικός πόλος μπαταρίας) και η πύλη (Gate) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του διακόπτη (κεραία). Όσο η πύλη δεν δέχεται τροφοδοσία υπάρχει έλλειψη του p-καναλιού με αποτέλεσμα να μην ρέει κανένα ρεύμα. Το p-channel MOSFET ξεκινάει να λειτουργεί όταν μια αρνητική τάση παρέχεται στην πύλη. Η αρνητική αυτή τάση θα αποκρούσει τα ηλεκτρόνια και θα δημιουργηθεί ένα p-κανάλι με αποτέλεσμα να περάσουν από την πύλη οι ‘τρύπες’. Τα ηλεκτρόνια θα οδηγηθούν στο κατώτατο στρώμα που λέγεται περιοχή μείωσης

52

53 Στην περίπτωση του n-channel, η πηγή είναι συνδεδεμένη με την πιο αρνητική τροφοδοσία (αρνητικός πόλος μπαταρίας) και η πύλη (Gate) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του διακόπτη (κεραία). Όσο η πύλη δεν δέχεται τροφοδοσία υπάρχει έλλειψη του p-καναλιού με αποτέλεσμα να μην ρέει κανένα ρεύμα. Το n-channel MOSFET ξεκινάει να λειτουργεί όταν μια θετική τάση παρέχεται στην πύλη. Η θετική τάση της πύλης ελκύει τα ηλεκτρόνια προς το μέρος της με αποτέλεσμα να δημιουργείται το n- κανάλι με αποτέλεσμα να περάσουμε από την πύλη τα ηλεκτρόνια.

54 Σας ευχαριστώ