Twoja wyszukiwarka

JAN GAJ
LABORATORIUM WIEDZY I ŻYCIA - PODCZERWIEŃ I PÓŁPRZEWODNIKI
Wiedza i Życie nr 5/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/2001

  • Co to jest podczerwień?
  • Co widzi półprzewodnik?
  • W jaki sposób pilot "mówi" do telewizora?

Jeżeli te pytania wydają się interesujące, zapraszam do przeczytania artykułu. Można w nim znaleźć inspirację do pracy nad rozkodowaniem nieznanego języka przekazywanego niewidocznymi sygnałami, nie mówiąc o okazji do zdobycia nagrody w naszym konkursie.

Każdy słyszał o podczerwieni. To ona przyjemnie grzeje nam ręce w pobliżu ogniska. Dzięki niej na filmach akcji widzimy w zielonej poświacie sylwetki przemykających się żołnierzy. Z kolei firma sprzedająca okna przekonuje nas do nich, pokazując termowizyjny obraz strat cieplnych budynku. Dziwaczne barwy niektórych zdjęć satelitarnych pochodzą również z "tłumaczenia" podczerwieni na kolory znane naszemu oku. Bombardowani tego typu obrazami zaczynamy mieć wątpliwości, czy we wszystkich tych przypadkach termin podczerwień oznacza to samo.

Jaka podczerwień będzie przedmiotem naszych eksperymentów? Zamiast teoretyzować weźmy do ręki płytę kompaktową i popatrzmy na odbicie w niej źródła białego światła. Jeżeli źródłem tym jest Słońce, to - by nie narażać naszego wzroku - lepiej puścić "zajączka" na białą ścianę. Oprócz zwykłego odbicia, jak w lusterku, zobaczymy też odbicie kolorowe i rozmyte - rozciągnięte w tęczową smugę. W przypadku "zajączka" słonecznego będzie ona miała postać łuku i przypominała prawdziwą tęczę. W każdym razie zobaczymy całą gamę kolorów od (często słabo widocznego) fioletu, poprzez niebieski, zielony, żółty i pomarańczowy, aż do czerwieni. To jest zakres możliwości naszego oka. Możemy podejrzewać, że po obu stronach zakres promieniowania naszego źródła rozciąga się dalej, tylko tego nie widzimy. A więc poza fioletem spodziewamy się promieniowania nadfioletowego. Natomiast to, co pojawi się z drugiej strony, nazwiemy podczerwienią.

Zobaczyć podczerwień

Każdy, kto choć raz w życiu widział lub czytał kryminał, wie, że podejrzenie nie wystarcza; potrzebny jest dowód, a w każdym sądzie ceni się naoczne świadectwo. Jak więc zobaczyć podczerwień? Sposobów jest wiele. My posłużymy się fototranzystorem. Trzeba będzie go kupić, co może być problemem, zwłaszcza dla osób mieszkających w małych miejscowościach, ale raczej nie finansowym - jego cena jest porównywalna z kulką lodów. Fototranzystor przewodzi prąd bardzo słabo w ciemności, za to znacznie lepiej, kiedy pada na niego światło widzialne lub podczerwień. Trzeba więc umieścić fototranzystor tam, gdzie spodziewamy się podczerwieni (ma on na ogół kierunkową charakterystykę czułości, trzeba go więc ustawiać w stronę przychodzącego promieniowania) i sprawdzić, czy odpowiednio zasilany przewodzi prąd. Najłatwiej to zrobić przy użyciu odpowiednio czułego miernika natężenia prądu (zakres mikroamperowy). Jeżeli nie mamy takiego przyrządu i nie zdecydujemy się na wydatek co najmniej 30 zł na jego zakup, można posłużyć się do wykrycia słabego prądu diodą świecącą, połączoną szeregowo z fototranzystorem i zasilaną z bateryjki, ale czułość takiego układu nie będzie nadzwyczajna. Nie będę zwodził: to doświadczenie nie jest łatwe. Potrzeba będzie trochę zręczności manualnej oraz sporo cierpliwości i uporu. Najlepiej udaje się z transmisyjną siatką dyfrakcyjną w konfiguracji pokazanej na ryc.1.

Ryc. 1. Wstawiając siatkę dyfrakcyjną w strumień światła latarki, rozszczepiamy go na białą wiązkę zerowego rzędu i kolorowe wiązki ugięte. Fototranzystor, umieszczony w przykładowych położeniach wskazanych strzałkami, przewodzi prąd o zaznaczonych natężeniach (największa jego wartość w wiązce ugiętej przypada na obszar podczerwieni). Zasilając fototranzystor z bateryjki 3 V, obserwowałem w tej konfiguracji prąd o natężeniu około 300 mA, umieszczając go w strumieniu białego światła (wiązce zerowego rzędu), natomiast w wiązce ugiętej od kilku do kilkunastu mikroamperów, z maksymalną wartością nieco na zewnątrz od czerwonej części widma

Jakiejkolwiek metody użyjemy, przekonamy się, że zakres po stronie czerwonej widma, w którym wykrywamy podczerwień, nie jest szeroki. Przyczyną znowu nie jest nieobecność promieniowania, ale zakres czułości detektora fototranzystor krzemowy "widzi" promieniowanie o długości fali nie przekraczającej około 1.1 mm. Energia fotonów światła o większych długościach fali nie jest wystarczająca, żeby wyrwać elektrony z wiązań, jakie tworzą między atomami krzemu i uzdolnić je do przewodzenia prądu. Dla przypomnienia: promieniowanie widzialne rozciąga się od około 0.4 (fiolet) do około 0.7 ?m (czerwień). Nasze badania obejmą stosunkowo wąski obszar bliskiej podczerwieni. Dla porównania warto sobie uświadomić, że podczerwień rozciąga się aż do długości fal rzędu 1 ?m, gdzie przechodzi w mikrofale. Na przykład ciała o temperaturze pokojowej wysyłają najwięcej podczerwieni o długościach fal ok. 10 ?m.

Skoro już stwierdziliśmy doświadczalnie, że podczerwień istnieje i oszacowaliśmy zakres długości fal dostępny naszym eksperymentom, możemy zapytać, do czego można to promieniowanie wykorzystać. W wielu domach mamy całkiem niezłe źródło podczerwieni, która przenosi informację między pilotem a telewizorem. Tym źródłem jest dioda świecąca podobna do opisywanych w jednym z poprzednich odcinków naszego "Laboratorium"; zamiast światła widzialnego wysyła ona bliską podczerwień.

Usłyszeć podczerwień

Ryc. 2. Schemat układu do zamiany zmiennej w czasie wiązki podczerwieni na sygnał elektryczny

Czy można podczerwień usłyszeć? Aby to osiągnąć, trzeba zbudować prosty obwód z połączonych szeregowo fototranzystora i opornika (kilkadziesiąt k), zasilać go z bateryjki, a napięcie z opornika podać na wejście wzmacniacza akustycznego. W praktyce można ten układ zmontować, lutując diodę, opornik i przewody doprowadzające napięcie z bateryjki na przykład na gniazdku typu "mały jack" oraz doprowadzając sygnał od tego gniazdka do wejścia wzmacniacza przewodem ekranowanym z odpowiednimi wtyczkami. Może to być oczywiście wzmacniacz dowolnego układu elektroakustycznego, ale lepszy jest komputer z kartą dźwiękową. Wtedy można będzie nie tylko słyszeć w formie dźwięków migotanie podczerwieni wysyłanej przez telewizyjnego pilota, ale także zobaczyć je na oscyloskopie dostępnym za darmo na stronie internetowej "Laboratorium". Znajdujący się tam wirtualny oscyloskop pozwala śledzić sygnały elektryczne doprowadzone do wejścia karty dźwiękowej. Przekonamy się wtedy, że różne przyciski pilota wysyłają sygnały składające się z impulsów podczerwieni oddzielonych przerwami o różnych długościach jak na ryc.3.

Ryc. 3. Przykładowy przebieg sygnału podczerwonego emitowanego przez pilota domowego urządzenia elektronicznego

Możemy się teraz poczuć jak Jean François Champollion, młody Francuz z Grenoble, który prawie 200 lat temu zafascynował się tajemniczymi znakami wyrytymi na kamieniu przez starożytnych Egipcjan. To on pierwszy po latach uporczywych wysiłków złamał kod, którym posługiwali się egipscy kapłani. Życzę podobnych sukcesów w skromniejszym nieco zadaniu rozszyfrowania kodu używanego przez pilota telewizyjnego. Oprócz kodu sygnałów takiego źródła możemy też dokładnie określić długość fali emitowanej podczerwieni.

Prof. dr hab. JAN GAJ pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.