84 Â

WIAT

N

AUKI

Styczeƒ 1997

M

yÊl´, ˝e wszystkimi naukow-
cami, którym uda∏o si´ od-
nieÊç sukces – zarówno pro-

fesjonalistami, jak i amatorami – kie-
rowa∏a fascynacja odkrywaniem Êwia-
ta. Dostrze˝enie czegoÊ oryginalnego,
po∏àczone z przekonaniem, ˝e nikt inny
na to nie wpad∏, wciàga niemal jak nar-
kotyk. Nie ma lepszego sposobu zaspo-
kojenia tych aspiracji ni˝ rozbudowa-
nie w∏asnego laboratorium, tak by móc
dokonaç w nim odkrycia. W poprzed-
nim odcinku opisa∏em, jak wytwarzaç
pró˝ni´, co niebywale rozsze-
rza nasze mo˝liwoÊci badania
przyrody. DziÊ natomiast za-
jm´ si´ sposobem mierzenia
bardzo niskich ciÊnieƒ.

Aby zmierzyç ciÊnienie wy-

twarzane w uk∏adzie, który
przedstawi∏em przed miesià-
cem, b´dziemy potrzebowali
dwóch ró˝nych przetworni-
ków. Pierwszy z nich to czuj-
nik mechaniczny, który bezpo-
Êrednio reaguje na si∏´ wy-
wieranà na membran´ przez
czàsteczki gazu. Umo˝liwia on
pomiar ciÊnieƒ do wartoÊci mi-
mimalnej oko∏o 1 Tr. (1 Tr to
ciÊnienie potrzebne do podnie-
sienia s∏upa rt´ci o 1 mm; 1 atm
jest równa oko∏o 760 Tr.)

Je˝eli chcemy mierzyç ciÊnie-

nia o ni˝szych wartoÊciach,
trzeba pos∏u˝yç si´ przyrzàda-
mi o wi´kszej czu∏oÊci, na przy-
k∏ad czujnikiem Piraniego, któ-
ry umo˝liwia wyznaczanie
ciÊnienia na podstawie pomia-
ru innych, pokrewnych w∏aÊci-
woÊci gazu. Niektóre takie
przetworniki mogà pracowaç
równie˝ w zakresie ciÊnieƒ po-
wy˝ej 1 Tr, lecz sà znacznie
mniej praktyczne ni˝ czujniki
mechaniczne. Dodatkowo b´-
dziemy potrzebowali osprz´-
tu pozwalajàcego wprowadziç
przetworniki do obszaru, w
którym wytwarzamy pró˝ni´.

Zasada dzia∏ania przetwor-

nika mechanicznego jest po-
dobna do metody wykrywa-
nia mikroruchów (np. bicia
serca owada) opisanej na

tych ∏amach w paêdzierniku zesz∏ego
roku. Polega ona na detekcji ruchu ma-
gnesu za pomocà hallotronu, taniego
uk∏adu pó∏przewodnikowego, który
mo˝na wykorzystywaç do wyznacza-
nia niewielkich zmian rozk∏adu pola
magnetycznego.

Najpierw rozprowadzamy nieco ˝y-

wicy epoksydowej po ca∏ej kraw´dzi
otworu wlotu ma∏ego s∏oika, na którym
napinamy arkusz cienkiej folii poliestro-
wej. Po zastygni´ciu po∏àczenia przy-
klejamy na Êrodku arkusza magnes

ziem rzadkich. Nast´pnie starannie po-
krywamy ˝ywicà epoksydowà brzeg
jednego z wylotów mosi´˝nego trójwy-
lotowego ∏àcznika rurowego (tzw. trój-
nika) o Êrednicy

1

/

4

cala. Wylot ten przy-

k∏adamy do folii w taki sposób, by
magnes znalaz∏ si´ na jego Êrodku.

Gdy klej zastygnie, ostro˝nie obci-

namy foli´ no˝em wzd∏u˝ kraw´dzi
otworu s∏oika oraz dok∏adnie usuwa-
my jej nadmiar przy brzegu wylotu trój-
nika. Wreszcie mocujemy hallotron,
tak by jego powierzchnia czynna zna-
laz∏a si´ w pobli˝u Êrodka membrany
foliowej. Do wylotu trójnika przytwier-
dzamy za pomocà ˝ywicy epoksydo-
wej podk∏adk´ plastikowà o Êrednicy

1

/

4

cala, po czym przyklejamy

do niej hallotron, upewniwszy
si´, ˝e jego element czynny
znajduje si´ bezpoÊrednio nad
magnesem.

Kiedy ciÊnienie wewnàtrz

trójnika zmniejsza si´, mem-
brana foliowa ugina si´ do
Êrodka, odsuwajàc magnes od
hallotronu. Aby zarejestrowaç
to przemieszczenie, stosujemy
uk∏ad do obserwacji sygna∏ów
wolnozmiennych, który opisa-
∏em w paêdzierniku ub. r. Od-
powiednià wartoÊç wzmocnie-
nia dobieramy eksperymen-
talnie. Je˝eli oka˝e si´ ona zbyt
du˝a, wzmacniacz pomiarowy
b´dzie szybko osiàga∏ stan na-
sycenia i przestanie pe∏niç swo-
jà funkcj´. Je˝eli natomiast
wzmocnienie b´dzie zbyt ma-
∏e, czu∏oÊç pomiaru mo˝e oka-
zaç si´ niewystarczajàca.

Pozosta∏e zespo∏y uk∏adu

pró˝niowego mo˝emy zbu-
dowaç z mosi´˝nych elemen-
tów instalacyjnych dostoso-
wanych do Êrednicy

1

/

4

cala.

Do mosi´˝nego trójnika moc-
no wkr´camy dwie koƒcówki
do w´˝a, których powierzch-
nie gwintowane pokrywamy
przedtem ca∏kowicie ˝ywicà
epoksydowà. Z kolei do jego
Êrodkowego wylotu mocujemy
(równie˝ za pomocà ˝ywicy

epoksydowej) krótkà rurk´. Do
jej drugiego koƒca do∏àczamy
trójnik z naszym pró˝niomie-
rzem mechanicznym. Gi´tkie
rurki kupione w sklepie z ar-
tyku∏ami ˝elaznymi pozwolà

NAUKOWIEC AMATOR

Shawn Carlson

Jak mierzyç pró˝ni´

POMIARY PRÓ˚NI wykonujemy

za pomocà przetworników wykorzystujàcych trójnik

jako element konstrukcyjny. Przetwornik mechaniczny,

w którego sk∏ad wchodzi hallotron, mo˝e mierzyç ciÊnienia

do wartoÊci minimalnej 1 Tr. Czujnik Piraniego,

w którym zastosowano Êwiec´ ˝arowà,

pozwala osiàgnàç zakres pojedynczych militorów.

DO

KOMORY

PRÓ˚NIOWEJ

BRYAN CHRISTIE

DO

POMPY

PRÓ˚NIOWEJ

LINKA

NOÂNA

PRZEWODY

ZASILANIA

GI¢TKA

RURKA

GI¢TKA

RURKA

ZAÂLEPKA

MOSI¢˚NA

PRZEWODY

SYGNA¸OWE

ÂWIECA

˚AROWA

MAGNES

ZIEM

RZADKICH

GWINTOWANE

TRÓJNIKI MOSI¢˚NE

FOLIA

POLIESTROWA

HALLOTRON

Â

WIAT

N

AUKI

Styczeƒ 1997 85

po∏àczyç obie koƒcówki z çwierçcalo-
wà rurà naszego uk∏adu pró˝niowego.

Dolna granica zakresu pomiarowego

prostego czujnika, który skleci∏em na
w∏asne potrzeby w ciàgu nieca∏ej godzi-
ny, wynosi oko∏o kilku torów. Istnieje
mnóstwo sposobów poprawienia w∏a-
ÊciwoÊci u˝ytkowych takiego przyrzà-
du. Zapraszam do przeprowadzenia eks-
perymentów polegajàcych na zmianie
cech uk∏adu, na przyk∏ad gruboÊci folii,
powierzchni membrany, wspó∏pracujà-
cych z przetwornikiem obwodów elek-
tronicznych, konstrukcji mechanicznej
itp. Ch´tnie umieszcz´ opisy tych inno-
wacji w Internecie na stronicy nale˝àcej
do Society for Amateur Scientists.

Nawet najbardziej wyrafinowane

przetworniki mechaniczne nie mogà jed-
nak wykrywaç ciÊnieƒ mniejszych ni˝
1 Tr. Pomiary ni˝szych wartoÊci wyma-
gajà zastosowania pewnego zmyÊlnego
chwytu. Okazuje si´, ˝e przewodnoÊç
cieplna gazu prawie nie zale˝y od ciÊnie-
nia w nadspodziewanie szerokim zakre-
sie jego wielkoÊci. Jednak˝e dla ciÊnieƒ
bliskich 1 Tr rozrzedzenie gazu staje si´
tak znaczne, ˝e przewodnoÊç cieplna za-
czyna si´ zmniejszaç.

Przy dalszym zmniejszaniu ciÊnie-

nia spadek ten trwa do momentu, gdy
przewodnoÊç cieplna osiàgnie wartoÊç
bliskà zera, co nast´puje przy ciÊnieniu
oko∏o 1 mTr. Zale˝noÊç t´ mo˝emy wy-
korzystaç do pomiaru ciÊnieƒ z zakresu
od 1 Tr do 1 mTr.

Najprostszym przetwornikiem mierzà-

cym przewodnoÊç cieplnà gazu jest czuj-
nik Piraniego. Tu adresatem moich szcze-
gólnych wyrazów uznania niech b´dzie
Bruce R. Kendall, fizyk z Pennsylvania
State University, który opracowa∏ nieby-
wale prostà, trwa∏à i tanià konstrukcj´ ta-
kiego przetwornika. Najwa˝niejszym
elementem czujnika Kendalla jest Êwie-
ca ˝arowa z ˝arnikiem wykonanym ze
stopu platynowego, stosowana do zap∏o-
nu cylindrów w niektórych rodzajach sil-
ników, na przyk∏ad dieslach. Do budo-
wy przetwornika Piraniego trzeba jednak
zastosowaç Êwiec´ o mniejszych rozmia-
rach, choçby takà, jakiej u˝ywa si´ w sil-
nikach modeli samolotów. Âwiece tego
typu mo˝na nabyç w sklepach dla maj-
sterkowiczów. W swoim uk∏adzie zain-
stalowa∏em Êwiec´ typu A5 i uzyska∏em
zadowalajàce wyniki.

Przyrzàd Kendalla wykorzystuje za-

le˝noÊç elektrycznej rezystancji metalu
od temperatury. W uk∏adzie tym Êwieca
jest zasilana za poÊrednictwem tzw. êró-
d∏a pràdowego, a napi´cie mierzy si´
mi´dzy jej koƒcówkami. CiÊnienie gazu
decyduje o pr´dkoÊci och∏adzania si´
˝arnika, od której zale˝y z kolei jego tem-
peratura koƒcowa, a wi´c i rezystancja.

Poniewa˝ rezystancja to po prostu ilo-
raz spadku napi´cia na ˝arniku i p∏ynà-
cego przezeƒ pràdu, jej zmiana wywo-
∏uje zmian´ napi´cia rz´du miliwoltów,
którà mo˝emy ∏atwo zmierzyç.

Potrzebne b´dzie nam êród∏o pràdo-

we o wydajnoÊci oko∏o 1.4 A. Warun-
ki te spe∏nia uk∏ad pokazany powy˝ej,
który mo˝na zbudowaç bez wi´kszych
problemów. Jego podstawowym ele-
mentem jest wysokiej klasy wzmac-
niacz pomiarowy AD524 (produko-
wany przez firm´ Analog Devices z
Norwood w Massachusetts; informa-
cj´ o punktach sprzeda˝y mo˝na uzy-
skaç telefonicznie pod numerem (800)
262-5643 wewn. 3). Mo˝emy zbudowaç
taki wzmacniacz pomiarowy z trzech
wzmacniaczy operacyjnych typu 741
(odpowiednie wskazówki znajdujà si´
w edycji „Naukowca amatora” z paê-
dziernika ub. r.).

Uwaga: niefrasobliwe pos∏ugiwanie

si´ zasilaczem jest niebezpieczne. Aby
ustrzec si´ przed pora˝eniem, nale˝y
umieÊciç uk∏ad w obudowie. Kiedy
uruchamia∏em te obwody po raz pierw-
szy, spowodowa∏em zniszczenie kon-
densatora 4700 mF, podczas monta˝u
odwróci∏em bowiem jego bieguny. M∏o-
dzi eksperymentatorzy powinni kon-

struowaç ten uk∏ad pod nadzorem oso-
by doros∏ej. Poniewa˝ wytwarzana jest
w nim znaczna iloÊç ciep∏a, nale˝y pa-
mi´taç o wywierceniu w tylnej Êciance
obudowy pewnej liczby otworów wen-
tylacyjnych o Êrednicy oko∏o 3 mm.
Ciep∏o wytwarzane przez stabilizator
7805 musi byç rozproszone, w przeciw-
nym razie ten uk∏ad scalony zostanie
uszkodzony wskutek przegrzania.
W sklepach elekrotechnicznych na pew-
no uda si´ nam kupiç radiator oraz
specjalnà past´ zapewniajàcà dobry
kontakt cieplny.

Z uk∏adu zasilacza mo˝na w sposób

ciàg∏y pobieraç pràd o maksymalnym
nat´˝eniu oko∏o 1.5 A. Nat´˝enie pràdu
pobieranego przez czujnik Piraniego
wynosi znamionowo 1.4 A, lecz jego do-
k∏adna wartoÊç uzale˝niona jest od war-
toÊci rezystora mocy (oznaczonego na
schemacie symbolem R1). Rezystor
1 W ma zwykle tolerancj´ 10%, co ozna-
cza, ˝e jego rzeczywista rezystancja osià-
ga dowolnà wartoÊç z przedzia∏u
0.9–1.1 W. Je˝eli wynosi mniej ni˝ 0.95 W,
istnieje niebezpieczeƒstwo, ˝e b´dzie-
my pobieraç z zasilacza zbyt du˝y pràd.
Za pomocà cyfrowego miernika uniwer-
salnego mo˝emy sprawdziç, czy rezy-
stancja ta jest wi´ksza ni˝ 0.95 W.

Z ZASILACZA
SIECIOWEGO

Z ZASILACZA SIECIOWEGO

Z ZASILACZA
SIECIOWEGO

15KΩ

0.5 W

5%

39KΩ

0.5 W

5%

MASA

R1

–9V

+9V

+5V

9V

9V

–9V

+5V

+9V

–

+

+

–

741

2
3

7

4

6

ÂWIECA
˚AROWA

1Ω 10%
10 W

UK¸AD DARLINGTONA TIP 120
(DO¸ÑCZYå RADIATOR)

PRÑD 1.4 A

1

3

12

2

7

6

10

9

+

–

+

–

AD524
G = 100

DO
WOLTOMIERZA

WZMACNIACZ POMIAROWY

OBWÓD CZUJNIKA PIRANIEGO

10KΩ

10 OBR.

8

PRZE¸ÑCZNIK DWUPOZYCYJNY

DWUBIEGUNOWY

18V

1N5400

5-WOLTOWY ZASILACZ SIECIOWY

SIEå 220V

PRZEWÓD
SIECIOWY

TRANSFORMATOR

DU˚Y

RADIATOR

+5V

MASA

DO OBWODU
CZUJNIKA PIRANIEGO

0.1µF

50V

7805

2

3

1

+
–

+
–

ODCZEP

W PO¸OWIE
UZWOJENIA

WTÓRNEGO

CERAMICZNY

IN5400

4700µF
35V

ELEKTROLITYCZNY

UK¸ADY ELEKTRONICZNE przekszta∏cajà napi´cie sieci zasilajàcej

na napi´cie sta∏e 5 V oraz zapewniajà zasilanie g∏owicy przetwornika Piraniego

za poÊrednictwem êród∏a pràdowego.

BRYAN CHRISTIE

Aby umocowaç nasz czujnik Pira-

niego wewnàtrz komory pró˝niowej, w
mosi´˝nej zaÊlepce o Êrednicy

1

/

4

cala

wywiercamy niewielki otwór i przek∏a-
damy przezeƒ dwa izolowane przewo-
dy kontaktowe. Jeden z nich ∏àczymy
z obudowà Êwiecy ˝arowej, natomiast
drugi – z jej koƒcówkà u do∏u w taki spo-
sób, by Êwieca znalaz∏a si´ mo˝liwie bli-
sko zaÊlepki.

Nast´pnie malujemy korpus czujnika

(z wyjàtkiem ˝arnika!) emalià, by odizo-
lowaç go elektrycznie od konstrukcji
uk∏adu pró˝niowego. Starannie wype∏-
niamy otwór ˝ywicà epoksydowà, a na-
st´pnie wkr´camy zaÊlepk´ do trójnika.
Przed wkr´ceniem mo˝na owinàç gwint
zaÊlepki taÊmà teflonowà, by usunàç nie-
szczelnoÊci tego po∏àczenia. Ja musia-
∏em u˝yç do tego ˝ywicy epoksydowej.
(TaÊma teflonowa umo˝liwia wykr´ce-
nie zaÊlepki w celu wykonania napra-
wy g∏owicy czujnika. Kiedy moja Êwie-
ca si´ przepali, b´d´ musia∏ budowaç na
nowo ca∏y uk∏ad.)

Nigdy nie musia∏em wzorcowaç pró˝-

niomierza, wi´c i Czytelnikom zapew-
ne uda si´ tego nie robiç. Wynika to stàd,
˝e wi´kszoÊç zastosowaƒ wymaga jedy-
nie przybli˝onego oszacowania warto-
Êci ciÊnienia. Jest to pomyÊlna okolicz-
noÊç, wzorcowanie bowiem czujnika na
zakres niskich ciÊnieƒ to istny koszmar.
Charakterystyka przetwarzania pró˝-
niomierza jest cz´sto nieliniowa. Prze-
tworniki Piraniego sà pod tym wzgl´-
dem jeszcze gorsze, poniewa˝ ich
charakterystyka zale˝y dodatkowo od
rodzaju gazu usuwanego z komory
pró˝niowej.

JeÊli jednak postanowimy wywzorco-

waç nasze przetworniki, powinniÊmy
zastosowaç metod´ porównania z przy-
rzàdami wzorcowanymi. Polecam na-
wiàzanie kontaktu z naukowcami, któ-
rzy ch´tnie udost´pniajà swoje labo-
ratoria do wykonania tego rodzaju po-
miarów. Jednak niezale˝nie od tego, jak
dok∏adnie zostanie wywzorcowany nasz
przetwornik, w rzeczywistych warun-
kach pracy b´dziemy mogli mówiç
o sukcesie, je˝eli uda si´ nam okreÊliç
wartoÊç ciÊnienia z dok∏adnoÊcià do
przedzia∏u, którego iloraz wartoÊci skraj-
nych wynosi 2.

T∏umaczy∏

Tomasz Zmierczak

Aby uzyskaç wi´cej informacji na temat

projektów badawczych dla naukowców ama-
torów, polecam odwiedziny w Internecie na
stronie nale˝àcej do Society for Amateur
Scientists (http://www.thesphere.com/SAS/)
lub kontakt telefoniczny z numerami (800)
873-8767 lub [phone].

86 Â

WIAT

N

AUKI

Styczeƒ 1997

■

WYDARZENIA

1996 ROKU

Czy miniony rok przejdzie do historii na-
uki? Z pewnoÊcià tak, jeÊli potwierdzi si´
doniesienie Davida McKaya i jego wspó∏-
pracowników, którzy w sierpniu 1996 ro-
ku poinformowali o odkryciu Êladów pry-
mitywnego ˝ycia w meteorycie pocho-
dzàcym najprawdopodobniej z Marsa.

Uzyskanie metalicznego wodoru, uru-

chomienie najwi´kszego na Êwiecie de-
tektora neutrin oraz synteza pierwiast-
ka 112 – to niektóre z wydarzeƒ
naukowych 1996 roku w fizyce. Wiele
ciekawych doniesieƒ mieliÊmy równie˝
z medycyny, archeologii – o tym traktu-
jà niektóre artyku∏y „Wiedzy i ˚ycia”.

■

NA PRZE¸AJ

PRZEZ ANTARKTYD¢

W po∏owie listopada ubieg∏ego roku Marek Kamiƒski wyruszy∏ na najtrudniej-
szà tras´ Êwiata. Historia wypraw na Bia∏y Làd zapisana jest dramatycznymi wy-
darzeniami, które opisuje Ryszard Badowski, znany dziennikarz i podró˝nik.

■

OCEANY ZIMNE, OCEANY CIEP¸E

Skamienia∏oÊci na Grenlandii dowodzà, ˝e w czasie, gdy wyspa ta zajmowa∏a
ju˝ obecne po∏o˝enie, porasta∏y jà bujne, tropikalne lasy. Jak to by∏o mo˝liwe
w warunkach trwajàcej pó∏ roku nocy polarnej?

■

DO CZEGO JEST CI POTRZEBNY KOMPUTER?

Co komputer mo˝e zrobiç dla ciebie? Omówienie podstawowych zadaƒ, jakie
komputer osobisty klasy IBM PC mo˝e przejàç od ka˝dego u˝ytkownika. Opisa-
no równie˝ dost´pne na naszym rynku najpopularniejsze programy realizujàce
te zadania. Dodatek przygotowany specjalnie z okazji targów KomputerExpo ’95.

DODATEK HUMANISTYCZNY

■

CZY WARTO WIERZYå W ROZUM...

Racjonalista domaga si´ dialogu, krytyki, konfrontacji argumentów. Jest
cz∏owiekiem kompromisu. Dlatego postawa, którà przyjmuje, jest jedynà prze-
ciwwagà przemocy.

■

SIKHIZM

Pod koniec XV wieku mieszkaniec Pend˝abu, Guru Nanak dozna∏ oÊwiecenia:
Bóg nie jest ani hindusem, ani muzu∏maninem – rzek∏. I pow´drowa∏ boskà Êcie˝-
kà, a wielu mu uwierzy∏o. DziÊ sikhizm liczy kilkanaÊcie milionów wyznawców
na ca∏ym Êwiecie.

■

ZWYCI¢STWO DEMOKRACJI?

Kolejna fala demokracji rozla∏a si´ po ca∏ym Êwiecie. W ciàgu ostatniego çwierç-
wiecza upada∏y dyktatury w Ameryce Po∏udniowej i Ârodkowej, rozpada∏y si´
systemy autorytarne w Portugalii, Hiszpanii i Grecji, za∏ama∏o si´ imperium
sowieckie. Nowe demokracje powsta∏y w Azji, a nawet Afryce.

W styczniowym numerze

mi´dzy innymi:

1997

1

Wydarzenia roku 1996

Mowa wachlarza

Pu∏apki racjonalizmu

N

Na

a p

prrz

ze

e∏∏a

ajj

p

prrz

ze

ez

z A

An

ntta

arrk

ktty

yd

d´

´

Cena 3 z∏ 50 gr

(35 000 z∏)

(745) INDEKS 38142X