NAUKOWIEC AMATOR
Shawn Carlson
w odleg"oĘci kilku milimetrów od dio-
Si"a ci´Å»koĘci pod mikroskopem
dy. Ruch magnesu z przes"onÄ… powo-
duje gwa"towny skok sygna"u rejestro-
niedziel´ rano lubi´ sobie spa- wymaga duÅ»ego doĘwiadczenia. Inny- wanego przez detektor; uk"ad ten
cerowaç wzd"uÅ» trzykilome- mi s"owy, to zadanie jedynie dla najbar- pozwala na wykrycie zmiany po"oÅ»e-
Wtrowego tunelu najczulszego dziej bieg"ych majsterkowiczów. nia rz´du jednego nanometra.
na Ęwiecie grawimetru. I zawsze sobie W uk"adzie Bakera ma"y, lecz silny W sklepach z cz´Ä˜ciami telewizyjnymi
wtedy myĘl´, Å»e choç S"oÅ‚
ce i Ksi´Å»yc magnes lewituje mi´dzy dwoma ma- moÅ»na kupiç magnesy ferrytowe. B´-
przyciÄ…gajÄ… moje cia"o si"ami niemal mi- gnesami trwa"ymi. Do detekcji niewiel- dziesz potrzebowa" dziewi´ciu takich ma-
lion razy s"abszymi niŻ ziemska grawita- kich róŻnic w jego po"oŻeniu wywo"a- gnesów. Po trzy przyklej Żywicą epoksy-
cja, to jednak ich dzia"anie na tyle podno- nych zmianÄ… si"y ciÄ…Å»enia, aktywnoĘciÄ… dowÄ… do g"ówek dwóch wkr´tów [górna
si poziom wody w Pacyfiku, Że fale sejsmiczną, rozszerzalnoĘcią cieplną czy ilustracja na stronie obok]. Siódmy pos"u-
zalewają ten mój spacerowy szlak. Po- tupaniem dziecka s"uŻy czu"y uk"ad Ży ci jako magnes ruchomy. Aby unie-
miar tak s"abych si" w laboratorium wy- optyczny. Elektroniczny uk"ad sprz´Å»e- moÅ»liwiç mu ruch na boki, Baker przy-
maga uŻycia najnowoczeĘniejszych przy- nia zwrotnego przeciwdzia"a tym zmia- mocowa" doł
Å»yletk´ o jednym ostrzu.
rzÄ…dów. Zdziwi"a wi´c mnie wiadomoĘç, nom, powodujÄ…c niewielkie wahania na- Ostrze Å»yletki dotyka blaszki mosi´Å»nej
Å»e Roger Baker z Austin w Teksasie do- t´Å»enia prÄ…du zasilajÄ…cego elektro- umieszczonej przy podstawie przyrzÄ…du
mowym sposobem zbudowa" urzÄ…dze- magnes. To nat´Å»enie prÄ…du jest wi´c i jest do niej przyciÄ…gane za pomocÄ…
nie umoŻliwiające wykrywanie zmian miarą si" dzia"ających na lewitujący ma- dwóch magnesików. Smarując ostrze
si"y ci´Å»koĘci w zaleÅ»noĘci od po"oÅ»enia gnes. Magnes ten jest dodatkowo obciÄ…- cienkÄ… warstewkÄ… oliwy, uzyskujemy za-
S"oł
ca i Ksi´Å»yca. Å»ony, by nie reagowa" na zmiany si"y wieszenie, pozwalajÄ…ce magnesowi na
Jedna z moich ulubionych prawd o duÅ»ej cz´stoĘci, móg" natomiast wy- ruch w pionie praktycznie bez tarcia,
oczywistych dotyczÄ…cych nauki mówi, kryç sygna"y zmieniajÄ…ce si´ powoli, po- a uniemoÅ»liwiajÄ…ce mu kiwanie si´ na bo-
Å»e odkrycie dokonane wczoraj dziĘ wy- chodzÄ…ce od trz´sieÅ‚
ziemi (majÄ… one ki. Baker przymocowa" nast´pnie do ru-
korzystuje si´ w kalibracji, a jutro jest cz´stoĘç kilkudziesi´ciu herców), a tak- chomego magnesu o"owiany ci´Å»arek
juÅ» tylko Ä™ród"em szumów. Tu maksy- Å»e od zmiany po"oÅ»enia Ksi´Å»yca i Zie- w´dkarski o masie 1 uncji (oko"o 30 g) 
ma owa szczególnie pasuje. W zesz"ym mi podczas obrotu Ziemi wokó" osi. Bu- w celu zmniejszenia jego cz´stoĘci w"a-
roku opisa"em inny wynalazek Bakera, dując swój przyrząd, Baker zak"ada", Że snej drgał
mechanicznych  oraz ma"Ä…
pozwalajÄ…cy na wykrywanie mikropul- b´dzie on s"uÅ»y" jako sejsmograf do po- blaszk´, pe"niÄ…cÄ… rol´ przes"ony, która
sacji ziemskiego pola magnetycznego. miaru drgał
pionowych ziemi. s"uŻy do detekcji po"oŻenia magnesu.
JednakÅ»e obecnoĘç nawet tak s"abych DuÅ»a czu"oĘç przyrzÄ…du wynika Podstaw´ grawimetru moÅ»na zbudo-
efektów magnetycznych ca"kowicie przede wszystkim z czu"oĘci jego czuj- waç z dowolnego materia"u niemagne-
uniemoÅ»liwi"aby pomiar si" ci´Å»koĘci, nika optycznego. Do Ęledzenia po"oÅ»e- tycznego. Baker poleca szk"o okienne,
o których mówimy. W istocie, najtrud- nia magnesu ruchomego s"uŻy przes"o- gdyŻ jest tanie, ma ma"y wspó"czynnik
niejszÄ… cz´Ä˜ciÄ… proponowanego dziĘ za- na, zas"aniajÄ…ca cz´Ä˜ç wysy"anej przez rozszerzalnoĘci cieplnej i "atwo je si´
dania jest uniezaleÅ»nienie si´ od róŻ- diod´ ĘwiecÄ…cÄ… wiÄ…zki, która pada na- montuje. Za pomocÄ… noÅ»a diamentowe-
nych zjawisk zak"ócajÄ…cych pomiar, co st´pnie na fototranzystor, znajdujÄ…cy si´ go wyciÄ…" z niego elementy pasujÄ…ce do
GRAWIMETR ustawiony na metalowej
obudowie. Przyst´pujÄ…c do pomiarów, uk"ad
ten musimy wsunÄ…ç do cylindrycznej obudowy,
którÄ… stanowi rura Å»elazna owini´ta foliÄ…
mumetalowÄ…, by wyeliminowaç wp"yw
ziemskiego pola magnetycznego. Oporniki
przylepione do zewn´trznej powierzchni
obudowy dzia"ają jak uk"ad grzejny, s"uŻący
do utrzymywania sta"ej temperatury przyrzÄ…du.
86 ÂWIAT NAUKI Marzec 2000
DANIELS & DANIELS
Magnesy Elektromagnes Pó"ka Przes"ona (doczepiona Ostrze Å»yletki (przymocowa- Spr´Å»yna
Uk"ad elektroniczny w"Ä…cza" prÄ…d
pierĘcieniowe szklana do magnesu ruchomego) ne do magnesu ruchomego) mosi´Å»na
w obwodzie grzejnym, gdy sygna"
z termistora spada" poniÅ»ej napi´-
cia odniesienia, a wy"Ä…cza" go, gdy
przekracza". UŻycie tak prostego
uk"adu pozwala na stabilizacj´ tem-
peratury z dok"adnoĘcią do kilku
setnych stopnia.
Metalowa os"ona pe"ni równieŻ
rol´ ekranu magnetycznego, os"a-
biajÄ…cego dzia"anie na uk"ad ziem-
skiego pola magnetycznego. Jest to
Żelazna rura kanalizacyjna o Ęred-
nicy oko"o 8 cm i d"ugoĘci 20 cm,
owini´ta kilkoma warstwami cien-
Ci´Å»arek o"owiany
Podk"adki Podpórki Blaszka Magnesiki (po"ączony z magnesem Ogranicznik Obudowa
kiej folii z mumetalu lub permaloju
szklane trójkÄ…tne mosi´Å»na ruchomym) ruchu metalowa
przek"adanej warstwami materia"u
niemagnetycznego, na przyk"ad kar-
GRAWIMETR BAKERA, pokazany na rysunku w poziomym przekroju, moÅ»e rejestrowaç
bardzo ma"e zmiany si"y ci´Å»koĘci. Do pomiarów uk"ad ustawia si´ pionowo. tonu. Foli´ z mumetalu moÅ»na kupiç
za poĘrednictwem Society for Ama-
teur Scientists. Ekran magnetyczny
siebie bez szpar. MoÅ»na je "atwo "Ä…czyç ostroÅ»nie przyklej do obudowy diody, powinien si´gaç poza kraÅ‚
ce detektora co
klejem silikonowym, a jeĘli coĘ trzeba tak by powsta"a wÄ…ska pozioma szcze- najmniej na d"ugoĘç dwóch Ęrednic rury,
zmieniç, da si´ je bez trudu rozdzieliç lina; w uk"adzie Bakera ma ona szero- by dostatecznie os"abiç pole magnetyczne
ostrym noÅ»em. koĘç oko"o 0.5 mm. Trzecim kawa"kiem wnikajÄ…ce przez otwarte koÅ‚
ce rury.
Baker nawinÄ…" cewk´ elektromagne- folii przes"oÅ‚
dolnÄ… po"ow´ fototranzy- W celu rejestracji si" dzia"ajÄ…cych na
su, uÅ»ywajÄ…c jako korpusu dwóch dal- stora. Dzi´ki tym os"onkom zwi´kszysz detektor dobrze jest po"Ä…czyç go z kom-
szych magnesów. W tym celu owił
o"ó- czu"oĘç uk"adu, gdyÅ» sygna" spada puterem. Baker zastosowa" w swoim
wek taĘmÄ… klejÄ…cÄ…, tak by da"o si´ na gwa"townie do zera po zas"oni´ciu wÄ…- przyrzÄ…dzie przetwornik analogowo-
niego ciasno nasadziç magnesy. Nast´p- skiej wiÄ…zki Ęwiat"a z diody przes"onÄ… -cyfrowy WinDAQ, wspó"pracujÄ…cy
nie oklej taĘmą magnesy i ustaw je w od- przymocowaną do ruchomego magne- z systemem operacyjnym Windows.
leg"oĘci mniej wi´cej jednej gruboĘci ma- su. Reszt´ elementów urzÄ…dzenia zmon- W wersji WinDAQ/Lite kosztuje on
gnesu od siebie. Do nawini´cia cewki tuj, jak to pokazano na rysunkach. oko"o 100 dolarów (www.dataq.com).
uÅ»yj izolowanego drutu nawojowego Podobnie jak w przypadku wi´kszo- Wielbiciele Macintosha mogÄ… wypróbo-
o Ęrednicy oko"o 0.3 mm. Jeden koniec Ęci czu"ych przyrzÄ…dów wskazania gra- waç interfejs szeregowy firmy Vernier
drutu przymocuj taĘmą do brzegu ma- wimetru Bakera silnie zaleŻą od tempe- Software (www.vernier.com). MoŻna
gnesu i nawijaj drut w kanale mi´dzy ratury. Wynalazca pomyĘla" wi´c o uk"a- oczywiĘcie uÅ»yç innych uk"adów. Kom-
magnesami. Lekko go przy tym naciÄ…gaj
oraz nasÄ…czaj powstajÄ…cÄ… cewk´ powo-
li zasychającą Żywicą epoksydową. Za- Ruch przes"ony
1 cm
w pionie
koł
cz nawijanie, gdy Ęrednica cewki b´-
Przes"ona
dzie mniej wi´cej o 2 mm mniejsza od
Superjasna czerwona
dioda Ęwiecąca Fototranzystor
Ęrednicy korpusu. Po stwardnieniu Ży-
(po usuni´ciu
wicy ogrzej ca"oĘç w piecu do 50°C, by
plastikowej soczewki)
stopiç klej na taĘmie, po czym zdejmij
Zaczerniona
folia aluminiowa
samÄ… cewk´. Powinna mieç Ęrednic´
oko"o 2.7 cm, a gruboĘç w przybliÅ»eniu
0.5 cm. Jej opór dla prądu sta"ego powi-
Zagi´ta
blaszka
nien wynosiç oko"o 10 .
aluminiowa
Wkr´t mosi´Å»ny
Budowa czujnika optycznego wyma-
ga pewnej starannoĘci. MoŻesz wyko-
CZUJNIK OPTYCZNY, umoÅ»liwiajÄ…cy wykrywanie przesuni´ç rz´du 1 nm,
rzystaç superjasnÄ… czerwonÄ… diod´ fo-
sk"ada si´ z diody fotoluminescencyjnej (z lewej), ustawionej na wprost fototranzystora.
toluminescencyjnÄ… i fototranzystor, lecz WiÄ…zka Ęwiat"a pomi´dzy tymi elementami jest przerywana przez przes"on´ (z prawej).
Rozmiar wiÄ…zki zmniejsza wÄ…ska szczelina, wyci´ta w folii aluminiowej.
musisz wyjÄ…ç je z obudowy, by oba ele-
menty moŻna by"o maksymalnie do sie-
bie zbliÅ»yç. Obetnij obudowy przy sa-
mych elementach czynnych i wypoleruj dzie stabilizacji temperatury. Swój gra- puter spe"nia rol´ samopisu, tzn. reje-
brzegi drobnym proszkiem Ęciernym. wimetr umieĘci" w os"onie metalowej, struje napi´cie na cewce elektromagne-
Najlepsza do tego jest pasta do z´bów którÄ… utrzymywa" w temperaturze oko- su jako funkcj´ czasu.
na"oÅ»ona na kawa"ek mi´kkiego drew- "o 10 stopni wyÅ»szej od temperatury oto- Ustaw przyrzÄ…d pionowo na mocnej
na. A kiedy juÅ» uporasz si´ z tym zada- czenia. Jako elementy grzejne wykorzy- podstawie i umieĘç go na betonowym
niem (cierpliwoĘci!), wklej elementy sta" dwadzieĘcia 50-omowych oporników fundamencie moŻliwie daleko od ruchu
optyczne w ich oprawki za pomocÄ… kle- o mocy 0.5 W. Czujnikiem tempera- ko"owego i pieszego. W"Ä…cz zasilanie
ju silikonowego [ilustracja z prawej]. Na- tury by" termistor, którego wskazania i poczekaj, aÅ» uk"ad si´ rozgrzeje. Zdej-
st´pnie zaczernij pisakiem trzy ma"e ka- porównywa" z napi´ciem odniesienia, mij górnÄ… pokryw´ i  obserwujÄ…c wska-
wa"ki folii aluminiowej. Dwa z nich ustawianym za pomocÄ… potencjometru. zanie przyrzÄ…du  obracaj wkr´t, do któ-
ÂWIAT NAUKI Marzec 2000 87
DANIELS & DANIELS
DANIELS & DANIELS
UK¸AD DETEKCJI I REGULACJI
U
K
¸
A
D
D
E
T
E
K
C
J
I
I
R
E
G
U
L
A
C
J
I
+ 12 V
+ 12 V
Wzmacniacz
operacyjny
+

10k
0.001 µF 10 353
1k
Cewka
Dioda
elektromagnesu
Ęwiecąca
Fototranzystor
10 M
10 M
 
+
+ +
+
10k 1k
Wzmacniacz 10 µF
10 µF
operacyjny tanta-
100k
tantalowy
324 +lowy
Ruchoma
+ Uk"ad t"umienia
przes"ona
drgał
w obwodzie
przecina bieg + 12 V
10k
+
regulacyjnym
wiązki Ęwiat"a 5k
10 µF
1 M
tantalowy
10k
+ 12 V +
1 µF
1 M
1 µF
Dioda
Ęwiecąca
10k
Filtr górnoprzepustowy
 wskaęnik
Filtr
o bardzo ma"ej
dolno-
cz´stoĘci granicznej
przepustowy

+
Sygna"
+
Wzmacniacz
 Sygna" wyjĘciowy
wyjĘciowy
operacyjny
sejsmografu
grawimetru
324
1 M
100k
UK¸AD STABILIZACJI TEMPERATURY
U
K
¸
A
D
S
T
A
B
I
L
I
Z
A
C
J
I
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
Y
+ 12 V
wn´trznego magnesu, aby zachowaç naj-
wyÅ»szÄ… czu"oĘç. JeĘli uda si´ zarejestro-
waç powolne, sinusoidalne zmiany wska-
10k
zał
grawimetru zgodne w fazie z przy-
10k
1 M
p"ywami i odp"ywami, tzn. Że istotnie
1k
obserwujesz sk"adowÄ… grawitacji pocho-
Tranzystor
dzącą od ęróde" pozaziemskich. Ci, któ-
mocy
rzy prowadzÄ… obserwacje daleko od brze-
typu n-p-n
10k
gu, majÄ… "atwiejsze zadanie, gdyÅ» ich
 
+ +
1 M 10k
pomiary nie są zak"ócane przez takie zja-
+ +
 
wiska uboczne, jak na przyk"ad okreso-
Wzmac-
we narastanie piaszczystej plaŻy. Ambit-
niacz
5k
Oporniki 50
operacyjny 324 + 12 V
ni badacze grawitacji mogÄ… przepro-
przyklejone
wadziç transformacj´ Fouriera rejestro-
do ekranu
Termistor
wanej zaleŻnoĘci sygna"u od czasu i po-
10k magnetycznego
(przyklejony
szukiwaç maksimów sygna"u dla okre-
do opornika
Dioda
na ekranie
Ęwiecąca su zmiennoĘci 24 godziny oraz 28 dni.
10k
magnetycznym)
 wskaęnik
T"umaczy"
Miros"aw ¸ukaszewski
Wi´cej informacji o budowie grawimetru
UK¸AD DETEKCJI I REGULACJI (na górze) s"uÅ»y do wykrywania niewielkich
znajdziecie na stronie internetowej Roge-
przemieszczeł
przes"ony i regulacji nat´Å»enia prÄ…du p"ynÄ…cego przez cewk´
ra Bakera: www.eden.com/~rcbaker. Pyta-
elektromagnesu tak, by tym ruchom przeciwdzia"aç. JeĘli przyrzÄ…d ma byç uÅ»yty
jako sejsmograf, naleÅ»y do"Ä…czyç do uk"adu filtry wyjĘciowe, jak to pokazano
nia moÅ»na nadsy"aç wprost do Society for
na rysunku. Uk"ad stabilizacji temperatury (powyŻej) umoŻliwia uzyskanie
Amateur Scientists, które prowadzi sta"ą
sta"ej temperatury przyrządu z dok"adnoĘcią do jednej setnej stopnia.
dyskusj´ pod adresem: earth.thesphe-
re.com/sas/WebX.cgi. Aby pomóc naukow-
rego przymocowany jest górny magnes, widoczne na oscyloskopie. Na"óŻ po- com amatorom, Society for Amateur Scien-
i ustaw jego po"oÅ»enie tak, by sygna" nownie pokryw´. tists oferuje zestawy elementów elektronicz-
z fototranzystora by" ledwie widoczny. PrzeprowadÄ™ teraz regulacj´ koÅ‚
cowÄ…, nych (bez p"ytek drukowanych) do realizacji
Jest to niezwykle sprytna metoda: w k"adÄ…c na pokrywie magnes ferrytowy opisanego zadania. B´dÄ… one dost´pne w cenie
tym ustawieniu nieznaczne przemiesz- i przemieszczając go aŻ do znalezienia 50 dolarów do grudnia 2000 roku. Zestaw nie
czenie si´ magnesu ruchomego daje po"oÅ»enia, dla którego sygna" fototran- zawiera ekranu z mumetalu, który trzeba za-
bÄ…dÄ™ pe"ny sygna" Ęwietlny, bÄ…dÄ™ jego zystora jest na granicy zaniku. W tym mawiaç osobno. MoÅ»ecie takÅ»e pisaç pod ad-
ca"kowity zanik. Ruchomy magnes wy- ustawieniu przyrzÄ…d moÅ»e dzia"aç ca"y- resem: 4735 Clairemont Square, PMB 179,
konuje niewielkie drgania o okresie oko- mi tygodniami, wymagajÄ…c jedynie od San Diego, CA 92117, USA, lub telefonowaç:
"o jednej sekundy, które powinny byç czasu do czasu zmiany po"oÅ»enia ze- 0-01 619-239-8807 (USA).
88 ÂWIAT NAUKI Marzec 2000
JOHNNY JOHNSON
+
+



+
+