Category: Elektronika

Bevezetés a rádiókommunikációba

By , 2014. April 7 22:29

A rádiós átvitel. A rádiós összeköttetéshez szükséges egy adókészülék, aminek jeleit az átvivendő információnak megfelelően moduláljuk, továbbá egy vevőkészülék, ami az adó üzeneteit képes feldolgozni. Az adó által előállított elektromágneses hullámok terjedése révén lehet az üzenetet nagy távolságra vezeték nélkül továbbítani. Az elektromágneses hullámokat váltakozó elektromos és mágneses terek alkotják: az elektromos teret az elkülönített töltött részecskék hozzák létre, vagyis a feszültség és a távolság határozza meg, a mágneses erőteret a mozgó töltött részecskék hozzák létre. Az áram csak feszültség hatására folyhat, vagyis mágneses erőtérhez mindig tartozik elektromos erőtér is, – tehát az áram elektromágneses erőteret hoz létre. radio_hullam

Az elektromágneses hullámok polarizációja. Az elektromágneses hullám polarizációját az elektromos komponensének iránya határozza meg (feszültség kelti). Két fő polarizációs módot különböztetünk meg: a lineáris és az elliptikus vagy kör alakú polarizációt. Az elliptikus polarizáció esetében az elektromos komponens iránya körmozgást végez. A körforgás irányától függően beszélünk jobbra vagy balra forgó kör-polarizációról. A rövidhullámú tartományban az elliptikus, vagyis a kör alakú polarizációnak alig van jelentősége. Az igen nagy frekvenciák tartományában azonban fokozódó mértékben alkalmazzák, különösen az űrkutatás területén (pl. rádióasztronómia).
A lineáris polarizáció esetében az elektromos erővonalak egyenesen futnak, és a Mágneses tér alakulása földfelszínhez képest egy bizonyos irányt vesznek fel. A földfelszínhez felvett irányuktól függően megkülönböztetjük a horizontális, vagyis vízszintes polarizációt (az elektromos erővonalak a földfelszínnel párhuzamosak) és a vertikális, vagyis függőleges polarizációt (az elektromos erővonalak a földfelszínre merőlegesek).

Az ionoszféra egyenlőtlenségei következtében a rövidhullámú tartományban igen gyakori a polarizáció-változás. Ennek következtében létrejövő fadding-jelenségeket polarizációs fadding-nek nevezzük. A terjedés útjában levő akadályok szintén polarizáció-módosuláshoz vezethetne. A vízszintesen felépített antennák általában vízszintesen polarizált hullámokat sugároznak ki, a függőlegesen elrendezett antennák pedig általában függőlegesen polarizált hullámokat. Bizonyos antennatípusoknál azonban a polarizáció az antenna irányából nem ismerhető fel azonnal (így pl. a résantennánál és a Quad-antennánál). Az elliptikus polarizáció meghatározásához szintén nincsenek egyszerű, általános érvényű szabályok.

Reflexió, refrakció és diffrakció. A reflexió (visszaverődés) lehet irányított, amely síkfelületen alakul ki, vagy szórt reflexió, amely egyenlőtlen felületeken keletkezik. Az irányított reflexiónál a visszavert sugár, a beeső sugár és a beesés pontjára emelt merőleges egy síkba esnek. A beesési szög és a visszaverődési szög a beesés pontjára emelt merőlegeshez képest egyforma. A reflexió mértéke (a reflexiós koefficiens) függ a visszaverő közeg permittivitásától (dielektromos tényezőjétől és permeabilitásától, más szóval áteresztő képességétől).

Az elektromágneses hullámok refrakciója (törés) különböző dielektromos tényezőjű közegek átmeneténél lép fel. Ennek a jelenségnek különösen az ultrarövid hullámok terjedésénél van jelentősége. Mivel az elektromágneses hullámok terjedési sebessége a közeg dielektromos tényezőjétől függ, így ha ez változik, a terjedési sebesség is változik. A sebesség változás következtében pedig irányváltozás lép fel; ez a refrakció. A légkör dielektromos tényezője függ a sűrűségtől és relatív nedvességtartalmától. A jelenség igen szemléletesen mutatható be egy optikai kísérlettel: ha egy botot ferdén egy vödör vízbe helyezünk, akkor a bot a vízfelszín síkjában meghajlani látszik (a fény is elektromágneses hullám).

Az elektromágneses hullámok diffrakciója (elhajlása) a terjedés útjában levő élek mentén alakul ki. Ennek köszönhető, hogy olyan területeken, amelyek hullámárnyékban vannak, mint pl. magasabb hegyek és épületek mögött, sokszor még elfogadható vétellehetőség tapasztalható. A diffrakció mértéke frekvenciafüggő: növekvő frekvenciával csökken.

Az atmoszféra. Az elektromágneses hullámok terjedésében jelentős szerepe van a Föld légkörének, az atmoszférának. Az atmoszféra mintegy 2000…3000 km magasságig terjed, és főleg nitrogénből, oxigénből, szén-dioxidból és vízgőzből áll. Az atmoszférát három fő rétegre szokás osztani:
Atmoszféra A troposzféra. A Föld légkörének a földfelszíntől kb. 11 km magasságig terjedő szakaszát troposzférának nevezzük. Szokás még “időjárási rétegnek” is nevezni, minthogy az időjárást meghatározó meteorológiai folyamatok elsősorban itt zajlanak le. A troposzféra a légkör anyagának mintegy 75%-át tartalmazza. A troposzféra hőmérséklete a magassággal általában csökken: 1000 méterenként 6…8°C-kal. A hőmérséklet a legfelső rétegben, a tropopauzában a legkisebb, átlagosan -50 °C. A troposzféra és a sztratoszféra közötti átmeneti réteg, a tropopauza magassága ingadozó. Közép-Európa földrajzi szélességénél általában márciusban a legalacsonyabb, állagosan 9,7km, míg júliusban a legmagasabb: 11,1km. A troposzféra állapota az ultrarövid hullámok terjedését lényegesen befolyásolhatja.
A sztratoszféra. A Föld felszíne felett 11…80 km magasságban találjuk a sztratoszférát. Ebben a tartományban a szó általános értelmében vett időjárási jelenségek nem játszódnak le, és a réteget a vízgőz teljes hiánya jellemzi. Hőmérséklete mintegy 20 km magasságig állandónak tekinthető, e felett pedig egyenletesen növekszik, míg 50 km magasságban kb. 50 °C maximumot nem ér el. Ezt a növekvő hőmérsékletű tartományt ózon-zónának is nevezik, mivel ebben a magasságban a légkör ózon-koncentrációja viszonylag nagy. Ez az ózon-réteg a földi élet létének és fejlődésének fontos tényezője, minthogy a Nap ibolyántúli sugárzásának legnagyobb hányadát elnyeli.
50 km feletti magasságban a hőmérséklet-eloszlás ismét csökkenő jellegű, míg 80 km-nél – az ionoszférába való átmenetnél – ismét fordulópont található. A sztratoszféra hatását az ultrarövid hullámok terjedésére ez ideig nem sikerült kimutatni.
Az ionoszféra.  80 km feletti magasságban az ionoszféra található, amelynek felső határa hozzávetőleg 800 km-nél van; itt fokozatosan átmegy az interstelláris (csillagközi) térbe. Ezt az átmeneti tartományt exoszférának nevezik. Az ionoszférában igen sok elektromosan töltött részecske – ion és elektron – van. Ezek semleges gázmolekulákból ionizáció következtében jönnek létre. Mivel a gázsűrűség ilyen magasságon alacsony, ezért az ionizált állapot jelentős ideig fennmaradhat. A pozitív ionok és elektronok egymásra találását rekombinációnak hívják. Ionizációt itt elsősorban a napsugárzás okoz; az ultraibolya, korpuszkuláris sugárzás és a kozmikus sugárzás, továbbá a meteoritok zápora (több mint 100 meteorit/nap). Az elektromosan töltött részecskék jelenlétének következtében az atmoszféra felső rétege elektromosan vezetővé válik, és ilyenformán az elektromágneses hullámok bizonyos frekvenciatartományát képes visszaverni (reflektálni).

Kennelly és Heaviside már 1900-ban feltételeztek nagy magasságban egy ilyen elektromosan vezető réteget. Appleton és Barnett 1924-ben kísérleti úton kimutatták a Föld légkörének reflektáló tulajdonságát, s ezzel bizonyították Kennelly és Heaviside elméletét. Később a radar-elven alapuló mérésekkel sikerült kimutatni, hogy az atmoszférában nemcsak egy ilyen reflektáló tulajdonságú réteg található (Kennelly – Heaviside-réteg), hanem egy egész rétegrendszer.

Az ionoszféra elektronsűrűség-eloszlásának néhány maximuma van. 40 és 80 km közötti magasságban ezért több rétegre tagoljuk. Tulajdonképpen nem is beszélhetünk rétegekről, mivel a különböző elektronsűrűségű tartományok közötti átmenetek egymásba folynak. A réteges szerkezet elmélete azonban az elmúlt évtizedekben szilárd fogalommá vált, ezért használata továbbra is indokolt. Rétegek alakulása függ a naptól érkező energiától, ezért egyes rétegek csak nappal vannak jelen.

Ionoszféra rétegei Napközben, nagyjából 50-90 km magasságban alakul ki a D-réteg. Az ionizáció fő forrása a D-régióban az UV-sugárzás, ami a nitrogén-monoxid (NO) molekulákra hat, majd az éjszaka folyamán eltűnik. Rekombináció ebben a rétegben gyorsan lezajlik. Fontos tulajdonsága, hogy elnyeli a rövidhullámú sugárzást – napviharok során gátolja az RH kommunikációt.
E felett helyezkedik el az E-réteg (a tulajdonképpeni Kennelly-Heaviside réteg), amelyben a maximális elektronsűrűség 110…130 km magasságban van. Főleg lágy röntgensugarak és UV-sugárzás hozza létre, amik az oxigénmolekulákra hatnak. Az E-régió legnagyobb sűrűsége kb. 100-szorosa a D-régió legnagyobb sűrűségének, mert a rekombináció itt jóval lassabb. A D-régióhoz hasonlóan az E-réteg is gyengül az éjszaka folyamán, illetve magasabbra tolódik. Van még egy másik, átmeneti forrása is az ionizációnak az E-régió magasságában, aminek létrejöttében szerepet játszik a semleges atmoszféra mozgása, az északi fény körüli elektromos mező és a légkörbe belépő meteorok, amik felizzanak, és az őket körülvevő semleges gázt ionizálják, ezzel a nyomvonalukon egy hosszú ionizációs csíkot hoznak létre. Az ilyen csíkokat szporadikus E-rétegnek nevezik (görögül szporadikus: szórványos, helyenként előforduló). Hatása néhány perctől néhány óráig tarthat. Mivel az így létrejövő réteg jól visszaveri a nagyfrekvenciás rádióhullámokat, ezért ilyenkor a megszokottnál jóval nagyobb távolságú összeköttetés is lehetséges.
A még feljebb fekvő F-réteg (Appleton-réteg) nyáron a nappali órákban F1 és F2 rétegekre hasad. Az ionizáció maximuma az F1 rétegnél 200…230 km magasságban van, míg az F2 rétegnél 300…400 km magasságban. Az ionizáció mértéke (elektronsűrűség) rétegről-rétegre növekszik és maximális értékét az F2 rétegen kb. 400 km magasságban éri el. E felett az ionizáció mértéke gyorsan csökken, míg végül teljesen megszűnik.

Minthogy az ionoszféra folytonos állapotváltozásoknak van kitéve, a vázolt elrendezés nem tekinthető egymáson elhelyezkedő rétegek merev rendszerének: az ionizáció mértéke folytonosan változik az év- és napszak, a naptevékenység, a földrajzi szélesség és még egyéb tényezők függvényében.

Elektromágneses hullám terjedése.  Az elektromágneses hullámok terjedésében jelentős szerepe van a földfelszín görbületének, a talaj eltérő konduktivitásának és legfőképpen atmoszférájának. Ha az adó- és vevőantenna a föld felszínén van, a rádióhullámok az adótól a vevőig két úton juthatnak el:

  • – a troposzférán át a földfelszín mentén, mint felületi vagy talajhullámok
  • – az ionoszférától visszaverődve, mint térhullámok.

Elektromágneses hullámok terjedése A felületi hullámok a Föld görbületét követik, és terjedésük során a felszíni abszorpciós hatások következtében veszteséget szenvednek. Ez a veszteség a frekvenciával növekszik. Igen kis frekvenciák esetében (a leghosszabb hullámtartományban) a felületi hullám nagy távolságok áthidalását teszi lehetővé. A talaj elektromos vezetőképessége és a tereptárgyak (épületek, növényzet stb.) a felületi hullámok terjedését befolyásolják, a hatótávolságot azonban főleg a kisugárzott teljesítmény határozza meg.  A rövidhullámok felületi hatósugara csekély. Közepes teljesítményű amatőr adóval a 80 m-es sávban kb. 100 km-es felületi hullámú hatótávolsággal lehet számolni; azonos teljesítményű 10 m-es sávban dolgozó adónál ez a távolság kb. 15 km-re csökken. Az ultrarövid hullámok tartományában a nagyobb távolságok áthidalását felületi hullámokkal a troposzférában létrejövő hullám-elhajlás, -törés és -szóródás teszi lehetővé.

A legnagyobb földi távolságok áthidalását a rövidhullámok térbeli terjedése teszi lehetővé, amikor is a térhullámok az ionoszférától visszaverődnek. A rádióhullámok terjedési sebessége az ionoszférában valamivel nagyobb, mint a troposzférában, és lényegében az elektronkoncentráció és a frekvencia függvénye.  Az elektronkoncentráció növekedésével – adott frekvencián – a terjedési sebesség is növekszik. Ha a hullámhomlok nem merőlegesen, hanem 90°-nál kisebb szöggel lép be az ionoszférába, a hullámhomlok felső része “gyorsabb”, mint az alsó része. Az eltérő terjedési sebesség következtében a terjedési irány megtörik és elegendő nagy elektronkoncentráció esetén a hullám a Föld felé visszaverődik. A jelenséggel kapcsolatosan az alábbi összefüggések érvényesek:

  • Minél nagyobb az üzemi frekvencia, annál nagyobb elektronkoncentráció szükséges a reflexió feltételeinek biztosítására.
  • A térhullám visszaverődése a Föld felé annál könnyebben valósul meg, minél laposabban lép be az ionoszférába.

A reflexió sohasem veszteségmentes, ezért a visszavert térhullámoknál mindig kisebb-nagyobb járulékos csillapítással kell számolni. Az ionoszféra csillapítása frekvenciafüggő: a kisebb frekvenciák csillapítása nagyobb, mint a nagyobb frekvenciáké.

A térhullámok nagy távolságú terjedését azonban az árnyékolás akadályozhatja. Fedésről beszélünk akkor, amikor a hullámok már a viszonylag alacsony E-rétegről visszaverődnek, és így a magasabban elhelyezkedő F-rétegig el sem jutnak. Összefoglalóan megállapítható, hogy a térhullámok terjedése függ a felsőhatár frekvenciától (az a frekvencia, mely merőlegesen érkezve az ionoszférába meg visszaverődik), a csillapítástól és az árnyékolástól. Az áthidalható legnagyobb távolság – egyszeres visszaverődéssel az ionoszférától 4000…4500 km. Mivel azonban a rövidhullámok a talaj és az ionoszféra között többszörösen is visszaverődhetnek, a térhullámok többszörös “ugrással” a legnagyobb lehetséges földi távolságokat is áthidalhatják.

Azonban 5 m-nél kisebb (6oMHz-nél magasabb frekvenciájú) ultrarövid hullámoknál – normális körülmények között – még a leglaposabb belépési szögnél sem tapasztalható reflexió az ionoszféráról. Ezek a nagyfrekvenciás térhullámok az ionoszférán áthatolva a világegyetemben terjednek tova.

Az ultrarövid hullámok terjedése. Az ultrarövid hullámú elektromágneses rezgések hullámhossza 10 és 1 m között van, ami 30…300 MHz-nek felel meg.Terjedésük megközelíti a fényterjedési törvényszerűségeit. Ezért szokás kvázi-optikai (fényhez hasonló) terjedésről beszélni, noha valójában ténylegesen kvázi-optikai terjedésről csak a deci-, centi- és a milliméter-tartományban van szó. Az ultrarövid hullámok kiválóan alkalmasak olyan távolságok üzembiztos áthidalására, amelyek az elméleti optikai látóhatáron belül vannak, ugyanis biztonságos hatósugaruk kb. 15 %-kal meghaladja az optikai látóhatárt. Ezen a távolságon belül térerő-ingadozás gyakorlatilag nem lép fel, és már egészen kis adóteljesítménnyel is – az időjárási viszonyoktól és az ionoszféra állapotától függetlenül – üzembiztos összeköttetések létesíthetők. A hullámterjedés-kutatás legújabb eredményei alapján az ultrarövid hullámok elhajlása a Föld felszíne felé a levegőnek a magassággal csökkenő törésmutatójával hozható összefüggésbe. A törésmutató értékét a troposzféra vízgőz tartalma (nedvessége), nyomása és hőmérséklete határozzák meg.

Az ultrarövid hullámok hatósugara közelítő számítással:

    \[d=4,13\cdot \left ( \sqrt{h1} + \sqrt{h2}\right )\]

ahol d a 2 m-es hullám hatósugara km-ben; h_1 az adóantenna magassága m-ben és h_2 a vevőantenna magassága m-ben.

Az összefüggés a Földnek az ún. “négyharmad” sugarán alapszik, vagyis nem a tényleges 6370 km-es földsugárral számolunk, hanem az egyharmaddal megnövelt 8500 km-es értékkel. Az ultrarövid hullámú tartományban időszakosan olyan nagy-távolságú terjedések figyelhetők meg (1000 km felett), amelyek a közönséges horizonton túli terjedéssel nem magyarázhatók. A jelenségnek többféle oka lehet, azonban többnyire a troposzféra különleges állapotára vezethető vissza.

Troposzferikus nagytávolságú terjedés. Troposférikus rétegek tulajdonságai A troposzféra hőmérséklete általában a magassággal csökken: 1000 m-enként 6…8°C-kal. A légtömegek mozgása és egyéb meteorológiai hatások következtében a hőmérsékleti és relatív nedvesség-eloszlási görbén ugrásszerű hirtelen változások is felléphetnek, ennek következtében a görbe a normálistól eltérhet. Az ilyen hőmérsékletugrás – más néven inverzió – a légsűrűség változását okozza: a meleg levegő sűrűsége kisebb, mint a hidegé. Az optikából ismeretes a fénytörés alapszabálya: ha a fénysugár valamely optikailag sűrűbb (nagyobb törésmutatójú) közegből egy kisebb sűrűségűbe (kisebb törésmutató) lép, az átlépési pontban emelt merőlegestől elfelé, míg az optikailag sűrűbb közegbe lépve a merőleges felé törik. Az ultrarövid hullámok a terjedési közeg sűrűségének változásakor a fényhez hasonló viselkedést tanúsítanak: a hullámhomlok az inverziórétegbe belépve a Föld felszíne felé törik. Az inverziós réteg általában viszonylag kis magasságban helyezkedik el. A talajmenti inverzió közvetlenül a talaj felszíne felett alakul ki, hatására viszonylag csak kis hatósugár-növekedés jelentkezik. A magassági inverzió néhány 1000 m magasságban képződik, és ez hozza létre a nagy távolságú terjedést. Mint látható, a közvetlen terjedéssel csak azok a hullámok érik az ellenállomás antennáját (I. vevő), troposfera1 amelyek igen lapos szögben, mintegy a Föld felszínéhez érintőlegesen lépnek ki az adóantennáról. Ha a troposzféra állapota a hullámpálya elhajlását és ezzel rendkívüli terjedést okoz, szintén a lapos lesugárzás kedvez a terjedésnek (II. vevő). Ebből nyilvánvalóan következik, hogy nagytávolságú összeköttetések létesítése szempontjából azok az antennatípusok kedvezőek, amelyek elsősorban a függőleges síkban nyalábolnak!

Ritkán előforduló jelenség az ún.. troposzferikus hullámvezetéses átvitel (angolul: ducting). Ez csak akkor jön létre, ha egy időben egymás felett több inverziós réteg közé jut be a hullám, ott addig reflektálódik ide-oda a két réteg között, míg az alsó réteg lokális elvékonyodásához érve azon át kilép. A rendkívüli hullámvezetéses terjedést az jellemzi, hogy az összeköttetés – területileg igen távoli állomások között szűken behatárolt – lehetséges, míg a közelebbi állomások a holtzóna miatt nem érhetők el. Hullámvezetéses terjedés azonban kialakulhat a Föld felszíne és egy nagykiterjedésű talajmenti inverziós réteg között. Ennek a terjedésnek a jellemzője, hogy a terjedés útjában nincs holtzóna. Ha a troposzféra törésmutatója olyan nagy, hogy a földfelszínnel párhuzamosan kisugárzott hullámvisszaverődés lehetséges, akkor szuper-refrakcióról beszélünk. Ilyenkor az inverziós rétegen totálreflexió lép fel, amely folyamat hasonlatos a rövidhullámoknak az ionoszféra egyes rétegein lezajló reflexiós folyamatához.

Szórthullám-terjedés. A troposzféra felső tartományában, kb. 10 km Szorthullam magasságban, a légrétegek intenzív függőleges áramlása figyelhető meg. Ezek az ún. kiegyenlítődési áramlatok. A különböző hőmérsékletű légrétegek keveredése állandó turbulenciát hoz létre. Ilyenkor parazita-inhomogenitások keletkeznek, amelyeknek a környező légtömegekkel szemben eltérő hőmérsékletük, nyomásuk és relatív nedvességtartalmuk van. Ha a hullámterjedés pályája ilyen inhomogenitásokon át vezet, akkor az energia kicsiny töredéke diffúz szóródást szenved. Minthogy a szórt sugárzás a tér minden irányában terjed, egy része jóval az optikai látóhatár mögött tér vissza a Föld felszínére. Ez a maradék erőtér rendkívül kicsiny, azonban állandó értékű.

A troposzferikus szórthullám-terjedést (angolul: tropospheric scatter) a 100…1000 MHz közötti frekvenciáknál szokták hasznosítani, főleg az 500 MHz körüli frekvenciáknál. Az áthidalható távolság 800…1000 km-t is elérhet. A vétel minősége rendszerint gyenge, és sokszor az átvitt jel sávszélességének csökkenése is megfigyelhető. A sávszélesség csökkenése azzal magyarázható, hogy az inhomogén tartomány különböző pontjairól származó szórthullámok fáziskéséssel érkeznek a vevőantennához. A szórási gócok helyzetváltozásai a troposzférában ezen kívül kisebb-nagyobb fadding jelenségeket is okozhatnak.

Stabilabb összeköttetés tartható fenn az ionoszferikus szórthullám-terjedéssel (angolul: ionospheric scatter), ami a kb. 100 km magasságban levő ionoszférarétegeknek köszönhető. Ehhez leginkább a 25.. .60 MHz közötti frekvenciák használhatók, míg az áthidalható távolságok 7000…2500 km.
Az ultrarövid hullámok reflexiója a sporadikus E-rétegtől. Az ionoszférában az elektronsűrűség néha váratlanul megváltozik, pl. ionoszferikus szél esetén. Troposzférikus hullámterjedés Ilyenkor az ionoszféra alsó rétegeiben igen intenzív ionizációjú inhomogenitások léphetnek fel. Minthogy ezek a sporadikus (szórt) gócok elsősorban az E-rétegben, főleg ennek alsó szakaszában keletkeznek, ezt sporadikus E-rétegnek (Es réteg) nevezzük. E jelenség okát nem sikerült ez ideig egyértelműen tisztázni, azonban hatását jól ismerjük. Bizonyított tény, hogy az ultrarövid hullámú tartománynak főleg a 30…100 MHz közötti szakasza verődik vissza az Es rétegtől. A 2 m-es sávban is sikerült olyan összeköttetések létrehozása, amelyek az adott körülmények között igen nagy valószínűséggel az Es rétegen bekövetkezett reflexióval magyarázhatók. Minthogy a hullámok a 100…130 km magasságban reflektálódnak, kiszámítható, hogy a reflektált hullámok az adótól 900…2000 km távolságban térnek vissza a földfelszínre. A szórthullámok intenzitása 1000 km-nél kisebb távolságoknál rohamosan csökken.

Az ultrarövid hullámok visszaverődése az északi fénytől.  A Nap időnként hatalmas tömegű, elektromos töltésű izzó gázfelhőket lövell ki magából. Ezek nem tekinthetők sugárzásnak, minthogy sebességük “csupán” 1500 km/s körül van. A jelenséget kísérő anyagvándorlás miatt korpuszkuláris (részecske-) sugárzásnak nevezik. Ha a Föld ilyen részecskesugárzással találkozik, mágneses tere a részecskeáramban haladó elektronokat és ionokat a mágneses pólusok irányába eltéríti. Az eltérített részecskesugár a 70. szélességi fok körül – az ún. aurora-zónában vagy északifény-tartományban – lép be a magasabb légkörbe, és szekunder ionizációt, valamint az északi fény jelenségét idézi elő. Ugyanakkor az aurora-zóna mentén nagy intenzitású áramlás jelentkezik, amelynek erősen ingadozó mágneses tere az állandónak tekinthető földmágneses térre szuperponálódik: ún. mágneses vihar keletkezik, melynek intenzitása az északifény-tartományban a legalacsonyabb.
Az intenzív részecskesugárzás által okozott szekunder ionizáció az aurora-zónában igen nagy helyi elektronsűrűségeket hozhat létre. Ezért az északi fény környezetében kifejezett ionizált gócok keletkezhetnek, amelyeknek elektronsűrűsége az ultrarövid hullámok reflexiójához is elegendően nagy. Az ún. aurora E-rétegen végbemenő visszaverődés átlagban 100 km-es, vagy ennél nagyobb magasságban játszódik le. A diffúz reflexió következtében a jelátvitelt erős torzítás jellemzi. Ezért összeköttetések csupán távíró-üzemmódban létesíthetők.
A Napon lezajló nagyobb erupciót követően általában 26 óra múlva a részecskefelhő eléri az ionoszférát. Néha azonban az is előfordulhat, hogy a Napból kiszakadó részecskesugárzás elkerüli a Földet, és a csillagászati módszerekkel észlelt erupciót az aurora-jelenségek nem követik. Ez rendszerint akkor következik be, ha az erupció a napkorong széle felé zajlott le.

 Az ultrarövid hullámok visszaverődése meteor-nyomvonalakról (meteorscatter). A Föld a Nap körüli pályáján rendkívül nagyszámú, többnyire igen kicsiny, porszerű meteorittal találkozik. A meteoritok igen nagy sebességgel (elérhetik a 72 km/s-ot is) hatolnak be az atmoszférába, miközben a súrlódási hő folytán 100 … 200 km-es magasságban elgőzölögnek, elégnek. A meteoritoknak csupán egy kis része akkora, hogy elégéskor az atmoszférában látható fénynyomot hagynak (hullócsillag), és még sokkal ritkább az olyan méretű meteorit, amely eljut a Föld felszínéig.
A meteoritok két csoportba oszthatók: az első csoportba azok sorolhatók, amelyek a világűrben mindenütt viszonylag egyenletes eloszlásban találhatók. Ezek kitüntetett irány nélkül és különböző sebességgel mozognak. A második csoporthoz tartozó meteoritok pedig meghatározott pályákon, azonos irányokban és sebességekkel haladnak. Ezek a meteoráramok vagy meteorit-záporok periodikusan keresztezik a Föld pályáját, és végleges megsemmisülés előtt pályájuk mentén az atmoszférában ionizált csatornát létesítenek. Az ilyen ionizált csatorna rövid életű, mivel az igen kis nyomású magas atmoszférában hamar szétterjed és eloszlik. A kezdeti szakaszban azonban olyan nagy elektronsűrűség léphet fel, hogy az ultrarövid hullámok az ionizált csatornától visszaverődnek. Minél nagyobb méretű a rohanó meteorit, annál nagyobb és hosszabb élettartamú az általa létrehozott ionizált csatorna. Összeköttetéseket a meteor-nyomvonalaktól visszavert hullámokkal a kanadai Janet-eljárás szerint gyakorlatilag is létesítenek. Ezen kívül a 2 m-es sávban dolgozó amatőrök is kiterjedten használják. Általában nem az első csoporthoz tartozó, szórványosan fellépő meteoritok, hanem a periodikusan jelentkező meteoritrajok nyomvonalait hasznosítják rádióösszeköttetésekhez. Minthogy az utóbbiak pályája és sebessége többnyire ismeretes, a Föld és a meteoritraj találkozásának időpontja kielégítő pontossággal előre számítható.

Az ultrarövid hullámok reflexiója a Hold és a mesterséges holdak felszínéről. Az ultrarövid hullámú átviteltechnika a Föld-Hold-Föld (EME) útvonalon át azon a felismerésen alapszik, hogy az ultrarövid hullámok az ionoszféra rétegeken áthatolva a világűrbe jutnak ki. Már 1946-ban sikerült venni holdfelszínről visszaverődött impulzusokat. (megjegyzés: Eredetileg 1944 márciusában Bay Zoltán, az akkori Műegyetem Atomfizikai Intézetének igazgatója vetette fel a gondolatot, hogy a Holdat visszaverő felületként alkalmazva rádióhullámok, visszaverődését lehetne észlelni. A háborús események miatt a már megépített berendezés megsemmisült. A munkát 1945.év második felében ismét megkezdték. A kísérlet 1946 február első napjaiban eredménnyel végződött. A kiséletet az Egyesült Izzó kutató-laboratóriumában végezték el. A vonatkozó leírás és fényképek a Rádióévkönyv 1947-es kötetében [Hungária kiadás] találhatók).

 Az első holdreflexiós kétirányú amatőr összeköttetést 1960. július 21-én létesítette a W6HB (San Carlos, Kalifornia) és W1BU (Medfield, Massachussetts) állomás az 1296 MHz-es sávban. Mindkét állomás kimeneti teljesítménye 400W volt és parabolaantennákat használtak. A két állomás légvonalban 4320 km-re volt egymástól, azonban a ténylegesen áthidalt távolság 768 000 km-t tett ki. Az első sikeres kísérletet 1964-ben továbbiak követték a 2 m-es és 70 cm-es amatőrsávban. Ezek során a holdreflexió segítségével Európa és Amerika között is létesült kétirányú összeköttetés.

A Föld-Hold-Föld útvonal használata rendkívüli technikai felkészültséget tesz szükségessé. Az egységes üzemszerű összeköttetésekhez a közel 5 másodperces jelátfutási idő is túl sok lehet, ez azonban amatőr vonatkozásban nem jelent hátrányt. Különleges perspektívát jelentenek az ultrarövid hullámú átviteltechnikában a műholdak, amelyeket előre számított Föld körüli pályára juttatnak. A tudományos célokat szolgáló különféle mesterséges holdak mellett az Egyesült Államokban amatőr célú mesterséges holdat is fellőttek (OSCAR). Az interkontinentális tv-átvitel céljaira szolgálnak a MOLNYIJA, TELSTAR, SYNCOM stb. mesterséges híradástechnikai holdak. A passzív híradástechnikai mesterséges holdak lényegében nagyméretű ballonok, amelyeknek felszíne vékony fémréteggel van borítva. (Pl. az ECHO ballon.) Ennek következtében a rádió- és fényhullámokat igen jó hatásfokkal képesek reflektálni. Az aktív híradástechnikai holdak ezzel szemben komplett vevő- és adóberendezésekkel vannak felszerelve: a Földről érkező jeleket egy másik frekvencián ismét lesugározzák, relézik. Az aktív mesterséges holdak elektronikus adattárolót is vihetnek magukkal, amelynek segítségével a vett és tárolt jeleket később, pl. a földi parancsra ismét lesugározzák.

 

Ólom akkumulátorok

By , 2012. December 26 19:27

Az ólom akkumulátorok kereskedelmi forgalmazása több, mint 100 éves múltra tekint vissza. Ugyanaz a kémiai reakció játszódik le napjainkban is, mint amikor a francia felfedezője Gaston Planté megalkotta 1859-ben (jobbról balra – töltési folyamat) Áramgenerátorok megjelenésével olcsóbb elektromos energiához jutott az ipar, széles körben elkezdték alkalmazni a hidrolízis folyamatát fémek tisztításának céljából (porózus lamellák jelentősen javítják az akkumulátorok teljesítményét az első akkumulátorokhoz képest). Így az akkumulátorok gyártása és használata rentábilissá vált és széles körben elterjedt.

Töltött akkumulátor Anód: PbO_2 + SO_4^{2-} + 4 H^+ + 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 + 2 H_2OKatód: Pb + SO_4^{2-} - 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 Meritett akkumulátor

Töltés folyamán, ha már elfogyott az ólom-szulfát a lamellákon, víz hidrolízise következik be, melynek során oxigén és hidrogén képződik és elfogy a víz az akkumulátorból. Ezért rendszeresen ellenőrizni kell az elektrolit szintjét és a koncentrációját az ilyen akkumulátorokban (1,23g/cm3 – 65% víz és 35% sav). A vízveszteség pótlását csak az akkumulátor töltött állapotában szabad végezni magas tisztaságú ioncserélt, vagy desztillált vízzel (folyadéknak kb. 10mm vastagon kell fednie a lamellákat).

Belső szerkezete lamellás, vagyis elektrolittal átitatott szeparátorokkal elválasztott ólomdioxid (ólom-peroxid, anód, -) háló és szivacsos ólom (katód, +) váltja egymást. A gyakorlatban nem tiszta ólomból vannak a lemezek, hanem 1-2% antimont vagy más anyagokat is tartalmazhatnak mechanikus tulajdonságuk javítása céljából, és egyéb felhasználási igényektől függően. Gyártás során az anódot sárga-színű ólom-oxid pasztával töltik fel és “száraz cella” formájában tárolják. Az akkumulátor gyári töltését sósav segítségével végzik. Ilyenkor a sárga ólom-oxid sötétbarna ólomdioxiddá alakul. Ezután már csak le kell cserélni az elektrolitot és használatra kész.

lead-acid_battery

Az ólomsavas cellák energiatárolási képessége 60-100Wh/kg (133Wh/kg elméleti), teljesítménye 160W/kg. Töltött cella maximális feszültsége 2,17V, üzemi feszültség 2V, lemerült cella feszültsége 1,75V min., üzemi hőmérséklet -40 – 40°C (magas víztartalom miatt alacsony hőmérsékleten az akkumulátort magas töltöttségi szinten kell tartani). Önkisülési érteke a celláknak mindössze 3-4%/hó, így a teljesen feltöltött cellák tárolásuk során minimális gondozást igényelnek. Utántöltésüket elegendő nyolc-hónaponként elvégezni 2,35V feszültséggel 6-12 órán át. Hosszadalmas tárolás vagy magas áramokkal való gyakori kisütés esetén célszerű tornáztatni (kisütéssel és töltéssel) a cellákat névleges (1C) értékű árammal. GEL akkumuláturok újratöltéseinek száma

Akkumulátorok gyengülésének fő okai a lemezeken képződő ólom-szulfát kristályok (dielektrikum) melyek fizikailag csökkentik a reaktív felület nagyságát, és a lamellák korróziója, melynek során a lamellák összeomlanak, feloldódnak az elektrolitban. Összeomlott cellák könnyedén zárlatosak lehetnek vagy a lehulló lamella elemek, vagy az egyre vastagabb rétegben lerakódó ólom/ólomdioxid miatt. Ezért a legjobb eljárás ezen folyamatok ellen, ha mihamarabb újratöltjük az akkumulátort. Ólom-szulfát kikristályosodása már 12,4V (6 cellás akkumulátorra értendő) alatti feszültségnél elkezdődik. Egyes akkumulátortöltők képesek az ólom akkumulátorok kondicionálására. Ilyenkor több órán át nagy áramú, de időben rövid impulzusokat küldenek az akkumulátorba, ezzel eltávolítva a kristályokat a lamellák felületéről. Hőtermelődés miatt célszerű kihűlési szakaszokkal megszakítani a kondicionálást. Hiteles mérési eredmények érdekében, érdemes eltávolítani a lemezek felületi töltését, mely töltés vagy fokozott igénybevétel során alakul ki, és elektrolit koncentrációkülönbségből adódik a lemezek felülete mentén. Ehhez hagyjuk pihenni az akkumulátort 4-12 órán át, vagy járassuk meg egy kicsit (indítómotor használata 15mp-en át vagy fényszóró használata 5 percen át) és 10 percig hagyjuk pihenni.

Töltöttség Savsűrűség (kg/l) Akkufeszültség 6P (V) Fagyáspont (°C)
100% 1,265 12,7 -60
*75% 1,225 12,4 -48
50% 1,190 12,2 -36
25% 1,155 12,0 -26,7
Mélykisütött 1,120 11,9 -23,3

Starter vagy indító ólom akkumulátorok felépítése úgy van kifejlesztve, hogy rövid távon nagy áramot legyenek képesek leadni. Ehhez nagy reaktív felület szükséges, ezért a lamelláik vékonyak és porózusak. Gyenge pontjuk, hogy nehezen viselik a kisütést, ezért gyakori (2-3 hetente) utántöltést igényelnek, hogy ne sérüljenek az elektródák.

Mély kisütésű ciklikus ólom akkumulátorok azzal a céllal lettek kifejlesztve, hogy jól bírják a mély kisüléseket (akár névleges kapacitásuk 80% is képesek leadni) és vastagabb lamellákból épülnek. Olyan alkalmazásokban használják, ahol gyakori a lemerítés és a feltöltés, de viszonylag alacsony teljesítmény leadására van szükség (elektromos járművek, szünetmentes tápok).

Zárt biztonsági szelepes ólom akkumulátorok (VRLA – Valve Regulated Lead Acid) AGM rehidratációja két csoportra oszthatóak: AGM – melynél az elektrolit fel van itatva a lamellák közé helyezett szeparáló réteg anyagába (üvegszálpaplan), illetve GEL technológia esetében az elektrolit gél állagú. A zselés akkumulátorok kapocsfeszültsége 0,2V nagyobb a többihez képest. Mindkét esetben túltöltéskor képződő hidrogén és oxigén a cellán belül rekonbinálódik, a cella rehidratálódik, de szó sincs teljes karbantartás hiányáról, mi több, jobban oda kell figyelni a feszültségi határokra és a töltés áram szintjére, mert a zárt cellákba képződő gázok robbanást is okozhatnak. Ólom-szulfát kristályok zárt cellás akkumulátorokban is képződnek. Nagy előnyük, hogy az elektrolit nem “szabad” ezeknél az akkumulátoroknál, így bármilyen pozícióban felszerelhetők, tárolás során a sav és a víz nem frakcionálódik, és jól bírják a rázkódást is. Gyakran alkalmazzák őket áramforrásként mozgó és fő áramellátó hálózatoktól messze eső telephelyeken vagy tartalékrendszerekben.

AGM(Absorbed Glass Matt) felitatott üvegszálas konstrukció az akkumulátorlemezek között egy bór-szilikát párnát jelent, amely egyéb hasznos tulajdonsága mellett megakadályozza a lemezek közötti vagy alatti cellazárlatot is. Az AGM konstrukciók további előnye, hogy akkor sem szivárog ki belőlük elektrolit, ha az akkumulátor háza megsérül, széttörik. A legtöbb AGM akkumulátor rendelkezik az un. gázrekombinációs képességgel. A hagyományos akkukhoz képest ugyancsak növekszik a kisütés és az újratöltés hatásfoka. Felhasználása a nagy-teljesítményű indító akkumulátoroknál, ciklikus alkalmazásoknál (szünetmentes tápellátás) és napelemes rendszereknél jelentős. A jó minőségű AGM akkumulátorok akkor fogják élettartamuk maximumát nyújtani, ha azokat újratöltik, mielőtt a töltöttségi szintjük 50% alá esik. Ha ezeket az akkumulátorokat 100%-osan kisütjük, akkor az élettartamuk nem lesz több, mint 300 ciklus (300 feltöltés-kisütés). Odafigyeléssel átlagosan 1000 ciklust is elbírnak. Az AGM akkumulátorok töltőfeszültsége nem tér el a hagyományos savas akkumulátorokétól, ezért nem igényelnek speciális akkumulátortöltőt. Mivel ezeknek az akkuknak a belső ellenállása igen alacsony, ezért a töltésük alatt csak minimálisan melegednek. Az AGM akkumulátoroknak ugyancsak alacsony az önkisülése (havi 1-3%), ezért jobban bírják a töltés nélküli tárolást, mint a hagyományos társaik.

GEL – zselés akkumulátor belsőleg annyiban hasonlít az AGM akkumulátorokhoz, hogy az elektrolit itt is meg van kötve. Az AGM akkuban az elektrolit továbbra is folyékony kénsav, csak fel van itatva, míg a zselés akkuban szilika-gél segítségével az elektrolitot elzselésítik. A zselés akkumulátorok töltőfeszültsége kb. 5%-al alacsonyabb, mint a hagyományos savas vagy AGM akkumulátorok esetében (az akku kapacitásának kb. 5%-a). A zselés akkumulátor cella a legérzékenyebb valamennyi típus közül a túltöltésre, amely korai akkumulátor tönkremenetelhez vezet. További hátrány, hogy a zselés akkumulátor teljes feltöltési ideje hosszabb, mint egy hasonló kapacitású hagyományos akkumulátornak (mivel alacsonyabb a töltőfeszültség), a magasabb feszültségű töltés folyamán keletkező gázbuborékok pedig a zselében alacsonyabb akku kapacitást eredményeznek, megrövidítvén így annak élettartamát is. Zselés akkumulátorok igazi felhasználási területe, ahol az akkumulátor kisütése a 100%-os mértéket is eléri. Nem megfelelő akkumulátor töltő használata esetén az akkumulátor korai halála szinte elkerülhetetlen.

Az akkumulátorok szeretik, ha megfelelő karakterisztika szerint töltik fel őket, különösen mély kisütött állapotukból. Ezt az optimális töltési karakterisztikát 3 lépcsős töltési karakterisztikának nevezzük. Ezt a karakterisztikát csak speciális processzor-vezérelt akkumulátortöltők képesek nyújtani.

Az első lépcső a egyenáramú töltés (bulk charging), ahol az akkumulátor a kapacitásának kb. 80%-át visszanyeri maximális áram felvétel mellett (0,20-0,25C nagyságú árammal töltünk, vagyis 7Ah esetén ez 1,4A-t jelent). Amikor a töltés feszültsége eléri a 14,4V-ot, elkezdődik a második fázis, a kímélő töltés (absorption charge). Ilyenkor a töltőfeszültség állandó 14,4V-os értéken marad és a töltőáram folyamatosan csökken az akkumulátor belső ellenállásának növekedése miatt. Amikor az áram értéke eléri a 0,05C (~350-500mA) értéket, az akkumulátor töltöttsége 98% körül jár. Itt elkezdődik a harmadik lépcső, a csepptöltés (float charging), amely kb. 13,4V-os töltőfeszültséggel zajlik alacsony töltőárammal, kíméletesen töltve az akkumulátort. Ezzel az utolsó lépcsővel az akkumulátor töltöttsége eléri vagy megközelíti a 100%-os értéket. A csepptöltés ideje alatt az akkumulátor nem melegszik és a töltöttségi szintje közel 100%-os marad hosszú idejű pihenés alatt is. Megjegyezzük, hogy bizonyos zselés vagy AGM akkumulátorok ettől eltérő karakterisztikát igényelnek. Cséptöltés előtt egyes töltök kiegyenlítési vagy túltöltési eljárást alkalmaznak, melynek során megemelik a töltő feszültséget 15,5-16,25 V-ra, ezzel kiegyenlítve a cellák feszültségét, gézképződéssel megkavarva az elektrolitot, leválasztva a lamellák felületéről a szulfát kristályokat. Ennek a lépésnek a hasznosságáról eltérnek a vélemények és alkalmazását csak ritkán, félévente egyszer ajánlják!

Automata töltési profilok Pb/PbO2, PbCa/Ca és AGM akkumulátorokhoz.

PbO/Pb töltési profil PbCa/Ca töltési profil AGM töltési profil

Ha nem áll rendelkezésünkre automata töltő, akkor egy szabályozható tápegység segítségével is fel tudjuk tölteni az akkumulátorunkat ügyelve a következő töltési értékeket:

Akkumulátor típus Töltés (V) Cseptöltés (V) Kiegyenlítés (V)
Elárasztott 14.4 13.2 15.1
Elárasztott karbantartás mentes 14.8 13.4 15.5
AGM 14.4 13.6 15.5
GEL 14.1 13.2 N/A
Mély kisütésű 14.5 13.2 15.8

Mivel a vegyi folyamatok hőmérséklet függőek, némi feszültségkompenzációra lehet szükség, ha a töltési hőmérséklet eltér a normálistól (25°C). A kompenzálás mértéke 2,8-3,3 mV/°C tartományon belül szokott lenni. Ez annyit jelent, hogy például -1,1 °C esetén egy elárasztott akkumulátor töltéséhez 15,2 V feszültség szükséges. Ezt akkor is figyelembe kell venni, ha tárolás során cséptöltéssel kondicionáljuk az akkumulátorokat. Hőkompenzált feszültségértékek

Felmerül még az a kérdés is, hogy mennyi ideig töltsük az akkumulátort? Töltés során sajnos számolni kell energiavesztességre, mely hővé fog alakulni a vezetékeken, érintkezőkön, csatlakozókon. Egy 10%-ban lemerült akkumulátor esetén a töltési idő hozzávetőlegesen egyenlő a visszatöltendő energia ás töltőáram 90%-ának hányadosával. Vagyis egy 40Ah akkumulátor esetén 2A töltőáram esetén (40Ah x 10%)/(2A x 90%)>2h. A teljesen kisütött akkumulátorok hozzávetőleges töltési ideje duplája lesz az akkumulátor névleges teljesítményének és töltési áram hányadosának. Előző példa alapján 2 x 40Ah / 2A ~40h. Ne hagyjuk őrizetlenül az akkumulátort, ha szabályozható tápegységgel vagy manuális töltővel töltjük, hogy ne töltődjön túl az akkumulátor. Kerüljük a gyors-töltők használatát öreg szulfátosodott vagy kisütött akkumulátorok esetén. Ezeket az akkumulátorokat csak kis árammal lehet tölteni. Nagyon fontos, hogy töltésnél során az akkumulátornak nem szabad bugyognia, sem magas hőmérséklet, sem gázképződés miatt!

Az akkumulátorok élettartalma 90%-ban a felhasználó odafigyelésén múlik. Ezért tartsuk az akkumulátort tisztán, szennyezőanyagmentesen, különösen a kapcsoknál, mert a szennyező anyagok vezetőként viselkednek, és megnövelik az akkumulátor önkisülését. Töltés vagy üzemeltetés során ne mozgassuk a csatlakoztatott kábeleket, mert a keletkező szikra esetleg belobbanthatja a felgyülemlett hidrogént. Nyitott akkumulátoroknál érdemes kiegyenlítő töltést végezni cellánként, ha az elektrolit sűrűsége 0.05 egységnyi eltérést mutat. Cellák nyitása és karbantartásakor használjunk gumikesztyűt, szemüveget és köpenyt. Természetesen zárt celláknál nincs szükség ilyen jellegű beavatkozásra. Biztonsági használati előírások szigorúan azt is ajánlják, hogy legyen valaki a közelben, ha nagy ampert leadni képes akkumulátorokkal dolgozunk, legyen előkészítve sok víz és szappan, arra az esetre, ha a sav bőrünkre, ruházatunkra kerülne. Sütőszódával tudjuk semlegesíteni a kiömlött akkumulátor folyadékot, és természetesen ne okozzunk rövidzárlatot, mert az a fémelemek olvadását, akkumulátor robbanását is okozhatja, ezért a fémékszerek levétele szintén ajánlott.

Szervók működése

By , 2012. December 8 19:26

Szervók

Felépítésében viszonylag egyszerű szerkezet, mely egy nyáklapból, rajta vezérlő elektronikával, egy egyenáramú motorból, fogaskerekekből áll, melyek egy csinos kis dobozba vannak zárva. Az erőátviteli lánc utolsó fogaskerekének a tengelye ki van vezetve a dobozból. Erre kerül majd csatlakoztatásra a szervókar és arra a tolórudak. Ugyanennek a fogaskeréknek az alsó része pedig egy potméterhez van erősítve, hogy visszajelzést tudjon adni a vezérlő elektronikának (egy korábbi jegyzet: Motor- és hajtásvezérlés alapelve). A fogaskerekek anyagukban eltérnek tervezett terhelések függvényeben. Leggyakrabban poliamid vagy egyéb műanyag-fogaskerekű szervókkal találkozunk, de készülhetnek fémből, karbonból és az extrém terheléseknek kitett szervók akár titánból is. Nagyobb terhelésre szánt szervók utolsó fogaskerekét egy vagy két csapággyal is alá szokták támasztani.

Szervó felépítése

Táplálás illetve parancstovábbítás céljából 3 vezeték van kivezetve a szervóból: test, táp és bemeneti jel. Sajnos a vezetékek színezése, sorrendje és csatlakozója gyártóként változhat. Modellezésben alkalmazott szervók táplálása általában 4,8-7,2V feszültséggel folyik. Fontos megjegyezni, hogy minél magasabb a feszültség, annál nagyobb nyomatékot fejt ki a szervó, de ezzel csökken az élettartalma is – érdemes a gyártó által ajánlott értékeken belül üzemeltetni. A harmadik vezeték jeltovábbítás céljából lett kivezetve és általában 5V feszültségű PWM jelekkel közöljük a szervóval, mekkora szögben térítse ki az a kart.

Pulse Width Modulation – impulzusszélesség vezérlés

Szervó PPMImpulzusszélesség vezérlés magáról beszél: az információtovábbítást egy jel szélességének változtatásával érjük el. A modellezésben használt szervomotorok vezérlése 50 herzes, vagyis 20ms hosszúságú keretben zárt jelekkel vezéreljük. A keretben levő 1500 μs (1,5ms) hosszúságú jel középállásba kényszeríti a szervó karját. A gyártók eltérő mozgásterű szervókat gyártanak. Leggyakrabban használtak -60 és 60° között mozognak, és általában 1000-2000 μs jelszélességet igényelnek. Vannak nagyobb mozgásterű szervók is, így például futóműmozgató szervók általában 180° azaz ±90°-ra képesek elfordulni a középállástól számítva. Ezeknél vagy a visszajelzést biztosító potmétert, vagy az alkalmazható jelszélesség tartományát szélesítik, így a vezérjel 650 és 2350 μs hosszú lehet. Robotikában előfordulnak 360°-os vagy korlátozás nélküli szervók is, melyeknél a pozíciómegha-tározására enkodert használnak.

Az analóg módon működő szervók számára nem elegendő egyszer kiadni az impulzust, mert lehet, hogy a szervókar még nem éri el a végső pozícióját. Azonkívül a jel nélkül a feszültségátalakító nem táplálja a motort, így nem keletkezik nyomaték a karon, “ernyed” a szervó. Digitális szervók esetében egy jel kiküldése elegendő, mert a beépített mikrokontroll gondoskodik a végső pozíció eléréséről, utána, jel hiányában azonban a digitális szervó is “ernyed”. A digitális szervót ezenkívül eltérő válaszreakcióra is programozhatjuk, amivel optimalizálhatjuk bizonyos feladatokhoz. Vezérfrekvencia terén a szervók elég rugalmasak. Analóg verziók 30-60 Hz-en, digitális példányokat pedig akár 300 Hz-en is vezérelhetjük. Ha kissé terheljük egy analóg szervó karját, halhatjuk a “cicergést”, mely a jelmentes és aktív szakok váltakozásából adódik.

A szervók elektronikája úgy van kialakítva, hogy meg tudja határozni, a vezérjelnek megfelelő pozícióban tartózkodik-e a kar, és ha nem, akkor melyik irányba kell elmozdulnia. A PWM jel feldolgozása során a feszültségkonvertáló egység a jel alapján egy adott feszültséget állít elő. A szervóra jellemző maximális jel esetén a generált feszültség eléri a tápfeszültség értékét – ez a referencia feszültség. A szervókar tengelyére kötött potméter a kar elfordulása során nulla és tápfeszültség közötti értéket add vissza és ezáltal a egy belső monostabil oszcillátor impulzusszélességét szabályozza. Ha a bemenő jel pozitív (és általában azt alkalmazzák), akkor a monostabil jele negatív. A két jel egy komparator fokozatba kerül és a szélesebb jel különbsége kerül a kimenetre, tehát lehet + vagy – jel a komparator kimeneten meghatározva a végfok hídjának a vezérlését, tehát a motor forgási irányát. Mihelyt a két jel szélessége azonos, a komparatoron megszűnik a jel és a motor nem kap feszültséget. ServoTester

Ha valaki szeretne egy kis tesztert készíteni a szervóihoz, baloldalt megtalálható egy multivibrátor alapú séma. Három ellenállás szabadon cserélhető benne, és ezáltal a kimeneti jel változik. R3 – ellenállás megadja a keret méretét, 470KΩ ellenállás 35Hz oszcillálást okoz. Az R1 és R2 ellenállások megadják a minimális és a maximális pozitív jel hosszúságát. Ajánlott értékek: R1=6,9KΩ (650 μs), R2=33KΩ (2500 μs). Egy 100KΩ potméter segítségével tudjuk változtatni a pozitív jel szélességét az R1 és R2 által behatárolt tartományon belül. Szervó csatlakoztatásánál ügyeljünk a polaritásra, mert az áramkör nem védett! Szerencsére a modern szervók többségénél a pozitív tápkábel a csatlakozó közepén található így téve a csatlakozást biztonságosabba. Futaba J-típusú csatlakozókon Szervó csatlakozók kis tüske található, mely szintén megakadályozza a helytelen csatlakoztatást. Általánosságban elmondható az alkalmazott színekről, hogy a FEKETE és a BARNA a test vagy a föld, kinek hogy tetszik jobban, a PIROS a pozitív tápcsatlakozó, a KÉK, FEHÉR, SÁRGA pedig a vezérjel.

RC távirányítás eszközei

By , 2012. December 6 22:52

Technika fejlődésével együtt változik a repülő modellek világa is. Míg eleinte motor nélküli, később motorral ellátott szabadon repülő modellek szálltak a levegőben, későbbiekben zsinórral, huzallal irányították a modell magassági kormányát. Rá pár évvel később megjelentek az elektronikus analóg rádiók. És ahogy elérhető lett a digitális technika, az is kezdett beszivárogni a modellezés világában, utat nyitva a ma oly népszerű proporcinális rádió távirányítóknak. Lényegében, ha megnézzük a FAI modellkategóriákat, azonnal megtaláljuk ezen fejlődésnek a nyomát: F1 – szabadon-repülő, F2 – körrepülő, F3 – távirányítású modellek. Amilyen tempóval fejlődnek egyes modellezési ágak, nem tartom kizártnak, hogy hamarosan a FAI rendszerében megjelenne az UAV, az FPV és ki tudja még milyen automata és félautomata modell versenykategóriák.

Rádiótávirányítás történetéből

Teszla RC hajója Nem kell olyan messzire mennünk a múltba, hogy a távirányítás első gondolatát felkutassuk. Maga a gondolat és a megvalósítása nagyjából egyidős a telegráf hírtovábbító rendszerrel és a morze kód feltalálásával (1835). Gyakorlatban Nikola Tesla mutatta be elsőként nagy közönségnek az első távirányítású hajót New-York-i Madison Square Garden sportcsarnokban 1898-ban. Távirányítás körüli munkásságát Philadelphiai Franklin Intézetben tartott előadásával kezdődött 1893 tavaszán. Tesla ekkor foglalta össze a rádiótávközlés alapjait. 1895-ben St. Louis-ban megtartotta az első nyilvános bemutatóját távközlésből és 1896-ban már 48 km távolság sem jelentet akadályt. Azonban több évre volt szüksége a megfelelő alkotóelemek finomításához, melyek kellő stabilitást és távolságot tudtak biztosítani egy időben. Az első “RC merülő hajó” ki-be kapcsolható hajócsavar-motorral, oldal- és merülési kormánnyal volt szerelve. Mai szemmel szerény de akkori felszereltséggel igen nehezen kivitelezhető volt. Első  progamelektronika Erre a célra Tesla feltalált egy újfajta kohérer (a rádió-aktivált kapcsoló), lényegében egy tartály fém-oxid porral. A por elektromágneses mező jelenlétében úgy orientálódott, hogy megnőtt a vezetőképessége. Ha a tartályt átfordult, a por visszanyerte véletlenszerű, nemvezető állapotát. Tesla megoldotta azt is, hogy bizonyos dolgok egyszerre következzenek be egy “programozott” fogaskerekek, karok és motorok rendszere segítségével. Így a kohérer átfordulása után egy következő együttállást lehetett előhívni. Mark Twain, korán felismerte a találmány negatív oldalát is, hogy hamarosan a távirányítást harcaszati céllal is elkezdik használni. Már az 1930 években a szovjet oldalon megjelentek a “teletankok”, Angliában pedig a “Queen Bee” és a “Queen Wasp” rádió távirányítású repülők.

Első rádió-távirányítású modellek

Első RC modellekkel valamikor 1950. évek elején kezdtek el foglalkozni a modellezők. Első távirányítók rádióamatőr körökből indultak el, és eleinte saját építésű, megbízhatatlan és nehéz hangfrekvenciás LC oszcillátorok voltak. A kapcsolók, botok különböző értékű kondenzátorokat kapcsolását végezték a rezgőkörbe. Így a rádió eltérő frekvenciájú jelek kibocsátására volt alkalmas. A vevő egység pedig fogadta a jeleket és megfelelő szűrők segítségével a jelek megfelelő áramköri ágba voltak terelve.  Későbbiekben elindult egyes komponensek sorozatgyártása, megjelentek a földi adó és vevő egységek a gyártók kínálatában. Ezek a korai rendszerek változatlanul szuper-regeneratív áramkörökkel működtek, amelyek zavarták egymást, ha egy adott távolságon belül volt a két jeladó. Érdekesség-képpen érdemes megemlíteni, hogy az adók az elején miniatűr rádiócsövekkel működtek és táplálásukhoz egy 1,5V és egy 90V feszültségű forrást igényeltek.

Ahogy fejlődött a technika, egyre kisebb, egyre könnyebb lett a felszerelés, megjelentek a többcsatornás rendszerek, elkezdték használni az oszcillálást stabilizáló frekvencia-kvarckavicsokat. Tranzisztorok megjelenésével az RC világába beköszöntek a szuper-heterodin rádiórendszerek. Ezzel jelentősen lecsökkent a szomszédos rádiók egymásra gyakorolt hatása.

Manapság ha új távirányítót szeretne venni az ember igen sok dolgot kell odafigyelni: ár, funkciók, ergonómia, stb. Ami viszont a legfontosabb, hogy a kornak megfelelő megbízható rendszert használjunk, ami zökkenőmentesebbé teszi a kedvenc időtöltésünket. De legyen bármilyen is a rádió, elektromos jelet mechanikus elmozdulássá kell alakítani, ezért a távirányítással kapcsolatos témát az információs lánc végéről kezdeném.

Szervó

Felépítésében viszonylag egyszerű szerkezet, mely egy nyáklapból, rajta vezérlő elektronikával, egy egyenáramú motorból, fogaskerekekből áll, melyek egy csinos kis dobozba vannak zárva. Az erőátviteli lánc utolsó fogaskerekének a tengelye ki van vezetve a dobozból. Erre kerül majd csatlakoztatásra szervókar és arra tolórudak. Ugyanennek a fogaskeréknek az alsó része pedig egy potméterhez van erősítve, hogy visszajelzést tudjon adni a vezérlő elektronikának (egy korábbi jegyzet: Motor- és hajtásvezérlés alapelve). A fogaskerekek anyagukban eltérnek tervezett terhelések függvényeben. Leggyakrabban poliamid vagy egyéb műanyag-fogaskerekű szervákkal találkozunk, de készülhetnek fémből, karbonból és az extrém terheléseknek kitett szervók akár titánból is. Nagyobb terhelésre szánt szervók utolsó fogaskerekét egy vagy két csapággyal is alá szokták támasztani.

Szervó felépítése

Táplálás illetve parancstovábbítás céljából 3 vezeték van kivezetve a szervóból: test, táp és vezérjeljel. Sajnos a vezetékek színezése, sorrendje és csatlakozója gyártóként változhat. Modellezésben alkalmazott szervók táplálása általában 4,8-7,2V feszültséggel folyik. Szervó csatlakozók Fontos megjegyezni, hogy minél magasabb a feszültség, annál nagyobb nyomatékot fejt ki a szervó, de ezzel csökken az élettartalma is, – érdemes a gyártó által ajánlott értékeken belül üzemeltetni. A harmadik vezeték jeltovábbítás céljából lett kivezetve és általában 5V feszültségű PWM jelekkel közöljük a szervóval, mekkora szögben térítse ki az a kart.

Pulse Width Modulation – impulzusszélesség szervó vezérlés

Szervó PPMImpulzusszélesség vezérlés magáról beszél: az információtovábbítást egy jel szélességének változtatásával érjük el. A modellezésben használt szervomotorok vezérlése 50 herzes, vagyis 20ms hosszúságú keretben zárt jelekkel vezéreljük. A keretben levő 1500 μs (1,5ms) hosszúságú jel középállásba kényszeríti a szervó karját. A gyártók eltérő mozgásterű szervót gyártanak. Leggyakrabban használtak -60 és 60° között mozognak, és általában 1000-2000 μs jelszélességet igényelnek. Vannak nagyobb mozgásterű szervók is, így például futóműmozgató szervók általában 180° azaz ±90°-ra képesek elfordulni a középállástól számítva. Ezeknél vagy a visszajelzést biztosító potmétert, vagy az alkalmazható jelszélességet tartományát szélesítik, így a vezérjel 650 és 2350 μs hosszú lehet. Robotikában előfordulnak 360°-os vagy korlátozás nélküli szervók is, melyeknél pozíciómeghatározására enkodert használnak.

Az analóg módon működő szervók számára nem elegendő egyszer kiadni az impulzust, mert lehet, hogy szervókar még nem éri el a végső pozícióját. Azonkívül a jel nélkül a feszültségátalakító nem táplálja a motort, így nem keletkezik nyomaték a karon, “ernyed” a szervó. Digitális szervók esetében egy jel kiküldése elegendő, mert a beépített mikrokontroll gondoskodik a végső pozíció eléréséről, utána, jel hiányában azonban a digitális szervó is “ernyed”. A digitális szervót ezenkívül eltérő válaszreakcióra is programozhatjuk, amivel optimalizálhatjuk bizonyos feladatokhoz. Vezérfrekvencia terén a szervók elég rugalmasak. Analóg verziók 30-60 Hz-en, digitális példányokat pedig akár 300 Hz-en is vezérelhetjük. Ha kissé terheljük egy analóg szervó karját, halhatjuk a “cicergést”, mely a jelmentes és aktív szakok váltakozásából adódik. A szervók elektronika úgy van kialakítva, hogy meg tudja határozni, a vezérjelnek megfelelő pozícióban tartózkodik-e a kar, és ha nem, akkor melyik irányba kell elmozdulnia. A szervókar tengelyére kötött potméter a kar elfordulásáról nyújt visszajelzést az elektronika felé. Az elektronika pedig gondoskodik a motor megfelelő irányú elmosdatásáról, ha az nincs a beérkező jel szerinti helyen. Korábban a gyártók készítettek jobb és bal elfordulású szervókat arra az esetre, ha a távirányító pozitív kar elmozdulásra a szervó nem a szükséges irányba térne ki. Ezeket a szervókat általában eltérő színű matricával jelölték. Komputeres távirányítók megjelenésével ez az igény megszűnt, mert az irányváltást már a rádión el tudjuk végezni.

Vevő egység

RC vevők a méretükhöz képest igen fontos és feladatai közé tartozik a távirányító jelének detektálása, zajmentesítése, jelerősítése és dekódolása. Jel azonosítása tűnhet a legegyszerűbbnek, de ha jobban belegondolunk, a levegőben számtalan eltérő frekvenciájú és erősségű jelek hasítják az étert. Ebben a rengetegben megbízhatóan és egyértelműen megtalálni azt a jelet, ami a társ távirányítóból származik nem egyszerű feladat, ráadásul előfordulhat, hogy a szomszédban erősebb rádió is ad, vagy valaki más is használja az általunk frekvenciát. Ezért a gyártók féltve őrzik megoldásaik részleteit. A mai adóegységek teljesítménye törvényileg van szabályozva és nem haladhatja meg a 100mW-ot. Azonban közel hasonló elektronikai kialakítás mellett a vevőegységek teljesítménye jelentősen eltérhet. Magasan integrált mikrosémáknak köszönhetően ez a nagy “tudás” elfér egy 3-10 grammos egységben.

Ha egyszer a jelet megtalálta a vevő egység, a jel zajmentesítése után fel van erősítve a dekóder bemeneti jel szintjére. A dekóder feladata azonosítani a jelsorozat részeit, megtalálni a szinkron jelet (általában a leghosszabb jel a sorozatban) és szétosztani az egyes csatornák jeleit a megfelelő csatlakozókra, melyekre szervók, fordulatszabályzók, kapcsolók vagy egyéb elektronika lehet kötve. Általában az 1. csatornán a magassági, 2. – csűrő, 3. -tolóerő/féklap, 4. – oldalkormány és stb. A csatornainformációkat a távirányító rendszeresen frissíti, legalább 50 alkalommal másodpercenként. A csatornakiosztás változhat gyártóként, de lehet szabadon állítható is.

Vevőegységhez tartozik meg egy rugalmas antenna is. Gigahertzes vivőhullám esetén az antenna hossza centiméterben mérhető (2,4GHz – 12cm, 5,8GHz – 5cm). Megahertzes hullámok esetén a hullám hosszát méterekben mérik (75MHz – 4m, 50MHz – 6m, 35MHz – 8,5m), ezért a modellekhez ¼ hullámhosszal megegyező hosszúságú antennát használnak vagy elektromosan hosszabbítják. Mivel hangolt antennáról van szó, se rövidíteni, se hosszabbítani, sem feltekerni nem ajánlott. Módosítások hatása komoly mérőműszerek nélkül nem határozható meg, de valószínű, hogy a hatékonyság, és ezzel a hótótáv is csökken. Antenna vezetésénél tartsuk távol fém és szénszálas szerkezeti elemektől, elektromos motoroktól (pl. szervó) és egyéb elektromos zaj forrásaitól. Jó megoldásnak minősül, ha a vevő egység közelében kivezetjük a gép törzséből és a törzs külső felülete mentés vezetjük, vagy kifeszítjük a pilótafülke és függőleges stabilizátor között.

Az RC távirányítás fejlődése során több kommunikáció szabvány is látott világot. Ezekből számos egyidejűleg létezik és szolgálja a modellezni vágyókat. Ezekből csak két irányzatot szeretnék kiragadni és röviden bemutatni. Az egyik az a kristállyal beállított szuper-heterodin rádiók. Fő tulajdonságuk, hogy egy bizonyos frekvenciatartományra gyártott, pontosabban beállított adó és vevő páros pontos hangolását egy kvarc kristály segítségével végzik. Minden modellezésre kijelölt tartomány csatornákra van osztva. A csatornák számozva vannak ezért a kristályokon fel van tüntetve a csatornaszám, a rezgési frekvencia, és az is, hogy egy adó (TX), vagy vevő (RX) egység számára gyártott kristályról van szó (technológiából kifolyólag az adó és a vevő kristályai eltérnek, így nem cserélhetők fel). A kristály belső felépítése miatt igen érzékeny az ütésre és a vibrációra – könnyedén sérül a belső szerkezete. Ezért célszerű fokozatos figyelmet szentelni a vevő egység mechanikus behatások szembeni védelmére. Mivel egyszerre csak csak egy páros lehetett egy csatornán belül, így a csatornaegyeztetés és a csatornakiosztás egyik főfeladat volt repítés kezdete előtt. Szintézeres rádiók megjelenésével megszűnt kristályok kezeléséből adódó nehézség, hiszen kis csavarhúzóval pillanatok alatt be lehetett állítani a használt  frekvenciatartomány kívánt csatornáját, természetesen csak egyeztetés után. Korlátozott csatornaszám miatt népes rendezvények esetében szigorúan követni kellett az utasításokat és a házirendet, hogy két azonos csatornán működtetett rádió ne szóljon, és ne hallgasson.

Igazi megváltást a 2.4 GHz tartományban működő frekvenciaváltós rádiók hozták. Ezek esetében a rádió adót és vevőt “be kell mutatni egymásnak”. Ezt a folyamatot bindelésnek nevezik. Ismerkedés után a vevő egység csak a saját adója adatcsomagjait fogadja el. Ezen típusú rendszerek másik előnye, hogy üzemeltetés során egyedül megkeresi a legkevésbé zajos csatornát és azon kommunikál a vevővel. Kristály hiánya miatt kicsi és nem érzékeny a vibrációra. Ezen technológia számos lehetőséget nyújt és ezért több szabvány is jelent meg. Részletesebben ezekről majd egy külön jegyzetben.

Legyen szó autó, repülő, helikopter vagy egyéb modelltípusról, a távirányítás és bizonyos szabályzás elektromos megoldásait preferáljuk, kedvezőbb méretük, hatékonyságuk és súlyuk miatt, pár szót szükségeltetik ejteni az áramellátás lehetőségeiről.

Rádió adó egység, vagy ahogy szoktuk becézni, a távirányító fő feladata a karok, kapcsolók állapotát rendszeresen felmérje, elemezze ezeket és ennek megfelelően állítson elő egy olyan jelet (PPM avagy PCM) mely megfelelően modulálva átküldhető a repülő szerkezetünkre.

Elektromos áram forrásai

Pb – ólom-savas akkumulátorok nagy múltra tekintenek vissza: felfedezésüket 1859-re datálják. Ugyanebben az évben felfedezték a széncink elemeket és a NiCd akkumulátorokat, de mivel olcsó és egyszerű volt az előállításuk, alacsony energiasűrűségük ellenére (40-50Wh/kg) még mindig használják őket széles körben. Töltésük egyszerű, feszültségkorlatos, tárolásukat teljesen feltöltött állapotban végezzük éves tornáztatással (lemerít-feltölt) vagy cséptöltés mellett, néha töltött száraz állapotban. Alacsony energiasűrűségük miatt a modellezésben földi állomások és berendezések energiaellátására használhatók. Nehézfémtartalmuk miatt elhasznált elemeket elhelyezése csak erre szakosodott gyűjtőhelyeken engedélyezett!
Alkáli elemek
– egyszer használatos 1,5V feszültségű elem. Általában kis teljesítményű RC játékokban használják. Üzemeltetés során nem alkalmasak hirtelen nagy ampereket leadni – maximumuk 0,2C környékén van,– energiatárolásuk viszonylag magas: 3-4000mAh. Eldobhatóságuk miatt drága megoldásnak minősül mind környezetvédelmi, mind anyagi szempontból.
NiCd – nikkel-kadmium (nikad-nak szokták ejteni) újratölthető elemek, melyekkel kiválthatjuk az alkáli elemeket (AAA, AA, C, D). Ugyan a NiCd cellák csak 1,2V előállítására képesek, azonban több-százszor tölthetőek, akar névleges kapacitásuk hússzorosát is képesek leadni (20C)  és olcsók. Hátrányuk a töltés memória és viszonylag nagy önkisütési ráta, hosszabb tárolás után célszerű újraformázni. Töltés előtt ajánlott az akkumulátort kisütni (lemeríteni 0,5V alá). Töltésük során a következő áramértékek betartása maximalizálják a NiCd cella élettartalmát: töltés 0,1-0,2C -vel, a töltés utáni csepptöltés 0,05C. Jó választás lehet RC autók és hajók motorjainak, illetve repülők vevőegységeinek táplálása számára. Elhasznált/régi elemek háztartási hulladékgyűjtőbe dobni tilos!
NiMH – nikkel-metál-hidrid elemek tulajdonságuk jobbak, mint NiCd elemeké: könnyebbek, tovább tartják a töltésüket, de elődjeiket nagyobb csúcsáram jellemzi(15A vagy 8C fölött inkább NiCd akkumulátort használjunk). Sanyo Eneloop és GP ReCyko+ különösen jó energiatárolási tulajdonságokkal bírnak. Használat során egy kis odafigyelést igényelnek, “mert nem szeretik” a teljes lemerítést. Sajnos nincs semmi ingyen, minél kisebb a belső ellenállása az akkumulátornak, annál nagy áramot képes leadni, annál többet kell foglalkozni vele tárolás során. Ez lényegében annyit jelent, hogy tárolásukat félig feltöltött állapotban kell végezni és kb. 2-3 hetente le kell meríteni őket nagy árammal 0,9V-ig, és újratölteni 50%-ra. Kisebb súlyuk miatt alkalmazhatóak repülőgépmotorok táplálására, de legjobb alkalmazási területük az RC autók világa illetve készíthetünk vevő akkupakkokat (elérhetik a 100-110Wh/kg).
LiPo – lítium-polimer akkumulátorok nagy népszerűségnek örvendenek RC repülő- és helikopter-modellezők körében. LiPo cellák nagyon könnyűek a többi típushoz képest, akár 500 újratöltési ciklust is képesek elviselni, 3,7 V állítanak elő cellánként és rövid távon 100-200A leadására is képesek (75-100C, 3000W/kg). De figyelni kell a gyártó által előírt értékekre, mert nehezen viselik a túlterhelést és a túlmelegedést. Használat során a cellák feszültsége ne menjen 3,0V alá, egyéb esetben cellák épsége nem garantált, különösen, ha alacsony feszültségük tartós. Többcellás pakkok esetében használat előtt a cellák feszültségét azonos értékre állítsuk, a töltésüket pedig csak speciálisan kifejlesztett mikrokontroller-vezérelt balanszer töltővel végezzük (energiatárolásuk akár 300Wh/kg). Tárolás szempontjából igénytelenek, bár egyes források alacsony hőmérsékletet ajánlanak. Félévente érdemes ellenőrizni a feszültségüket és igény szerint feltölteni a cellákat 3,8V-ig. Korábbi cellák potenciális gyúlékonyságuk miatt lettek hírhettek, azonban a forgalomba található LiPo-k már stabilak, és odafigyeléssel sokáig szolgálnak bennünket. Röviden összefoglalva – mimóza lelkű óriások, – tartsuk őket szűk feszültségi tartományon belül (3,0-4,2V per cella).
LiIon
LiFe – lítium-ferrit-polimer ferrit akkumulátorok sokban hasonlítanak a LiPo társaihoz, azonban üzemi feszültségük alacsonyabb – 3,3V ezért a töltési maximum feszültségük is 3,6V! Névleges energiatárolási képességük 1700Wh/kg.
A123 – lítium-ion-fosfát akkumulátorok, melyek hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a LiFe akkumulátorok, azonban nehezebbek, nagyobbak de nagyobb árammal tölthetőek, ami drasztikusan lecsökkenti az akkumulátorok töltési idejét. Tárol energiasűrűségük nagyobb, elérheti a 240Wh/kg és az újabb fejlesztésű cellák akár 100C nagyságrendű áramot is képesek leadni rövid időn belül.

BEC – áramforrások elektronikus megoldása, mely magasabb feszültségű akkumulátorokra kötve előállítja a szükséges 5V feszültséget. Általában 3-5A folytonos áram leadására képesek, ami kielégíti a közepes méretű modellgépek igényeit.

FlySky 9x – módosítások

By , 2012. April 12 12:32

És végre itt a várva várt pillanat (na, nem a távirányító számára)! Felfegyverkezve csavarhúzóval, forrasztópákával, új tudással, egy kis türelemmel, meg csipetnyi szabadidővel elkezdjük a beavatkozást (ha eddig még nem forrasztottál smd-t nyákra, talán nem a legjobb pillanat elkezdeni, de ezt mindenki döntse el maga). Akkumulátor maradhat, hat csavar ki, fedlap leszed, 12-tűs csatlakozó dugó gondosan kihúz az alapi foglalatból, és elérhetővé vált a távirányító szíve, pontosabban agya minden létfontosságú szervvel. Na nem kell azonnal kiszedni, meg lobotómiát végezni rajta, csak egy kis bájpassz kerül bele. Ha már egyszer felnyitottuk a gép burkát, akkor több problémát is próbáljunk meg orvosolni.

MODE1-töl a MODE2-ig

Gyakran találkozhatunk a fórumokon azzal a kérdéssel, hogy miben tér el a Mode1 és a Mode2 kialakítású távirányító? A Mode1 olcsóbb, tényleg jobb a Mode2-nél? Lényegében semmivel sem jobb, vagyis alkatrész mennyiségében nem térnek el. A felépítés szimmetriájából adódóan csak pár apró alkatrész került át az egyik oldalról a másikra. Ezek általában kapcsolók, feszítő rugók, fékező lap meg pár csavar. Ezen alkatrészek 15 perc alatt a megfelelő oldalra könnyedén átrámolhatóak. Kell hozzá egy kis csavarhúzó, egy csipesz, meg egy csipetnyi türelem. A lépésekről majd a képek mesélnek:

mode1->mode2 00 mode1->mode2 01 mode1->mode2 02 mode1->mode2 03 mode1->mode2 04 mode1->mode2 05 mode1->mode2 05 mode1->mode2 06 mode1->mode2 06 mode1->mode2 08 mode1->mode2 09 mode1->mode2 10 mode1->mode2 11 mode1->mode2 12

A bal bot függőleges középre-húzó kar rögzítő tűjét húzzuk ki, akasszuk le a visszahúzó rugót. A jobboldali bot féklemezét tegyük át bal bot mechanikájára és állítsuk be a kívánt feszességet csavarok meghúzásával. Jobboldali botnál tegyük helyére a visszahúzó kar rögzítő tűjét, és akasszuk be a rugót a műanyag fülbe. A kar egyik végét tegyük a rugó fülébe, nyomjuk le a kart és szintbe hozva a rögzítő tűvel, toljuk bele a tűt. Ezután már csak a rugók feszességének beállítása maradt hátra.

Szimulátor PPM jel normalizálása

Ha V.2 távirányítónk van, akkor első lépésként érdemes szimulátorozással kapcsolatos javítást elvégezni. A probléma ugyanis az, hogy ha a frekvencia modult nem lehet levenni, akkor általában a helyén marad és szimulátor használata során sugároz – a szimulátor kábel nem von el annyi energiát, hogy az RF modul ne tudjon inicializálni. Ezért egy kis ellenállással megbolondítva az áramkört el lehet érni a megfelelő feszültségesést. Ehhez megkeressük a megfelelő pályát a frontális burokra (előlapra) rögzített nyáklapon (balról 6. tű a tűsoron) és vékonyan elvágjuk a réz vezető pályát (nem kell gödröt vájni). Egy kis felületen eltávolítjuk a lakkot, hogy forrasztható legyen. Ezután vagy SMD, vagy furat szerelt 1 kOhm nagyságú ellenállást forrasztunk a szakadás áthidalására. Személy szerint az SMD megoldás közelebb áll hozzám, mert tisztább, szebb eredményt ad.

t9x szimulátor mod t9x szimulátor mod t9x_smd_simulator_resistor

Fordított polaritás elleni védelem

És megint valaki fordítva dugta rá a rádióra az akkumulátor, és megint elektromos meghibásodás füstje terjeng a levegőben. Aki megtette, tudja, hogy a 2 másodperc hosszú idő. Sajnos, ezt a számos modellezőnek bosszúságot okozó problémát még mindig nem orvosolták a gyártók. A csatlakozó olyan formájú, amely ugyan előfordul az akkumulátorok világában, de általában a 7,4V LiPo akkumulátorok balanszer végen. És ha azt rádugjuk, azonnal kapunk egy rövidzárlatot, mert a rádió lábkiosztás: [— + —]. Ha pedig JST csatlakozót használunk, könnyű mellényúlni. Az elsődleges megoldás tehát: FIGYELJETEK ODA A POLARITÁSRA!

De ha van egy kis időtök, egy kis műszaki érzéketek, egy forrasztó páka meg egy multiméter, akkor ‘bolondbiztossá’ tehető a készülék. Az első módszer az az aszimmetrikus csatlakozó alkalmazása, mely csak egy bizonyos tájolásban dugható össze. Ez lehet akár egy JST vagy egy fülezett szervó csatlakozó páros.

És ha már megtörtént a baj és az áram az ellenkező irányba megindult. Akkor készüljünk fel arra, hogy akár NÉGY darab feszültségszabályzót és pár elektrolitikus kondenzátort is gajra vágtunk. Nem nagy tétel, de méricskélni, forrasztani kell. Előfordul, hogy akkora áram indul meg visszafelé, hogy felperzseli a nyák áramellátó pályáit.

Legelső alkatrész, mely valószínűleg elfüstöl ilyenkor, az egy tantál elektrolitikus kondenzátor (sárga vagy fekete pici kocka fehér csíkkal). Általában ez egy 226C vagyis 22uF 16V értékű alkatrész. Tartalék miatt használjunk azonos kapacitású de 25V feszültségre szánt alkatrészt ha rádiónk táplálására 3S vagyis 11.1V LiPo akkumulátort használunk.

dsc_2229

Firmware frissítés – elmélet

Aki elérte ezt az oldalt, az már titkon, néha még saját magától is rejtegetve, pátyolgatja a gondolatot, hogy egyszer azért belenyúl abba a fránya távirányítóba, hiszen annyi lehetőség rejlik benne. Sok magánfejlesztésnek köszönhetően új firmware-eket próbálhatunk ki a távirányítónkban, és eldönthetjük, melyik vala kényelmesebb, hasznosabb számunkra. Mivel a fejlesztések többsége open source licenc alatt fut, mi magunk is tehetünk hozzá, vagy éppen elvehetünk belőle, de ehhez kicsit többet kell tudni az eszközökről és a projektekről. Egyes firmware-ek hardver módosítást is igényelnek.

A FlySky 9x távirányító (bár több brand alatt is fut) kemény külseje alatt egy igen szorgalmas és szeretni való kis 8 bites mikroszámítógép ügyködik: egy Atmel ATmega64A. Dicsérhetném oldalakon át, hogy mennyire nagyszerű és strapabíró találmány, de ezt a kis könyvében úgyis jobban leírták az alkotói. Áldott tulajdonsága az önmagát írni való képessége, ráadásul ezt az áramkörbe beültetve is el tudja végezni (ISP). Majdnem elpusztíthatatlan és olcsó – ezen tulajdonságok teszik tökéletes alannyá a kreatív elmével megáldott modellezők számára.

Ahhoz, hogy a firmware-t a mikrokontrollerbe töltsük, össze kell kötnünk egy számítógéppel (ez lehet PC, Mac, vagy egy programozó eszköz). Ehhez 6 lábat kell megkeresnünk a mikrokontrolleren (zárójelben az ATmega64A kivezetés számai): SCK (11), MOSI (12 vagy 3 [Tx]), MISO (13 vagy 2 [Rx]), RESET (20), GND (63), VCC (64). Hogy a feszültséget és az időzítéseket megfelelő szinten tudjuk tartani, egy programozót is közbe lehe iktatni. Ilyenkor a számítógép valamilyen módon átadja a firmware bináris kódját a programozó eszköznek, és az gondosan ügyelve a megfelelő feszültségekre az időzítésekre adagolja a mikrokontrollernek. Munkánkhoz lényegében bármelyik AVR programozó eszköz megfelel, mely ismeri az ATmega64a mikrokontroller speciális igényeit, de ha ajánlhatom, legyen AVRdude kompatibilis. Sok AVR-piszkáló program ezt a kis parancssoros programot használja a háttérben és szintén open source:), – futtatható mind Windows mind Linux környezetben, támogatja a COM, az LPT és az USB portokra kötött programozó eszközök hadát, ráadásul, a támogatása is jó.

atavrisp

Talán a legegyszerűbb programozók a soros és párhuzamos portra köthető egységek: nem igényelnek speciális drivert, de oda kell figyelni a lábkiosztásra, és megbosszulhatják, ha hibázunk. USB ISP-k ugyan igényelnek drivert, de elláthatják árammal a programozandó eszközt.
párhuzamos port. Ha biztos a kezünk, elég lesz pár 220 Ohmos ellenállás. Ha rákeresünk a témára, ezerszámra jönnek a találatok. Egy példát én is bemásolok, de könnyű kiereszteni a portból a füstöt, ezért más megoldást javaslok.
soros portra köthető egység elkészítése sem igényel atomfizikusi diplomát. Részletes leírását a diy4fun oldalán találtam. Az eszköznek összköltsége nagyjából egy gombóc fagyi árával mérhető, és egy órányi munkánkba kerül. Ha sikerült összerakni, kell hozzá egy soros port a PC-n, vagy egy USB-RS-232 átalakító, egy program, – mondjuk PonyProg vagy AVRdude és hozzá AVRdude GUI. A program menüjében válasszuk ki a megfelelő eszközt: SI Prog API vagy ponyser és akkor már flesselhetünk is.
USB port. AVR Pocket Programmer (driver), USBTinyISP, mySmartUSB light és a modellezők körében igen népszerű: USBasp. Ráadásul nevetségesen olcsó. Végiggondoltam, hogy mennyi idő kell egy egyszerű programozó összerakásához, és végül rendeltem egy USBasp-t. Érdemes ezenkívül még megtekinteni még a WinAVR illetve az AVR Burn-O-MAT programokat. Hasznos társaink lehetnek a jövőben.

A következő módosításokat mindenki a saját felelősségére végezze, semmilyen garanciát nem vállalunk a módosításokért!
A távirányítóban elvégzett módosítások garanciavesztéssel járnak!

Aki átlép ezen a küszöbön, magára vessen :). Innen nincs visszaút, mert minek is mennénk vissza a sötét középkorba.
A programozó bekötéséhez célszerű csatlakozóra kivezetni a szükséges lábakat, és azt egy biztonságos helyen beépíteni a távirányító dobozába. Ehhez megkeressük az ISP-hez szükséges vezetékeket. A távirányító alaplapján, a mikrokontrollertől balra (felirata alapján), közelebb a távirányító talpához találunk ezüst pöttyöket: teszt vagy programozó padok (FlySky V.1.x alaplapján sajnos nem jó helyre kerül az egyik potty, így le kell majd kaparni a lakkot az egyik pálya kis szakaszán). Ezen lakkmentes területekre forrasszuk a vezetékeket, és egy csatlakozóba összefogva őket kivezetjük. Mivel a mikrokontroller két kommunikációs porttal is rendelkezik, így egyes esetekben lehetnek eltérések a bekötésben, de a következő az általános:

ATmega64 TQFP ATmega64 id_v2 ATmega64 SPI ISP-connector ISP-connector ISP-connector

Ezzel a készülékünk készen áll a szoftver frissítésre. De még mielőtt a firmware bugyraiba belevetnénk magunkat, és a távirányító is a boncasztalon van, nézzük meg, mit tehetünk még a távirányítónk jobbá tételéért.

FlySky 9x – lélektan

By , 2012. April 8 12:38

Számomra a távirányító legvonzóbb része a szoftver, és annak folyamatos szabad fejlesztése. Sokan készítenek videókat, írnak cikkeket a készülék használatáról, megoldásokról és trükkökről. A párhuzamos fejlesztések megtették a jótékony hatásukat és mára egy tucatnyi új firmware (elektronikai eszközt vezérlő mikroprogram) létezik, ráadásul ezeket mi magunk is módosíthatjuk, beírhatjuk az eszközbe. Ezzel a távirányítónk új tulajdonságokra, tudásra tesz szert, ezzel válik jobbá, kényelmesebbé, hasznosabbá számunkra (módosított menü, új mixek, telemetria, PPM csatornaszám, moduláció iránya, frame/keret hossz stb.). A kreatív modellezők nem csak firmware-t, hanem a hardver részét is átépítették. Egy ilyen alaplap sajnos többe kerül, mint egy komplett rádiószett. De nézzük előbb, mi rejtőzik a műanyag bőr alatt.

A készülék lelke egy Atmel ATmega64A 8 bites mikrokontroller, mely rendszeres időközönként leolvassa a potméterek (3+4), kapcsolók (7), trimerek (4) és gombok(6) állapotát/helyzetét, kiértékeli a mixfüggvényeket, előállítja a PPM jelet és kezeli a 128 x 64 pixeles molochrom LCD kijelzőt. A következő ábra a működési elvet mutatja be (távirányító beállítása nélkül):

FlySky kapcsolók

A rendszer kétféle bemenetet fogad:
1. analóg – potméterek, botkormányok – alapvetően feszültségváltozást idézünk elő mozgatásukkal, amit az analóg-digitális konverter egy bináris számmá átalakít (-512 és 511 érték között). Mivel minden potméter egy kicsit más, ezért a végállások meghatározásához kalibráció elvégzése szükséges (pl. szoftverfrissítés után).
2. digitális – kapcsolók, gombok – bináris értékű adatot szolgáltatnak: (On-Off, a háromállású kapcsoló két kapcsoló egyesítésével hozták létre).

Kezdjük talán a legfontosabbakkal (rajzok, jelölések MODE2-re értendőek).

— potméterek:

  1. AIL – csűrő
  2. ELE – magasságkormány
  3. THR – gázkar
  4. RUD – oldalkormány
  5. P1 – potméter – Hov.Pit
  6. P2 – potméter – Hov.Thr
  7. P3 – potméter – Pit.Trim, AUX2
  8. (a nyolcadik ADC port a feszültség mérését végzi)

Ezen analóg bemenetek digitalizálás után átesnek egy normalizáláson, amely a kalibrációs adatok alapján a kapott értékeket a megfelelő számtartományba helyezi. A botok adatait ezután még egy Dual Rate és Expo szűrő tovább igazítja.

Dual Rate (D/R) – gyakran kettős kitérítőnek nevezik, bár szerintem, nem adja át azt, amire használják. Lényegében a szervók maximális kitéréseinek korlátozására szolgál. Lassú repülésnél lehet 100%, ha nagy sebességgel haladunk, akkor a 60% is elegendő a manőverek végrehajtásához. (egy szorzóról van szó, melyet a függvényparamétereknél használjuk)
Expo – alapvetően a szervók lineárisan követik a irányító botok mozgását. Ennél kényelmesebb és precízebb irányítás nyújt az exponenciális követés: a közép vagy minimum állapot körnékén kevésbé érzékeny, kisebb kitérést, finomabb mozgást tesz lehetővé, míg a végálláshoz közelítve egyre erőteljesebb reakciót vált ki.

dr-expo

— kapcsolók, gombok:

  1. T.Cut – motor leállító
  2. Rud.D/R – oldalkormány kitérési tartomány váltó
  3. Ele.D/R – magassági kormány kitérési tartomány váltó
  4. F.Mode – (AUX 3), 3-állású repülési mód választó kapcsoló (ID0 – a felső, ID1 – középső, ID2 – az alsó pozíció)
  5. Ail.D/R – csűrőkormány kitérési tartomány váltó
  6. Gear– futómű kapcsoló
  7. TRN – oktató kapcsoló (rugós visszatérítésű)

Trimerek – 2-2 gombkapcsolóval ellátott csúszkák, melyek segítségével ofszet hozzáadást végzünk, vagyis elmozdítjuk valamely irányba a karok középértékét. Gázkar esetében a minimális érték körüli eltolást végezzük a trimmelő kar segítségével. A szélső kar kitérésekhez közelítve a trim hatása csökken és maximális kitérésnél egyenlő a nullával (-31 – 32, de elérhető az 512 is 4-foku polinóm segítségével).

SW1 .. 6-os – Speciális szoftveres kapcsolók, melyek segítségével kijelző képét, távirányító és modellünk beállításait elérjük el, változtatjuk (ezekről és még sok-minden másról bővebben a er9x projekt magyar leírásában olvasható).

flysky-flow
Adatok feldolgozásának folyamata a FlySky távirányítóban.

Mixer – függvényék, paraméterek, változók rendezett halmaza, – ez a mag, mely összeköti a szoftver egyes moduljait, meghatározza a kimenő adatok értékeit (akár 16 csatorna is lehet!) a bemenő adatok függvényében, elvégzi a bemenő adatok súlyozott kiértékelését, figyel az időzítésekre.
Curve-válaszgörbék, melyek a bemenő és a kimenőjelek közti összefüggést írják le. Áldott tulajdonságuk, hogy csak az összefüggést írják le. Az forrás és a kimenet hozzárendelkezik a mixben történik, ezért ugyanaz a függvény több mixben is felhasználható.
SoftSwitch – szoftveres gombok, funkcionálisan úgy használhatjuk őket, mintha kapcsolók lennének, de nem fizikai kapcsolóval vannak összekötve, hanem logikai feltételeket tudunk rendelni hozza. Ha a feltétel teljesül, akkor bekapcsoltnak, ha nem teljesül, akkor kikapcsoltnak tekinti a rendszer.
SaftySwitch – biztonsági kapcsolók – biztonságos magas prioritású értéket rendelhetünk egy csatornához egy kapcsolón keresztül. Például -125 értéket a 3-s csatornához, miközben állítjuk a többi csatornát, megakadályozva a véletlen elindulást.
Limit – (máshol lehet ATV, EPA, AST) a legjobb esetben a szervók úgy vannak mechanikailag összekötve a vezérszervekkel, hogy azok teljes mozgásterükben szabadon, ütközés nélkül, teljesen kitérnek. Ha erre nincs lehetőség, komputeres rádión korlátozni lehet a kibocsátott jel értékét, ezzel korlátozva a szervó mozgását (pl. az kiküldött maximumok -256 – 255 helyett csak -232 – 231, de lehet aszimmetrikus is – ilyen az EPA). Ezt kétfeléképpen lehet megvalósítani: korlátozzuk a kimenő jel nagyságát (ilyenkor egy holttér keletkezik az irányító karok végállásaiban) és függvényparaméterek súlyozása (AFR) – ilyenkor a jelkeverő függvények bonyolultabbak és nagyobb számítási teljesítményt igényelnek.

Lehetne még többet, részletesebben írni a rádió lehetőségeiről, de ez már megtették mások, így nem folyok bele a többoldalas litániákba. Fontos megemlíteni még, hogy egyes firmware verziókban nincsenek fix funkciójú kapcsolók! Bármelyik kapcsoló bármi lehet. Ami már szintek fantasztikum, hogy a távirányítót számítógépes programon keresztül (compagnion9x, ePee) is tudjuk programozni, modellbeállításokat fel/le-tölteni a készülékbe, meg tudjuk osztani másokkal.

Azok számára, kik szívesen belenéznének a belsejébe, csatolom a kapcsolási rajzot is, bár később még boncasztalra kerül a távirányító.

FlySky 9x – az alapoktól

By , 2012. April 7 15:23

Igazi sikertörténetnek lehetünk szemtanúi. Követve az FlySky\iMax\Turnigy 9x (innentől csak FlySky 9x) távirányító fejlődését, a klónok és az erre a modellre épülő újabb egyéni fejlesztésű rendszerek alakulását. A siker titka talán az Open Source-ban és a hobbi világban egyre nagyobb teret hódító Atmel AVR mikrokontrollerekben keresendő. Talán nem elhanyagolható az sem, hogy a távirányító szett a többihez képest “piszkosul” olcsó. Tény, hogy a külseje inkább egy játékra hasonlít, de be kell vallani, hogy a kis rusnya külső alatt nagy lehetőségek rejlenek.

Pár szó az első kiadáshoz

TR 9x Ha visszaemlékszem a debütálásra, akkoriban úgy tűnt, ez is csak egy próbálkozás létrehozni egy olcsó, 2,4 GHz feliratú távirányító rendszert, amely egy kis morzsát szeretne csippenteni a távirányítók piacának tortájából. A “vén motorosok” addigra (kb. 2009 tavasza) már bizonyítottak és megbízhatóan igazolták, hogy a jövő frekvenciája a 2,4 GHz. Természetesen nem adták olcsón az újdonságot, de szállingóztak az új modulok, új márkanevek (Corona, Assan) és a panaszok az olcsóbb kínai gyártmányú 2,4. rendszerekre. Ilyen körülmények között jelentek meg az első FlySky 9x dobozai a boltok polcain. Ennél a rádiónál már érezni lehetett, hogy a kínai gyártók komolyan gondolják a 2,4 GHz technológiájú felszerelések beszállítását az RC piacokra.

Már az első kiadású 9x rádió olyan szolgáltatásokat/funkciókat nyújtott, melyek eddig csak a drágább testvérekben voltak jelen. A gyártó szerint elsősorban helikopterekhez lett fejlesztetve, de tartalmazta az ACRO (repülő) és a GLIDER (vitorlázó) előre programozott típusokat is. Ellátták bőven kapcsolókkal és tekerőkkel, de személy szerint hiányolom a csúszkákat az oldalán, melyek segítségével könnyedén trimelhető egy vitorlázó a fogás váltása nélkül. A 128×64 felbontású grafikus LCD kijelző, a repülési mód kiválasztása menüből, a JR 9303-hoz nagyon hasonló intuitív menü, melyet 6 gomb segítségével lehet kezelni. Ezen kívűl az ötpontos görbék, a DSSS rendszer (Direct Sequencing Spread Spectrum – csak egy csatornát használ) – még ha nem is olyan ellenálló a mostoha rádiókörülményeket tekintve, mint a Futaba vagy Spektrum rendszer –, a redundáns vevő egység és kétségtelenül az 50 USD alatti ára kedvelt bevezető és teszt rádióvá tették.

Minőséggel kapcsolatos aggályok sajnos nem voltak alaptalanok. A FlySky 9x-et hirdető díszcsomagok többször is lekerültek a boltok polcairól. Természetesen, hibátlanul működő példányok is voltak nagy számban, ami a kínai ipar minőség-ellenőrzés teljes vagy részleges hiányát mutatja. Az alig olvasható, hiányos angol nyelvű leírás, az áramingadozásra érzékeny vevő egység (Ha valamilyen oknál fogva 2,4V alá csökken a feszültség, a kapcsolat bomlik, és az áramellátás helyreállása után sem épül fel újraindítás nélkül.) valamint a FailSafe hiánya negatív bélyeget nyomtak a termékre.

Megjegyzésként csak annyit, hogy olcsó távirányítóhoz olcsó repülőgépet, és akkor nem ér nagy csalódás. Mindennek megvan a maga helye és ideje.Ez egy olcsó, hasznos és kényelmes távirányító, de egy sugárhajtású gépet nem bíznék rá, már ha lenne olyanom.

9x, második kiadás

CX CT9a Eltelt egy kis idő, történt egy kis ráncfelvarrás, egy kicsivel több tapasztalatot szerzett a fejlesztő csapat, és piacra került a már mindenki által jól ismert távirányító második kiadása; kicsit más, kicsit jobb. Miután minden RC csapból is az folyt, hogy tényleg jó, kíváncsi lettem rá. Így én is tulajdonosa lettem egy ilyen rádiónak, annak ellenére, hogy már pár éve egy Futaba rádió a társam a modellezésben.

Megérkezett a nagy és meglepően könnyű csomag. Első ránézésre a régi ismerős, a FlySky 9x, de az új verzión a régi teleszkópos antenna helyett egy 2,4 GHz-es egységet találtam, amely egy “V2” szórt spektrumú, 2,4 GHz-es modullal van egy vezetékkel összekötve, sajnos fixen. Minden esetre érdekes gondolat egy nem levehető modullal ellátott modulos távirányító piacra dobása. :) Ha egy másik gyártó modulját szeretnénk használni (Corona, FrSky, FlyDream, Assan..), akkor elő kell venni a forrasztópákát, vagy a harapófogót. Mi több, az árván maradó antenna inkább zavarja majd az új modul adását, mint sem segítené – érdemes tehát azt is leszedni. Ezen kívül nem sok minden változott a megjelenésében: masszív ház, JR-jellegű menü, kapcsolók és egyéb vezérszervek megszokott helyen és kifogástalanul működnek, bár én még mindig keménynek érzem a gombokat. A súlypont helyzetével nem sokat foglalkozott a gyártó, annak ellenére, hogy most már könnyebb antennát kapott, és ha a nyakunkba akasztjuk, dőlni fog a távirányító felénk. Továbbra is riaszt a rádió, ha a kapcsolók nincsenek alapállásban bekapcsoláskor. Előkerült a csavarhúzó, belenéztem. A forrasztások még mindig nem az igaziak, bár némileg javult a helyzet. Sok helyen látszik a kézi forrasztás nyoma. És mit látnak szemeim: robbanásszerűen szétfröccsent ón. Na, ezt alaposan ki kell majd tisztítani. Van még a dobozban egy vevőegység és más semmi: se akkumulátor, se töltő, se CD, se használati, se szervók. 60USD-ért ennyi jár. Igazából, nincs is szükség rá, csak legyen internet hozzáférés. Mindent megtalálunk ott, amire szükségünk lehet, sőt!

Az új vevőegység szatellit egység nélkül érkezett. Úgy tűnik az “új” FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) frekvenciaváltós rendszerre bízzák a kapcsolat sorsát. Remélhetően a gyártó kellően megnövelte az egység érzékenységét és a zavarelhárító képességét. A “V1” vevő érzékenysége, ahogy azt korábbi független mérések kimutatták, 9-10-szer alacsonyabb volt a hasonló márkás vevőkhöz képest, ezért szatellit nélkül használva már 100 méter távolságnál időszakos szakadásokat produkált. Az újonnan érkezett rendszer moduljára ugyan rá van írva, hogy FHSS, de hát ennyi pénzért mire lehet számítani? A vevő kereskedelmi ára 9 USD. Megmaradtak a kételyek, de a mérések mindent elárulnak: A rendszer folyamatosan használja a 16 csatornát és a modul teljesítménye is nagyobb. Nos, ez már biztató! Bár, valószínű, hogy még mindig nem olyan megbízható, mint mondjuk a Futaba, a Hitec vagy a Spektrum, de már fényévekre megelőzte az eredeti “V1” rádiórendszert, vagy akár egyes távirányítókat, melyekért akár kétszer annyit is elkérnek.

FlySky DSSS module spectrumFlySky FHSS module spectrum
A vevő belsejében is történt némi változás: egy egyszerű negyedhullámú drótantennát dipólus antennára cserélték, amely kicsit érzékenyebb az elődjénél. Legnagyobb változást talán a folyamatos csatornaváltás fogja hozni a korábbi fixcsatornás működéshez képest, amit korábbi verziónál használtak. Ez a kombináció már jól bevált a Hitech-nél is. Sajnos továbbra is ugyanaz a nem túl érzékeny chip van a vevőben, és semmilyen előerősítőt nem találunk előtte, ami javítaná a vevő teljesítményét. A kristályt sem ártana egy nagyobb SMT verzióra cserélni, mivel az utóbbi kevésbé érzékeny az ütésre (amivel sajnos számolni kell). A párosítást visszajelző LED nagyon mélyen a vevő belsejében világít, mezei körülmények között meg kell küzdeni, hogy észrevegyük a jelzéseit. Maga a párosítási folyamat egyszerű és gyors, csak megfelelő helyre kell illeszteni a “kulcsot” és megnyomni egy gombot a távirányító modulján. Sajnos, ez a verzió sem ismeri a FailSafe fogalmát (csak PCM moduláció esetén érhető el). Bármennyire is szeretnénk, hogy másképp legyen, ez a távirányító még mindig a kis gépekhez való. De ha illesztenénk hozzá egy jobb frekvenciamodult … .

Elektromos mágnesség

comments Comments Off on Elektromos mágnesség
By , 2012. April 2 19:25

Az elektromos és mágneses jelenség első kutatói nyilván érezték, hogy a két jelenségcsoport között valami mélyebb összefüggés van, de nem tudták ezt bizonyítani. Észrevették, hogy a villám sújtotta hajók iránytűje pontatlan, és a XVII. század legismertebb elméleti fizikusának, Benjamin Franklinnek sikerül felmágnesezni egy tűt leydeni palack kisütése révén. De műhelyi kísérletekben az elektromos töltések nem befolyásolták a mágneseket, ugyanígy a mágnesek hatástalanok voltak az elektromos töltésre. Ezen erők kapcsolatáról 1807-be Thomas Young írásban nyilatkozott, hogy semmi okuk nincs feltételezni közvetlen kapcsolat létezését a mágneses és a villamos erők között.
Hans Christian Orsted Az elektromosság és a mágnesség közti kapcsolat felfedezésének dicsősége Hans Christian Oersted (1777. aug. 14. – 1851. már. 9.) dán fizikusé, aki, miután Volta munkájáról hallott, szintén szerkesztett egy elektromos oszlopot, és ezzel különböző kísérleteket végzett. 1820-ban egy tavaszi reggel, amikor a koppenhágai egyetem felé indult, hogy megtartsa előadását, a következő gondolata támadt: ha a statikus elektromosság semmiképpen sem befolyásolja a mágneseket, akkor talán más lesz a helyzet, ha próbát tesz a Volta-oszlop két pólusát összekötő drótban mozgó elektromossággal. Mikor megérkezett a fiatal diákokkal telt előadóterembe, az asztalra helyezte Volta-oszlopát, két végét platina dróttal kötötte össze, és egy mágnestűt helyezett el a közelében. A tű, amely különben mindig észak-déli irányba áll be, elfordult, és a drótra merőlegesen állt meg. Talán ez volt az egyetlen olyan nagy felfedezés, amely a diákok szeme láttára jött napvilágra, azonban a hallgatóságot nem nagyon érdekelte a dolog, de Oerstedet annál inkább. Előadás után a teremben maradt, és megkísérelte az általa éppen felfedezett szokatlan jelenség ellenőrzését. Elektromos mágnesség Először azt gondolta, hogy a mágnestű mozgását az elektromos áram által fűtött drótból kiinduló léghuzat is okozhatja. Hogy igazolja, hogy nem így van, papírlemezt helyezett a drót és a mágnestű közé, hogy megállítsa a légáramlást. A helyzet ugyanaz maradt. Azután 180°-kal elfordította a Volta-oszlopot, hogy a drótban az áram ellenkező irányban mozogjon. A mágnestű ekkor szintén elfordult 180°-kal – északi pólusa most abba az irányba mutatott, ahová azelőtt a déli pólus. Világossá vált előtte, hogy a mágnes és a mozgó elektromosság között valóban van kölcsönhatás. A feszültség alatt levő huzal párhuzamos mozgatásával kimutatta, hogy az iránytű nem egyszerűen vonzódik ahhoz, mint egy mágneshez, mert a tű kitérése mindvégig azonos maradt. A mágnestű elhelyezkedésének iránya attól függött, hogy az elektromos áram melyik irányban folyik a dróton keresztül illetve a huzal a tű alatt, vagy fölött van. Huzalhoz képest merőlegesen elhelyezve az iránytűket megfigyelte a ma ismert jobb kéz szabályt (Ha megfogjuk a vezetéket jobb kézzel, és a nagy ujjunk az áram irányát mutatja, akkor a többi ujjunk az mágneses erővonalak irányát adják). A felfedezésre vonatkozó valamennyi megfigyelését leírta, és közlés céljából beküldte az Annales de Chimie et de Physique francia folyóiratnak. A cikk 1820 végén jelent meg, a szerkesztőség következő megjegyzésével: “Az Annales olvasói meggyőződhettek már arról, hogy nem túl szívesen közlünk rendkívüli felfedezésekről szóló közleményeket, és ez az elv mindeddig helyesnek bizonyult. Oersted úr tanulmányát azonban és az általa elért eredményeket, bármilyen különlegesnek tűnnek is, sokkal több részlet támasztja alá annál, hogy tévedésre lehetne gyanakodni”. Az elektormágnesség, amint azt Oersted elnevezte, valósággá vált!

Andre Marie Ampére Amikor Oersted felfedezésének híre eljutott Párizsba, itt magára vonta Andre Marie Ampére (20 Jan. 1775 – 10 Jun. 1836) francia matematikus és fizikus figyelmét. Néhány héten belül kimutatta, hogy nemcsak az elektromos áram hat a mágnestűre, hanem két elektromos áram is hat egymásra. Ha két párhuzamos drótban ugyanabban az irányban folyik áram, akkor a két drót vonzza egymást, ha pedig a két áram iránya ellenkező, akkor taszítják egymást. Kimutatta továbbá, hogy ha egy rézdróttekercsen, amely függőleges tengely körül foroghat, áram folyik át, akkor az mindig északdéli irányba áll be, ugyanúgy, mint az iránytű. Azt is kimutatta, hogy két ilyen tekercs ugyanolyan módon hat egymásra, mint két rúd alakú mágnes. Így született meg az új tudományág, az elektrodinamika. Szolenoid és mágnes kölcsönhatása
E kísérletek vezették őt arra a gondolatra, hogy a természetes mágnességet a mágneses testekben folyó elektromos áram okozza. Elképzelte, hogy a mágneses anyag minden molekulájában köráram folyik, amely parányi elektromágnest képez. Ha az anyag nincs mágnesezve, akkor az egyes molekuláris elektromágnesek rendszertelenül helyezkednek el minden irányban, és az eredőjük nulla lesz. Mágnesezett testekben a molekuláris mágnesek, legalábbis részben, ugyanabba az irányba állnak be, így jön létre a mágneses vonzás vagy taszítás. Ampere eme feltételezését a modern fizika teljes mértékben megerősítette. Az atomok és molekulák mágneses tulajdonságait az atommag körül keringő és saját tengelyük körül gyorsan forgó elektronok hozzák létre. Mivel Ampere volt az első, aki az elektromos áram fogalmát mint a vezetőben mozgó elektromosságot világosan meghatározta, az elektromos áram egységét róla nevezték el (Egy amper akkora áram, amely másodpercenként egy coulombot visz át egy vezető keresztmetszetén). Ampére nem csak matematikus, fizikus volt, hanem kémikus is: az elsők egyike volt, akik megkülönböztették az atomokat és a molekulákat. 1814-ben Avogadrotól függetlenül kidolgozta azt a törvényt, mely kimondja, hogy minden azonos nyomású és térfogatú gáz ugyanannyi részecskét tartalmaz . Ezenkívül Ampére kidolgozott több kísérletezési eljárást és feltalált több mérőműszert is, az ő nevéhez fűződik a galvanométer és az elektromos távíró.

Ampere tudományos eredményei kimagaslók, de a szórakozott professzor klasszikus példája is volt. Mondják, hogy előadásai közben gyakran a táblatörlő rongyba fújta az orrát. Egy másik történet szerint egyszer Párizs utcáin járva, a járdaszélen állomásozó bérkocsi oldallapját fekete táblának nézte, és matematikai képleteket írt rá. Amikor a kocsi elindult, utána ment azután pedig vele futott, hogy befejezze a levezetést. Egyszer, amikor Bonaparte Napóleon látogatást tett a Párizsi Akadémián, Ampere nem ismerte meg őt. Napóleon mosolyogva jegyezte meg: „Látja Uram, mennyire zavaró, ha az ember nem látogatja meg gyakran a kollégáit. Én sem látom önt a Tuilleriák-ban, de tudom, hogyan vehetem rá, hogy eljöjjön és üdvözöljön engem!” Meghívta másnap ebédre a palotába. Másnap azonban az étkezőasztalnál széke üres maradt; Ampere elfelejtette a meghívást! :mrgreen:

Georg Simon Ohm Ampére-t elsősorban az elektromos áram mágneses hatása érdekelte. George Simon Ohm (1789. már. 16. – 1854. júl. 6.) német matematikus és fizikus, aki abban az időben tanító volt Kölnben, azt kívánta tudni, mi az összefüggés az elektromos áram, az áramot vezető drót anyaga, valamint az áramot mozgásban tartó elektromos potenciál között. Több Volta-oszlopot alkalmazott, amelyeket sorba kapcsolva, különböző feszültséget állított elő. Ezen kívül egy Ampere által szerkesztett galvanométert használt, amelyben az elektromos áram erősségét a mágnestűnek az áram által okozott kitérése méri. Különböző fémekből készült különböző hosszúságú és keresztmetszetű drótok vizsgálatával megállapította, hogy az áram erőssége egyenesen arányos a drót keresztmetszetével, fordítva arányos a hosszával, és függ a drót anyagától is. Megállapította azt is, hogy egy adott drótnál az áramerősség arányos a két vég közötti elektromos Ohm törvénye potenciálkülönbséggel (feszültséggel), amelyet az áramot a dróton mozgató, sorba kapcsolt Volta-oszlopok száma határoz meg. Az eset hasonló ahhoz, amikor a folyadék szabad áthatolását gátló üvegrosttal töltött csövön vizet szivattyúzunk át. A vízáram erőssége itt is a szivattyú által létrehozott nyomással és a cső keresztmetszetével nő, a cső hosszával pedig csökken, és a csőbe helyezett víz szabad áthaladását gátló anyag természetétől és mennyiségétől is függ. Ohm így bevezette a különböző drótok elektromos ellenállásának fogalmát. Felfedezéseit 1827-ben tette közzé “A galvanikus áramkör matematikai szempontból” címen. Ebben lefektette az elektromos áramkörök jövőbeni tanulmányozásának az alapjait.
Az elektromos ellenállás egységét Ohm tiszteletére 1 ohm-nak nevezzük, ez az az ellenállás, amely 1 volt potenciálkülönbségnél 1 amper áramot hoz létre. Néha elektromos ellenállás helyett elektromos vezetőképességről beszélünk, ami annak a reciproka. Az elektromos vezetőképesség egységét egy mho-nak nevezzük, ami az ohm szó fordítottja, vagy siemensnek.

Michael Faraday Michael Faraday (1791. szept. 22 – 1867. aug. 25) az elektromos és mágneses jelenségekre vonatkozó klasszikus kutatásokat betetőzte, és új korszakot tárt fel, a „modern fizika” korszakát. London közelében született, egy kovácsmester fiaként. Szegénységük miatt 13 éves korában kifutó lett Mr. Riebau könyvesboltjában, később Riebau könyvkötőinasnak szerződtette hét évre. Faraday nemcsak bekötötte a könyveket, amelyek a boltba kerültek, hanem sokat közülük elejétől végéig el is olvasott, ami szenvedélyes érdeklődést keltett benne a természettudományok iránt. Különös örömet okoztak neki a  Marcet Conversations in Chemistry című könyv és az Encyclopaedia Britannica villamossággal foglalkozó cikkei. Utolsó tanoncévében, amikor éppen húsz éves volt (és amikor Galvani és Volta felfedezései még újdonságok voltak), a következőket írta régi barátjának, Benjamin Abbottnak (1811):

“Nemrégiben néhány egyszerű galvanikus kísérletet végeztem csupán azért, hogy magam előtt is szemléltessem a tudomány alapelveit. Knightékhez mentem, hogy egy kis pénzhez jussak, és emlékeztem rá, hogy formálható horganyuk(Zn-cink) van. Vásároltam ebből egy keveset. Vajon láttál-e már horganyt? Az első adagot a létező legvékonyabb darabokban kaptam, laposra hengerelve. Ez elég vékony volt elektromos pálcának, amint mondták, vagy De Luc elektromos oszlopnak, amint én azelőtt azt neveztem. Ebből korongokat alakítottam, ezekből és vörösrézből egy kis telepet készítettem. Az első telep hét pár lemezt tartalmazott!!! Ezek mérete egyenként félpenny-es érme nagyságú volt!!!  Én, Uram, én saját magam hét darab egyenként félpenny nagyságú korongot vágtam ki. Michael Faraday elektrolízis kísérlete Hét darab félpennyessel fedtem be ezeket, és közéjük hét vagy helyesebben hat nátrium-kloridoldattal átitatott papírdarabot helyeztem el. De ne nevess, kedves Abbott, inkább figyeld, hogy mi volt a hatása ennek az egyszerű készüléknek. Elegendő volt magnézium-szulfát szétbontásához — ami a legnagyobb mértékben meglepett, mert nem volt, nem lehetett fogalmam arról, hogy ez az anyag erre használható. Egy gondolat villant fel agyamban, elmondom. Összekötöttem az oszlop tetejét, az alját és az oldatot rézdróttal. El tudod-e képzelni, hogy a réz bontotta szét a szulfátot — vagyis annak az oldatba merített részét? Biztosra veszem, hogy ez galvanikus folyamat volt, mert mindkét drótot rövid időn belül gázbuborékok fedték, és apró részecskékhez hasonló igen kicsi buborékok folytonos áramlása járta át az oldatot a negatív drótból kiindulva. Hogy a szulfát bomlott szét, azt az bizonyította, hogy a világos oldat két óra alatt zavarossá vált: magnézium volt benne szuszpendálva”.

Ez volt az elektromos áram által bekövetkező kémiai bomlás, az elektrolízis. Faraday folytatta e jelenség vizsgálatát, és az utána következő évek folyamán két róla elnevezett alaptörvényt fedezett fel. Az első Faraday-törvény kimondja, hogy: egy meghatározott oldatnál az elektródákon lecsapódó/felszabaduló anyag mennyisége arányos az oldaton áthaladt teljes elektromosság mennyiségével (vagyis az idővel szorzott áramerősséggel). Ez annyit jelent, hogy az elektromosságot az oldatban szállító töltéssel bíró molekuláknak (amelyeket később ionoknak neveztek el) szigorúan meghatározott elektromos töltésük van. A második Faraday-törvény szerint különböző anyagok egy vegyértékű ionjai egyenlő mennyiségű elektromosságot szállítanak, a két, három stb. értékű ionok pedig arányosan nagyobb töltéseket. Ez az elektromos töltés univerzális egységének a létezését bizonyítja, amiről Faraday idején csak azt tudták, hogy a különböző atomokhoz van kötve. Később azonban a téren keresztül repülő szabad elektronok alakjában is észlelték.
Davy laboratórium Faraday-nek, az elektrolízis felfedezése után, állás után kellett néznie, mert tudta, hogy állása az üzletben már csak néhány hónapig tart. Leghőbb vágya volt, hogy Sir Humphry Davynél, a neves kémikusnál dolgozhasson, akinek előadásait inaskorában is hallgatta. A Davy előadásairól készített jegyzeteit kalligrafikusan lemásolta, mesterien elkészített rajzokkal egészítette ki, elegáns kötetet készített belőlük, és elküldte neki, azzal a kéréssel, hogy munkát kapjon laboratóriumában. Sir Humphry Davy a Royal Institution of Great Britain egyik igazgatója volt, és az intézet egyik felügyelőjétől kért tanácsot a fiatal könyvkötő alkalmaztatása ügyében. Az a következőket mondta: „Mossa az edényeket! Ha értékes fiú, akkor elfogadja ezt a munkát; ha nem fogadja el, akkor semmire se való!” Faraday elfogadta, és az intézetben maradt élete további 45 éve folyamán, először mint Davy segédje, azután mint munkatársa és végül, Davy halála után, mint utódja. Számos közleménye jelent meg tudományos folyóiratokban, de a tanulmányaival kapcsolatos legfigyelemreméltóbb dokumentum a Naplója, amelyet 1820-tól 1862-ig folyamatosan vezetett. Ezt a Royal Institution nemrégiben (1932) hét vaskos kötetben adta ki, összesen 3230 oldalon, több ezer lapszéli rajzzal. Pár idézet a naplóból az elektromágneses indukció megfigyeléseiről:

1831. aug. 29.
1.  Kísérletek az elektromosságnak mágnességből való létrehozására vonatkozóan stb. stb. Michael Faraday kísérlete
2.  Lágyvas-gyűrűt készítettem gömbvasból, mely 7/8 col vastag, a külső átmérője pedig 6 col. Egyik felére sok rézdrótmenetet csavartam a meneteket madzag és kalikó választja el — három drót volt, mindegyik 24 láb hosszú, ezeket össze lehetett kötni egybe, vagy mint külön darabokat használni. Mindegyik szigetelve volt a másiktól. A gyűrűnek ezt az oldalát nevezzük A-nak. A másik oldalon, de térközzel elválasztva, két darab volt felcsavarva, együttes hosszúságuk 60 láb volt, irányuk ugyanaz, mint az előző tekercseké, ezt az oldalt nevezzük B-nek.
3  Megtöltöttem egy, 10 négycolos négyzet alakú lemezből álló telepet. A B-oldalon levő tekercsekből egy tekercset csináltam, végeit pedig összekötöttem rézdróttal, amely közvetlenül egy mágnestű fölött haladt el (3 láb távolságra a vasgyűrűtől).Azután összekötöttem az A oldali egyik tekercs végeit a teleppel; azonnali hatás mutatkozott a tűn. Rezgett, és végül az eredeti helyzetben került nyugalmi állapotba. Mikor megszakítottam az A-oldal kapcsolását a teleppel, ismét jelentkezett a tű ingadozása.

Vagyis az egyik tekercsen áthaladó elektromos áram egy, a közelben elhelyezett másik tekercsben áramot indukál, ugyanúgy, mint ahogy egy test elektromos töltése elektromos polarizációt indukál egy másik közeli testben. Míg azonban az elektromos polarizáció esetében a hatás statikus, és mindaddig tart, amíg a két test egymás közelében marad, addig az elektromos áram indukciója dinamikus folyamat. A második tekercsben csak azokban az időközökben folyik áram, amíg az első tekercs árama 0-tól normális értékig növekszik, vagy amikor ettől az értéktől ismét 0-ra csökken.
Nem egészen 3 hónappal e korszakalkotó felfedezés után további fontos eredményeket ért el Faraday az elektromosság és mágnesség összefüggésével kapcsolatos tanulmányaiban. Itt közöljük Naplóikból, hogyan történt ez:

1831. okt. 17.
56.    Üres hengert készítettem papírból 8 rézdróttekerccsel, amelyek valamennyien egy irányban haladnak, és méretük a következő: 22, 23, 25, 27, 28. 30, 31, 32 láb. A kiálló végeket bele nem értve, valamennyit fonal és kalikó választja el egymástól. A papírhenger belső átmérője 13/16 hüvelyk volt, a külső átmérő 1½ hüvelyk, a réztekercsek (hengeralak) hossza 6 ½ hüvelyk.
57.    Kísérletek 0-val. A henger egyik végén levő 8 tekercsvégződést megtisztítottam, és nyalábbá kötöttem össze. Ugyanígy a másik 8 végződést is Ezeket az összekötött végeket azután hosszú rézdrótok segítségével a galvanométerrel kötöttem össze — azután egy ¾ hüvelyk átmérőjű és 8 ½ hüvelyk hosszú henger alakú rúdmágnes egyik végét bedugtam a hengeralakú tekercs végébe — utána gyorsan egész hosszában beledugtam, amire a galvanométer tűje megmozdult, amikor kihúztam a tű ismét megmozdult az ellenkezőirányban. Ez a hatás minden alkalommal megismétlődött, ha a mágnest a hengerbe tettem, vagy onnan kivettem, és ennek következtében elektromos hullám keletkezett pusztán a mágnes közelítése miatt, nem pedig attól, hogy ott van a mágnes.
58.    A tű nem maradt meg elfordult helyzetében, minden alkalommal visszatért a helyére. A mozgások sorrendje a fordítottja volt az előző kísérletek sorrendjének — a mozgás iránya megfelelt az előző kísérleteknek, vagyis a tű igyekezett a gerjesztő mágnessel párhuzamos helyzetbe kerülni, mivel a drótnak és az azonos nevű pólusoknak ugyanazon oldalán volt, ugyanabban az irányban.
59. Ha a 8 tekercsből egy hosszú tekercset csináltam, a galvanométerre gyakorolt hatás nem volt olyan erős, mint azelőtt, valószínűleg még a fele sem. Így a legjobb, darabokban és a végén összerakva.
60. Ha a 8 tekercs közül csak egyet használtam, alig volt észlelhető hatás.

Joseph Henry Az a gondolat, hogy a mágnességnek elektromos áramot kell létrehoznia, mert az elektromos áram is hoz létre mágnességet Faraday idejében már a levegőben volt. Sok fizikus igyekezett ezt a hatást megfigyelni. De félrevezette őket az elektrosztatikus indukcióval való analógia. Csak statikusan elrendezett mágnesekkel és drótokkal, tekercsekkel próbálkoztak, Francesco Zantedeschi de a mágnes köré tekert vezeték nem gerjesztett szikrát végek összeérintésekor. Faraday zsenijének és gazdag gyakorlati tapasztalaténak köszönhető, hogy kiderült: az elektromos áram létrehozása dinamikus folyamat, amelyhez vagy a másik áram erősségének a változása, vagy a mágnes helyzetének a változása szükséges. Ugyanez a gondolat felmerült egy másik fizikusban, az amerikai Joseph Henry-ben is, aki azonban addig halogatta a közzétételt, amíg a felfedezés prioritása az Atlanti Óceán másik partján levő férfié lett. Későbbiekben azonban kiderült, hogy mindkettejüket megelőzte egy fizikusi vénával megáldott olasz pap, Francesco Zantedeschi (1797. aug. 20 – 1873. már. 29) ki publikussá tette munkáit 1929-ben.

Michael Faraday kutató szelleme nem állt meg, amikor kibogozta az elektromosság és a mágnesség rejtett összefüggését. Azt is tudni kívánta, hogy az optikai jelenségeket befolyásolják-e a mágnesek. Ez irányú fáradozásainak eredménye az a fölfedezés, hogy mágneses térbe helyezett átlátszó anyagokban a fény polarizációs síkja elfordul (Faraday-effektus – 1845. szept.13). A mágneses erővonalak mentén terjedő fény – igen rövid elektromágneses hullámokból álló –, és az egyes atomokon belüli elektromos áramok közötti belső kapcsolatot mutatja. Ezeket a parányi áramköröket, amelyek létezését Ampere tételezte fel elsőnek, ma úgy tekintjük, mint az atomi elektronok keringését a központi mag körül. Faraday meg volt győződve arról, hogy a fizikai világban megfigyelt valamennyi jelenség valamilyen módon összefügg egymással. Ezért összefüggést igyekezett találni az elektromágneses erők és a newtoni gravitációs erők között. Bár 1849-ben folytatott kutatásai nem hoztak pozitív eredményt, Faraday naplója szerint a hite megmaradt.
Bármily jelentősek voltak is Faraday kísérletei, felfedezései, elméleti elgondolásai sem maradnak el mögöttük. Igen kevéssé volt iskolázott, és a matematikából gyakorlatilag semmit sem tudott, ezért nem lehetett — mint ma mondanánk — elméleti fizikus. A helyzet azonban az, hogy fizikai jelenségek elméleti képének megalkotásánál a felsőbb matematika ismerete gyakran szükségtelen, néha még káros is. Faraday előtt az elektromos és Mágneses erőtérvonalak mágneses, valamint a gravitációs erőkről azt képzelték, hogy azok a testeket elválasztó ürés téren át hatnak. Faraday egyszerű gondolkozásmódja számára azonban úgy tűnt, hogy ennek a „távolbahatásnak” nincsen fizikai értelme. Ha azt látta, hogy egy teher egyik helyről a másikra mozdul, látni akarta a kötelet is, amely azt húzza, vagy a botot, amely azt taszítja. Beszélt valamiről, ami mint egy csomó gumicső, a két egymással szemben álló elektromos töltés vagy mágneses pólus között feszül , és azokat összehúzza. Azonos előjelű töltések vagypólusok esetében ezek a gumicsőszerű valamik másképpen haladnak, és széttaszítják egymást. A Faraday-csöveket vagy erővonalakat mágnes esetében ki lehet mutatni, ha finom vasreszeléket szórunk az üveglapra, amelyen a mágnes van. A reszelék mágneses lesz, és a csövek (erővonalak) mentén ható mágneses erők irányában helyezkedik el. Elektromos tér esetében elektromos polarizáció alkalmazásával kaphatunk hasonló eredményeket, ezt a kísérletet azonban nehezebb elvégezni. Faraday megmutatta: az elektromos és a mágneses csövek (erővonalak) okozzák a különböző elektromágneses jelenségeket. Ha dróton áram folyik át, akkor a drótot köralakban erővonalak veszik körül, amelyek a mágnestűre hatást gyakorolnak, és azt meghatározott irányba mozdítják el. Ha egy vezető drótot egy mágneshez képest mozgatunk (vagy fordítva), akkor az mágneses csövek útját keresztezi, és ennek eredményeképpen áram indukálódik benne.
Faraday ezen elképzelései bizonyos tekintetben elég naivak voltak, és nagyrészt kvalitatívak, mégis új korszakot nyitottak meg a fizika fejlődésében. A testek között nagy távolságra ható misztikus erők helyébe a testek között és körül a térben folytonosan elosztott „valami” lépett, „valami”, aminek minden egyes pontban meghatározott értéket lehet tulajdonítani. Ezzel bevezette a fizikába az elektromos, mágneses vagy gravitációs kölcsönhatásra egyaránt az „erőtér”, vagy egyszerűen a „tér” fogalmát. Az üres tér által elválasztott anyagi testek közötti erőt úgy lehetett felfogni, mint a testeket körülvevő terek közötti „közelhatások” eredményét.

James Clerk Maxwell Faraday elképzeléseinek matematikai megfogalmazását a híres skót James Clerk Maxwell (1831. jun 13 – 1879. nov. 5) adta meg. Maxwell Edinburghban született, néhány hónappal azután, hogy Faraday közzétette felfedezését az elektromágneses indukcióról. Faraday-vel ellentétben, igen jó matematikus volt. Tíz éves korában az Edinburgh Academy tanulója lett, és kénytelen volt idejének egy részét a görög rendhagyó igéknek és a „humanista tudományok” más ágainak a tanulmányozására fordítani, ő azonban inkább matematikával akart foglalkozni, és első eredménye ezen a téren, saját szavai szerint, azt volt, hogy „egy tetraédert, egy dodekaédert és még két más »édert« készítettem, amelynek nem tudtam a nevét”. Tizennégy éves korában elnyerte az Akadémia matematikai érmét egy tanulmányáért, amelyben megmutatta, hogyan lehet tűvel és fonállal tökéletes ellipszist szerkeszteni. Néhány évvel később, Maxwell két tanulmányt nyújtott be a Royal Societynek, az egyik címe „Gördülő görbék elméletéről”, a másiké „Rugalmas szilárd testek egyensúlyáról”. Mindkét tanulmányát másvalaki olvasta fel a Societyben, mert „nem volt ildomos, hogy egy blúzos kisfiú lépjen az előadói emelvényre”. Maxwell 1850-ben, 19 éves korában beiratkozott a cambridge-i égyetemre. Négy évvel később megkapta a diplomáját, 1856-ban pedig kinevezték az aberdeeni Marischal College természetfilozófiai tanszéke vezetőjének. Itt maradt 1874-ig, akkor visszahívták Cambridge-be, az akkor újonnan alapított Cavendish Laboratórium igazgatójának.

Maxwell kezdetben csak a tiszta matematika iránt érdeklődött, de hamarosan élénken érdekelni kezdte a matematikai módszerek alkalmazása különböző fizikai problémákra. Igen jelentősen hozzájárult a hő kinetikus elméletének kifejlesztéséhez, de legjelentékenyebb munkája kétségkívül az volt, hogy a matematika nyelvén fogalmazta meg Faraday elgondolásait az elektromágneses tér természetéről és törvényeiről. Általánosította azokat az empirikus tényeket, hogy a változó mágneses tér elektromotoros erőt és elektromos áramot indukál a vezetőkben, valamint hogy a változó elektromos tér és az elektromos áram mágneses teret hoz létre. Az általánosítás eredményképpen megalkotta a később róla elnevezett híres egyenleteket. Ezek a mágneses tér időbeli változását az elektromos tér térbeli eloszlásával kapcsolják össze és fordítva.
Ha a mágnesezett testek, töltött vezetők és az elektromos áramok eloszlását ismerjük, akkor Maxwell-egyenletekkel minden részletében ki tudjuk számítani az elektromágneses teret és annak időbeli változását. Maxwell kimutatta, hogy bár az elektromos és mágneses terek rendszerint elektromosan töltött és mágnesezett testekhez vannak kötve, szabad elektromágneses hullámokként is létezhetnek és terjedhetnek a térben. Hogy ezt világosan lássuk, vegyünk két gömb alakú vezetőt, amelyek közül az egyik pozitív, a másik negatív elektromossággal van töltve. A két gömböt körülvevő térben sztatikus elektromos tér van, amely a töltések elektromos energiáját valami olyan módon tárolja, mint ahogy egy erősen meghajlított rugó tárolja a mechanikai energiát. Ha a két gömböt dróttal összekötjük, akkor áram folyik egyikből a másikba. így a gömbök töltése, és ezzel az őket körülvevő elektromos tér is, gyorsan csökken, végül eltűnik. Az áram azonban mágneses teret hoz létre a drót körül. Abban a pillanatban, amikor az elektromos tér 0, a rendszer egész energiája ebben a mágneses térben van felhalmozva. A folyamat azonban nem áll meg, az elektromos áram, bár csökkenő intenzitással, de tovább folyik a drótban, és újra feltölti a két gömböt ellenkező előjelű elektromossággal. A mágneses tér energiája úijra az elektromos tér energiájává alakul. Végül megszűnik az áram, a gömbök újra fel vannak töltve ugyanannyira, mint kezdetben, de ellenkező előjellel. A folyamat aztán újra megindul, ellenkező irányban. Az elektromos rezgések folytatódnak oda-vissza, amíg a töltést hordó drót felmelegedése által okozott fokozatos energiacsökkenés meg nem állítja a rezgéseket. Az egész hasonló az ingához, ahol a mozgás kinetikus energiája, amely a lengések közepén éri el a maximumát, a két szélső helyzetbe érve, potenciális energiává alakul.
Maxwell egyenleteiből le tudta vezetni, hogy a leírt rezgő elektromágneses tér az oszcillátort körülvevő téren át energiát magával vivő hullámok alakjában szétterjed. Mivel az elektromos erővonalak a dróton átmenő síkban fekszenek, a mágneses erővonalak viszont merőlegesek rá, a hullám elektromos és mágneses vektorai merőlegesek egymásra és a terjedési irányra is. 1888-ban, röviddel azután, hogy Maxwell tanulmánya megjósolta, Heinrich Hertz német fizikus bebizonyította e hullámok létezését. Ez vezetett azután a rádiótechnika kifejlődéséhez, ami manapság az ipari civilizáció nagy részét alkotja.

Maxwell elméletének egyik igen fontos eredményét most részletesebben tárgyaljuk: az elektromágneses hullámok terjedési sebességének a kiszámítását. Ha az elektromos és mágneses terek kölcsönhatásával foglalkozunk, felmerül a kérdés, hogy milyen eszközöket használjunk a különböző elektromágneses mennyiségek mérésére. Előzőleg láttuk, hogy az elektromos töltés egységét úgy definiálták, mint amely a tőle 1 cm távolságra levő, vele egyenlő töltést 1 din erővel taszítja. Ennek megfelelően az elektromos térerősség egységét úgy kell definiálnunk, mint azt a teret, amely 1 din erővel hat egy benne levő egységnyi elektromos töltésre. Hasonlóképpen definiálták a mágneses pólus egységét és a mágneses térerősség egységét is. Mi történik azonban, ha olyan jelenségekkel foglalkozunk amelyekben elektromosság is, mágnesség is előfordul? Ilyen például az elektromos áram által létrehozott mágneses tér.

Tegyük fel, hogy áram hatását vizsgáljuk a dróttól 1 cm távolságban levő mágneses pólusra. Az elektromos áram egységét úgy definiálhatjuk, mint azt az áramot, amely egy másodperc alatt a fentebb definiált töltésegységet szállítja. Ebben az esetben azonban a hatóerő, amely az áram által létrehozott mágneses térben az 1 cm távolságban levő egységnyi pólusra hat, nem szükségszerűen 1 din. Valóban nem is annyi. Másrészt viszont az egységnyi áramot definiálhatjuk úgy is, mint olyan mágneses teret létrehozó áramot, amely 1 din erővel hat az 1 cm távolságban levő egységnyi pólusra. Ekkor azonban a dróton egységnyi áram esetén áthaladó töltés nem egyenlő a fent definiált elektrosztatikus töltésegységgel. A fizikusok nem választották az egyik lehetséges definíciót, elvetve a másikat, hanem mindkettőt használják, úgy hogy egy konstans tényezőt vezetnek be az egységek egyik rendszerből a másikba való átszámítására. — A helyzet hasonlít a hő mérésénél fennállóhoz, ahol a kalóriát is, az erget is lehet használni (4,2-107 átszámítási faktorral). Az elektromos vonzás és taszítás Coulomb-féle törvényével definiált töltésegységét (a fenti két definíció közül az elsőt) elektrosztatikus egységnek (esu) vagy frankiinnak (Fr), az Oersted-féle törvény (az elektromos áram mágneses pólusra gyakorolt hatása) segítségével definiált egységet pedig elektromágneses egységnek (emu) nevezzük. Egy elektromágneses egység egyenlő 3-1010 elektrosztatikus egységgel. Vagyis a másodpercenként 1 elektrosztatikus egységet vivő áram csupánl/3-1010 din erővel hat az 1 cm távolságra levő egységnyi pólusra. Két test viszont, amelynek mindegyike 1 elektromágneses egységnyi töltést tartalmaz, és amelyek 1 cm távolságra vannak, egymást 3-1010 din erővel taszítják.

Amikor Maxwell az egyenleteit megalkotta, az elektromos térnél elektrosztatikus egységeket kellett használnia, a mágneses térnél pedig elektromágneses egységeket. Ezért az egyik oldalon elektromos teret, a másik oldalon pedig mágneses teret tartalmazó képletekbe becsúszott a 3-1010 tényező. Amikor a tovaterjedő elektromágneses hullámok leírására alkalmazta az egyenleteket, kiderült, hogy a terjedési sebesség számértéke éppen a két egység hányadosa, vagyis 3-1010 cm/sec. És íme, ez a szám pontosan megegyezik a fény vákuumbeli sebességével, amit már Maxwell születése előtt különböző módszerekkel megmértek. Áhá— gondolta Maxwell valószínűleg —, ez azt jelenti, hogy a fényhullámok a valóságban igen rövid elektromágneses hullámok. Ez a gondolat vezetett a fizika egy igen fontos ágának, a fény elektromágneses elméletének a kifejlődéséhez. A fény és anyag egymásrahatását, beleértve a fény kibocsátását, terjedésé és elnyelését, ma úgy tekintjük, mint a térben terjedő rövid elektromágneses hullámok és a parányi elektromosan töltött részecskék, a pozitív töltésű atommag körül keringő elektronok között ható erők eredményét. A Maxwell-egyenletek felhasználásával az optika összes jelenségeit és törvényeit a legapróbb részletekig meg tudjuk magyarázni.

Látszólag össze nem függő fizikai mennyiségek közti számbeli egyezések gyakran vezettek alapvető új felfedezésekhez és széles körű általánosításokhoz a fizikában. Ilyen volt az elektrosztatikus és elektromágneses egységek arányának egyezése. Későbbiekben, a forró testek által kibocsátott fényés hőhullámokra vonatkozó konstans megegyezése azzal a konstanssal, ami az ibolyántúli sugarak által megvilágított testből kibocsátott elektronokkal kapcsolatos, igen jelentősnek bizonyult a kvantumelmélet kifejlődésében.

 

Elektromosság felfedezése

By , 2012. April 1 16:16

Az elektromosság és a mágnesség jelenségét már a régi görögök is ismerték és valószínűleg az antik világ többi népei is. E jelenségek rendszeres tanulmányozásához azonban csak a művészetek és tudományok reneszánszának kezdetén fogtak hozzá.

Angol természettudós, Sir William Gilbert (1544. máj. 24 – 1603. nov. 30), akiWilliam Gilbert I. Erzsébet angol királynő udvari orvosa és Galileo Galilei (1564. feb. 15 – 1642. jan. 7) kortársa volt, gondos kísérleteket végzett a mágnesek kölcsönhatására vonatkozóan. Eredményeit De Magnete c. könyvében tette közzé. A könyv a mágnesek összes lényeges kvalitatív tulajdonságának leírását tartalmazza, ezért egyes körökben őt tekintik a elektromosság, mágnesség atyjának. Gilbert lelkes híve volt a kopernikuszi világrendszernek és azt remélte, hogy a bolygókat Nap körüli pályájukon tartó erőket a mágneses vonzással lehet megmagyarázni. E problémák közelebbi tanulmányozása céljából magnetitből (mágneses vasércből, Fe3O4) golyókat készített és az ezeket körülvevő mágneses teret a gömbök körül különböző helyeken és különböző távolságra elhelyezett parányi iránytűkkel tanulmányozta. Azt találta, hogy van a gömbnek egy olyan pontja, amely minden más pontnál erősebb vonzóerőt fejt ki az iránytű egyik végére. Az átellenes pont pedig maximális vonzóerőt gyakorol az iránytű másik végére. A gömb felszínének különböző pontjain a tű mindig meghatározott helyzetbe áll be, éspedig a maximális vonzások pontjait, azaz a gömb mágneses pólusait összekötő főkör irányába. Ez feltűnően hasonlít ahhoz, ahogyan az iránytűk a Föld felszínének különböző pontjain beállnak. Gilbert ebből arra következtetett, hogy a mi földgolyónkat óriás mágnesnek lehet tekinteni, amelynek mágneses pólusai a földrajzi északi és déli sarkok közelében vannak. Ez a felfogás évszázadokon át fennmaradt és miután a nagy német matematikus, Karl Friedrich Gauss,  számításaival is alátámasztotta, a földmágnesség elméletének egyik alapeszméje lett (mágneses pólusok vándorlása – videó, 44MB).
Ottó von GuerickOttó von Guerickét (1602. nov. 30 – 1686. maj. 21) leginkább a magdeburgi félgömbökkel (két félgömbbel, amelyekből összeillesztésük után a levegőt kiszivattyúzták, és akkor több ló se tudta széthúzni) folytatott kísérleteiről ismerik. Guericke akkor, amikor Newton már megalkotta, de még titokban tartotta elképzelését az általános gravitációról, a bolygók és a Nap közötti vonzást elektromos kölcsönhatással igyekezett megmagyarázni. Annak ellenére, hogy ez neki, ugyanúgy mint Gilbertnek nem sikerült, sok fontos felfedezést tett az elektromos töltés tulajdonságaira vonatkozóan. Azt találta, hogy a megdörzsölt borostyánkő könnyű tárgyakat, például papírdarabokat magához ragad, majd elejti őket. Két könnyű test viszont, amelyeket megdörzsölt borostyánkő érintett, mindig taszítja egymást. Azt találta továbbá, hogy az elektromos töltést át lehet vinni egyik testről a másikra, nemcsak közvetlen érintkezés útján, hanem őket összekötő fémdróttal vagy nedves kötéllel is. Az elektromos jelenségeket később a XVIII. század elején Charles François du Fay (1698. szept. 14 – 1739 jul. 16) tanulmányozta. Megállapította, hogy kétféle elektromosság van. Az egyik borostyánkő, pecsétviasz, keménygumi és más gyantaszerű anyagok dörzsölése útján keletkezik, a másik pedig üvegszerű anyagok, például üveg vagy csillám dörzsölése útján. E kétféle elektromos folyadékot, fluidumot „gyanta-elektromosságnak” és ,,üveg-elektromosságnak” nevezték. Megállapították az is, hogy az azonos elektromos töltések taszítják, a különbözők pedig vonzzák egymást. Az elektromosan semleges testekről feltételezték, hogy mindkét elektromos fluidumot egyenlő mennyiségben tartalmazzák, míg az elektromosan töltött testekben vagy a gyanta- vagy az üveg-elektromosság van túlsúlyban. Az Ottó von Guericke által megfigyelt jelenségeket kezdetben úgy fogták fel, hogy azok a kétfajta elektromos fluidum közötti kölcsönhatásnak tulajdoníthatók. Tegyük fel, hogy keménygumigömböt dörzsölünk, ami ennek következtében gyanta-elektromossággal töltődik fel. Ha egy kicsiny, töltés nélküli testet viszünk a közelébe, amelyben a kétféle elektromosság egyenlő mennyiségben van jelen, akkor a gyanta-elektromosság a test távoli végéhez taszítódik, az üveg-elektromosság pedig a közeli végébe kerül. Minthogy az elektromos kölcsönhatások a távolsággal csökkennek, ezért az üveg-elektromos töltésre ható vonzó erő nagyobb lesz, mint a gyanta-elektromos töltésre ható taszító erő. Ennek eredményeképpen a két test vonzani fogja egymást. Ha a keménygumigömb helyett üveggömböt veszünk, az eredmény ugyanaz, csak az üveg- és a gyanta-elektromosság felcserélődik, így tehát a semleges testeket a töltött testek mindig vonzzák. A jelenséget, vagyis az eredetileg nem-elektromos test töltései szétválasztásának a jelenségét, elektromos ,,polarizáció”-nak vagy „indukció”-nak nevezzük. Ha most két kis testet érintünk egy elektromosan töltött nagy testhez, akkor azonos elektromossággal töltődnek fel, így ha elvesszük őket a nagy töltött testtől, akkor taszítják egymást.

Elektroszkópot Kolbe-féle elektroszkóp Sürítős elektroszkóp Leyden palack Leyden palacksor

Az elektromos jelenségekkel folytatott első kísérletek idején két igen fontos elektromos műszert szerkesztettek, a lemezes elektroszkópot és a leydeni palackot. Az elektroszkópot, vagyis az elektromos töltés jelenlétét kimutató műszert 1705-ben szerkesztette Haukesbee. Ez két szalmaszálból áll, amelyek egy fémrúd alsó végén egymás mellett vannak felfüggesztve. Ha a rúdba akár gyanta-, akár üveg-elektromosságot vitt, a szalmaszálak azonos elektromossággal töltődtek fel és így egymástól elváltak. Ma is használjuk ezt a műszert, csak a szalmaszálak helyére sokkal könnyebb aranylemezkék kerültek. A leydeni palackot 1745-ben alkotta meg a leydeni (Hollandia) egyetemen néhány kutató abból a célból, hogy nagy mennyiségű elektromosságot gyűjtsenek egybe. Közönséges henger alakú üvegpalackból készült, amelynek külső és belső oldalát vékony ezüstfólia borította. Ha a külső fólia földelve van (vagyis össze van kötve a földdel), a belsőhöz pedig elektromosan töltött testet érintünk, vagy fordítva, akkor az elektromosság (akár gyanta-, akár üveg-elektromosság) igyekszik a földbe kerülni, de az üvegréteg megállítja az áramlást. Ily módon nagy mennyiségű elektromosság gyűlik össze a palackban, és “hatásos” szikrákat lehet létrehozni, ha a belső és külső fóliát dróttal kötjük össze. A régimódi leydeni palackból ma különféle kondenzátortípusok fejlődtek ki, amelyek sok vékony levegő-, üveg- vagy csillámréteggel elválasztott fémlapból állnak. Az ilyen kondenzátorokat, amelyek igen nagy mennyiségű elektromosságot képesek tárolni, a fizika és az elektrotechnika minden területén alkalmazzák. Benjamin Franklin
Az első részecskegyorsítót, amelyet 1930-ban John Gockroft és E. T. S. Walton a cambridge-i egyetemen szerkesztett, 1 millió voltra feltöltött kondenzátorokkal működtették. Ha a kondenzátorok hidrogént tartalmazó üvegcsövön át kisültek, akkor nagy energiájú ,,atomlövedék”-et hoztak létre, amelyek a cső végére helyezett lítiumdarab atomjait eltalálva, szétrombolták azt.
Ugyancsak a XVIII. században folytatta kísérleteit Benjamin Franklin (1706. jan. 17. – 1790. ápr. 17), a nagy amerikai államférfi és író, aki meglett korában, 40 évesen kezdett érdeklődni a fizika iránt. Nem elégedett meg a parányi szikrákkal, amelyeket úgy kapott, hogy sárcipőt dörzsölt prémes kabátjához. Sokkal nagyobb szikrákkal akart játszani, olyanokkal, amilyeneket Zeusz szór le a felhőkből égi háború idején. Ezért sárkányokat küldött fel a viharfelhőkbe, hogy azokból nyerjen elektromosságot. A sárkányt tartó nedves kötél tökéletes elektromos vezető volt, ennek segítésével fel tudta tölteni leydeni palackját, amiből aztán szikrákat kapott. Tanulmányait könyvben gyűjtötte össze Kísérletek és megfigyelések az elektromosság köréből, amelyeket Philadelphiában, Amerikában végeztek (Experiments and Observations on Electricity Made at Philadelphia in America) címmel, Áram iránya 1753-ban. Ennek alapján a Londoni Royal Society és a párizsi Academie Royale de la Science tagjává választották. Kísérleteivel versenyre tudott kelni Zeusszal, de nem volt ilyen eredményes az elektromos jelenségek elméleti magyarázatában, amikor bevezette az elektromos egy-fluidum hipotézist. Feltételezte, hogy az ,,üveg-elektromosság” az egyetlen elektromos fluidum és az elektromos állapot két különböző fajtája e súlytalan fluidum fölös mennyiségének vagy hiányának tulajdonítható. A fölös mennyiségű üveg elektromosságot tartalmazó testet (például a megdörzsölt üvegbotot) pozitív töltésűnek nevezte el, amelyikből hiányzott (például a megdörzsölt gumirudat), azt negatív töltésűnek. Ha két olyan test kerül össze, melyek egyike fölös, másika pedig hiányos mennyiségű elektromos fluidumot (üveg-elektromosságot) tartalmaz, akkor az elektromos áram az első testből, ahol fölös mennyiségben van, átáramlik a másikba, ahol hiányzik. Benjamin Franklin eme elképzeléséből alakult ki a modern terminológia, amely szerint az elektromos áram a pozitív elektródtól (az anódtól) áramlik a negatívhoz (a katódhoz).  Manapság tudjuk, hogy Du Fay két elektromos fluidumot feltételező felfogása közelebb áll a valósághoz, mint Frankliné, bár a helyzet sokkal bonyolultabb mindkettőjük elképzelésénél. Vannak pozitív és Charles Auguste Coulombnegatív töltésű részecskék és minden normálisan pozitív vagy negatív töltésű részecskéhez tartozik egy „anti-részecske”, amely éppen ellenkező töltésű. A fémdrótokban folyó elektromos áram esetében Franklin elképzelése állt közelebb az igazsághoz. Itt az elektromosság áramlása kizárólag az elektronok mozgásának tulajdonítható. Az eltérés csak az, hogy az elektronok gyanta-, és nem üveg-elektromosságot tartalmaznak. Mostanában felmerült az a javaslat, hogy a pozitív és a negatív elektromosság elnevezését cseréljék fel, hogy az áram konvencionális iránya a plusz pólustól a mínusz felé egybeessék az elektronok mozgásának az irányával. Ebben az esetben azonban azoknál a részecskegyorsítóknál volna baj az elnevezésekkel, amelyek nagyenergiájú protonokat lövellnek atomi célpontok felé: az elektromos áram így nem a részecskegyorsítók torkolatából indulna ki, hanem a célpontból. Folyadékok esetében, ahol az elektromosságot pozitív és negatív töltésű ionok szállítják ellenkező irányban, a terminológiának a változtatása semmit sem jelentene.

A XVIII. század második felében sok országban foglalkoztak az elektromos és mágneses erők tanulmányozásával. Az egyik fontos felfedezés ezen a téren Charles Auguste de Coulomb (1736. jún. 14. – 1806. aug. 23.) francia Torziós mérleg fizikus nevéhez fűződik, aki megszerkesztette az úgynevezett „torziós mérleg”-et az igen csekély erők mérésére. Fő része hosszú vékony szálra függesztett rúd, melynek két végén két egyenlő nehéz gömb van. Ha nem hat erő a gömbökre, akkor a rúd beáll valamilyen egyensúlyi helyzetbe. Ha az egyik gömbön elektromos töltés van és közelébe egy másik töltött gömböt helyezünk, akkor az elmozgatható gömbre ható elektromos erő a rudat a felfüggesztési pont körül addig forgatja, amíg a szál forgatónyomatéka ki nem egyensúlyozza a hatóerőt. Mivel a szál nagyon vékony, a gömbre ható kis erő is jelentékenyen elfordítja a rudat eredeti helyzetéből, mégpedig úgy, hogy az elfordulási szög arányos az erővel. Coulomb a mozgó és mozdulatlan gömböket különböző elektromos mennyiséggel feltöltve és a köztük levő távolságot változtatva, felfedezte a róla elnevezett törvényt. Eszerint, az elektromos vonzó és taszító erő egyenesen arányos a két töltés szorzatával és fordítva arányos a köztük levő távolság négyzetével. E törvény alkalmazásával a töltés elektrosztatikus egységét, a franklint úgy definiálhatjuk, mint azt a töltést, amely 1 din Coulumb tötvénye erővel hat 1 cm-nyi távolságban levő ugyanolyan töltésre. A gyakorlatban a coulombot használjuk az elektromos töltés egységéül, amely a fentebb definiált elektrosztatikus egységnél, a franklinnél 3 milliárdszor nagyobb. Coulomb ugyanezt a torziós mérleget használta a mágnesek kölcsönhatásának vizsgálatára. Egy mágnest függesztett a szálra, a műszert körülvevő üvegedény tetején keresztül pedig egy másik mágnest dugott be függőlegesen. Kimutatta, hogy ugyanaz a törvény érvényes a mágneses kölcsönhatásra is. A mágneses póluserősség egysége ezért úgy definiálható, mint annak a mágneses pólusnak az ereje, amely 1 din erővel vonz vagy taszít egy 1 cm távolságra elhelyezett ugyanolyan erejű pólust.

A század közepén brit hajók több olyan különös trópusi édesvízi halat hoztak Londonba, melyek fájdalmasan megrázták azt, aki hozzájuk nyúlt. Tanulmányozás során a biológusok megállapították, hogy a hal csak akkor ráz, ha feje tetejét és testének alsó részét két kézzel érintették Luigi Galvani és a leydeni palack hatására emlékeztetett, amelyet akkoriban találtak fel. A halat ezért elektromos angolnának (Gymnotus electricus) nevezték el. Amikor bebizonyosodott, hogy a halat leydeni palack töltésére is lehet használni, nem volt többé kétséges, hogy villamos kisüléssel állnak szemben. A hal által létrehozott elektromosság felkeltette Luigi Galvani (1737. szept. 9. – 1798. dec. 4.) olasz fiziológus érdeklődését. Békacombok izomösszehúzódását Galvani bolognai étteremben kezdte tanulmányozni. Egyszer észrevette (így szól a történet), hogy az erkélye vasrácsán rézhorgon lógó levágott békaláb úgy rángatózott mint az élőé, amikor hozzáért a rács vasához. Hogy „kontrollált feltételek mellett” folytathassa megfigyelését, Galvani kísérletet végzett — laboratóriumi jegyzőkönyve tanúsága szerint 1786. szept. 20-án —, amelyben egy vasággal és egy rézággal bíró villával megérintette a békaláb idegét és izmát. Alessandro Volta A békaláb minden érintésnél azonnal összehúzódott. Galvani tévesen bizonyosra vette, hogy ez az elektromos angolna által okozott elektromos ütésekhez hasonló jelenség. Barátja, Alessandro Volta (1745. feb. 18. – 1827. már. 5) olasz fizikus hamarosan bebizonyította, hogy a békaláb összehúzódását okozó villamos áram tisztára szervetlen eredetű jelenség, amelyet mindig megfigyelhetünk, ha kétféle fémből összeforrasztott drót végét vizes sóoldatba mártjuk. Volta ezt a jelenséget fiziológus barátja tiszteletére galvanizmusnak nevezte el. Szerkesztett egy, ma ,,Volta-oszlop”-nak nevezett eszközt, amely nagyszámú, váltakozóan egymásra következő réz- és vas- vagy cinkkorongból áll, köztük sóoldatba mártott szövetrétegekkel. A Volta-oszlop az olyan modern villamos elemek prototípusa, amelyeket ma is használunk a zseblámpában és sok más készülékben. 1800 márciusában Volta beküldte a felfedezését leíró kéziratot közlésre a londoni Royal Society-nek, amely akkor a tudományos eszmecserék nemzetközi centruma volt. Ekkor igen szerencsétlen dolog történt. Carlisle és Nicholson, akik a Royal Society Volta kisérlete békacombbal Volta oszlop kiadványainak intézésével voltak megbízva, félretették a kéziratot, megismételték Volta kísérleteit és az eredményeket saját nevükkel közölték. Mesterkedésük azonban nem járt sikerrel. Volta vizsgálatait más forrásokból már ismerték, Carlisle-t és Nicholsont tudományos plagizálással vádolták és ők eltűntek a feledés homályában. Manapság a Volta-oszlop és a volt, az elektromos potenciál (feszültség) egysége örökíti meg a nagytehetségű olasz természettudós nevét.

Az elektromos potenciál a töltött testek elektromosságának a mértéke: tegyük fel, hogy van egy nagy gömb alakú vezetőnk, bizonyos elektromos töltéssel, amelyet növelni kívánunk. Ezt megtehetjük úgy, hogy szigetelt fogóval kis meghatározott töltésű fémgömböt a nagy gömbtől elég nagy távolságból (elméletben végtelen távolból) a nagy gömbhöz hozunk és hozzá érintjük. A két gömb között ható Coulomb-taszítás miatt bizonyos munkát kell végeznünk, hogy a két gömböt összehozzuk. Azt a munkát, amelyet így végezni kell ahhoz, hogy a nagy gömb töltését egységnyivel növeljük, a gömb elektromos potenciáljának nevezzük. Ha az elektromos töltést coulombban mérjük, a munkát pedig joule-ban, akkor az elektromos potenciált voltban kapjuk.

Henry Cavendish Nagyjából ugyanebben az időben élt Angliában egy igen különc és zárkózott jellemű férfi, Henry Cavendish (1731. okt. 10 – 1810. feb. 24), egy angol főnemes fia. Nem voltak barátai, félt a nőktől, Clapham Common-ban levő nagy háza cselédlányainak azt parancsolta, hogy ne mutatkozzanak előtte, az étkezésre vonatkozó utasításait naponta a hall asztalán hagyott cédulán találják meg. Nem érdekelte sem a zene, sem más művészet. Minden idejét a palotája magánlaboratóriumában végzett fizikai és kémiai kísérletekkel töltötte. Munkáját csak a hagyományos egészségügyi séták szakították félbe vagy pedig a Royal Society Club vacsorái, amelyeken hébe-hóba részt vett, hogy tájékozódjék afelől, min dolgozik a többi fizikus és kémikus. 79 éves korában halt meg s hosszú élete folyamán csak néhány aránylag jelentéktelen tanulmányt tett közzé. Publikált tanulmánya a fémek savakkal történő reakciója során felszabaduló „gyúlékony levegő” (hidrogén) és egyéb gázok tulajdonságaival foglalkoznak. Halála után azonban 1 millió fontot találtak a bankszámláján és 20 kötetnyi feljegyzést a laboratóriumában. A feljegyzések hosszú ideig rokonai kezében maradtak. Amikor, mintegy 100 évvel később, nyilvánosságra hozták őket, kitűnt, hogy Henry Cavendish egyike volt a legnagyobb kísérleti fizikusoknak és kémikusoknak, akik valaha éltek. Cavendish megalkotta az elektromos potenciál fogalmát, bevezette a kapacitás egységét, összefüggést adott meg a síkkondenzátor kapacitására. Megalkotta az anyagok dielektromos állandójának fogalmát. Megállapította az elektromos feszültség és az áramerősség közötti összefüggést (amely ma Ohm-törvényeként ismert). Felismerte a párhuzamosan kapcsolt áramköri ágakban folyó áramok erőssége Cavendish mérlege közötti összefüggést (ezt ma Charles Wheatstone nevéhez kötjük). Coulomb-mal egy időben fedezte fel az elektromos és a mágneses kölcsönhatások törvényeit. Kémia terén végzett munkássága pedig egyenrangú Lavoisier teljesítményével. Torziós inga segítségével tanulmányozta a kis tárgyak közti rendkívül gyenge gravitációs erőt és kísérletei alapján meghatározta a Föld tömegének egzakt értékét (pontosabban sűrűségét). Fizikai egység ugyan nincs róla elnevezve, a cambridge-i Cavendish Laboratórium azonban egyike a világ legnagyobb hírű tudományos központjainak.

Motor- és hajtásvezérlés alapelvei.

comments Comments Off on Motor- és hajtásvezérlés alapelvei.
By , 2011. September 19 18:23

Villamos hajtásról, mozgásvezérlésről, pozicionálásról, és alkalmazási területekről általánosan.

Legyen szó hobbiról, háztartási vagy ipari alkalmazásról, mindenhol találkozunk villamos hajtással. Legyen ez játékautó, turmixgép, ablaktörlő vagy nagy precizitású marógép a lényeg ugyanaz: elektromos energiát alakítunk át valamilyen mozgási energiává.  Attól függően, hogy ez a mozgás mennyire pontos, reprodukálható illetve mekkora teljesítményűnek kell lennie, más és más megoldások születnek. Néha végtelenül bonyolultaknak tűnhetnek és manapság nem ritka, hogy ezeknek a folyamatoknak a vezérlését speciális számítógépek végzik (hiszen ezért lettek kifejlesztve, hogy unhatatlanul ugyanazzal a pontossággal újra és újra végezzék el a rájuk bízott munkát).

Vázlatos motorvezérlés

De nézzük csak, milyen elemekből áll össze egy ilyen vezérlés. A képen egy mozgásvezérlő egyszerűsített vázlata látható, melyben a mechanizmus (Me) a meghajtott eszköz (tengely, kar, kerék vagy egy bonyolultabb rendszer), Mo – a nyomatékot szolgáltató motor, E – végfok vagy más szóval erősítő, mely a vezérlő (Ve, lehet előre programozott v. programozható) által megküldött parancs alapján (gyorsít, állandó sebességgel forog, lassít, helyben tart, áll) a motor fizikai tulajdonságainak megfelelően elektromos jelet generál (lehet egyenáram, váltó áram; szinusz, kocka, fűrész vagy egyéb egy vagy több fázisú jel), S – érzékelő (mérő rendszer), mely visszacsatolást biztosít a vezérlőnek, erősítőnek a pillanatnyi helyzetről (sebesség, pozíció és más jellemzők) ezáltal biztosítva a rendszer helyes és optimális működését.  A Táp -egység biztosítja az egész rendszer energiáját, megfelelő feszültséget és kellő mennyiségű áramot szolgáltatva a rendszer elemeinek.  Mivel a gépeket általában emberek is kezelik, így egy kezelőfelület, idegen szóval, Human-Interface (HI) is helyet kap a rendszerűnkben. Ezen keresztül közöljük, hogy milyen műveleteket szeretnénk elvégezni. Ez a művelet is lehet nagyon egyszerű – egy kar elmozdítása, egy zár nyitása vagy egy egész  komplex program, melynek eredménye egy kész termék, becsomagolva, szállítási okmányokkal ellátva. A határ a csillagos ég, de térjünk vissza az elemi részekhez -motorokhoz és mozgásvezérlőkhöz.

Villamos hajtások terén igen széles és folyton bővülő választékkal rendelkezünk (folynak kutatások olyan mozgató eszközök fejlesztésében, melyek az izomműködés elvét használnák fel elektromos-mechanikus energia átalakításában). Ezekből az alkalmazásnak leginkább megfelelő technológiájú eszközöket célszerű választani. Minden motor-technológiának megvannak a határai, gyenge pontja(i) és sajátos hajtást igényel(het).

Továbbiakban egy rövid összefoglalást szeretnék adni arról, hogy a fent említett motortechnológiák milyen értékeken belül alkalmazhatók és milyen tulajdonságokkal vértezték fel ezeket. Mivel a hobbi-élet Magyarországon magas százalékban árérzékeny, megpróbálom ennek megfelelő sorrendbe rakni ezeket, figyelembe véve a karbantartási és a vezérlési kiadásokat.

Panorama Theme by Themocracy