Hranolový spektrometr (obr. 1) je zařízení k měření
a identifikaci spekter světelných zdrojů. Jeho hlavními částmi jsou: vstupní
štěrbina, kolimátor, lámavý hranol a otáčivý dalekohled s úhlovou stupnicí.
Činnost přístroje je založena na jevu zvaném optická disperze, kdy se světlo
různých vlnových délek při průchodu hranolem láme pod různými úhly. Při normální
disperzi se světlo kratší vlnové délky (např. modré) láme více než světlo
delší vlnové délky (např. červené), při tzv. anomální disperzi je tomu naopak.
Před vlastním pozorováním je nutné dalekohled zaostřit na nekonečno a seřídit
kolimátor tak, aby vytvářel obraz štěrbiny v nekonečnu. Pozorovatel pak
vidí v dalekohledu ostrý obraz bez nutnosti akomodace oka a je také zaručen
maximální jas obrazu.
Obr. 1. Hranolový spektrometr.
Mřížkový spektrometr (obr. 2) je zařízení k měření a identifikaci spekter světelných zdrojů. V zásadě je podobný hranolovému spektrometru, od kterého se liší použitím optické mřížky místo hranolu. Skládá se z vstupní štěrbiny, kolimátoru, optické mřížky a otočného dalekohledu s úhlovou stupnicí.Princip: rovnoběžný svazek světla z kolimátoru dopadá na optickou mřížku, kde dochází k jeho difrakci (ohybu). Protože světlo menší vlnové délky se ohýbá méně než světlo větší vlnové délky, lze v dalekohledu pozorovat spektrum světelného zdroje.Při pozorování by měl být kolimátor a dalekohled seřízen obdobně jako u hranolového spektrometru.
Obr. 2. Mřížkový spektrometr.
Sodíková výbojka (obr. 3), používaná v našich měřeních, se zapojuje přímo do sítě 220 V a zapíná se páčkou na přední straně. Vlastní těleso výbojky je výškově nastavitelné. Před měřením je nutno nechat sodíkovou výbojku alespoň pět minut žhavit.
Obr. 3. Sodíková výbojka.
Lasery jsou zdroje světla, které se vyznačují třemi základními
vlastnostmi: vysokou monofrekvenčností (monochromatičností), extrémně úzkým
výstupním svazkem s malou rozbíhavostí a tzv. koherencí. Jednoduše řečeno,
koherence znamená, že amplituda vystupujícího záření je v čase i prostoru
popsána spojitou sinusovou funkcí. U nekoherentních zdrojů, např. výbojek,
se amplituda velmi rychle mění více či méně chaoticky kolem určité střední
hodnoty.
Náš školní laser má síťový adaptér, který se zapojuje do sítě 220 V.
Zapíná se otočením klíčku na zadní straně. Chod laseru (tj. generace laserového
záření) je indikován červenou kontrolkou na horní straně přístroje. V přední
části je umístěno bowdenové lanko s tlačítkem, které umožňuje dočasné
dvojnásobné zvýšení výkonu výstupního svazku.
Obr. 4. Hélium - neónový laser.
Sada spektrálních trubic (Obr. 5) je skupina šesti výbojek, naplněných různými zředěnými plyny. Konkrétně se jedná o N2, H2, CO2, O2, neón a hélium. Nejčastěji se používá héliová výbojka, která dává pěkné čarové spektrum s několika jasnými různobarevnými čarami ve viditelné oblasti. K vybrané výbojce se přivádí vysoké napětí řádově jednotek až desítek kV z externího zdroje, např. Ruhmkorfova induktoru. Jeden přívod se upevňuje na horní konec vybrané výbojky, druhý vodič je uchycen šroubem uprostřed spodní, kovové části rámu.
Obr. 5. Sada spektrálních trubic.
Ruhmkorfův induktor (Obr. 6) je přístroj sloužící jako
laboratorní zdroj vysokého napětí. Na vstupní svorky se přivádí zpravidla
stejnosměrné napětí 6 až 8 V, na výstupu vzniká pulsující napětí se špičkami
až několika desítek kV.
Základní části přístroje: vstupní svorky se spínačem (na obrázku vpravo dole,
páčka spínače je červená), tzv. Wagnerovo kladívko (na obrázku těsně nad červenou
páčkou spínače), těleso s cívkami sloužící jako transformátor a elektromagnet
současně (modrý válec), výstupní vysokonapěťové svorky (svislé kovové tyčky
nahoře). Na výstupních svorkách je horizontálně umístěno jiskřiště.
Přístroj funguje na principu elektromagnetické indukce. Wagnerovo kladívko
rychle kmitá a přerušuje tak primární obvod, následkem čehož primární proud
pulsuje s ostrými špičkami. Intenzivní změny primárního proudu indukují
v sekundární cívce rychlé pulsy vysokého napětí, jejichž velikost je
úměrná poměru počtu závitů sekundární a primární cívky a rychlosti změn primárního
proudu. Wagnerovo kladívko je rozkmitáváno elektromagneticky podobně jako
palička u klasického domovního zvonku.
I přes vysoké výstupní napětí není práce s Ruhmkorfovým induktorem nebezpečná,
protože se jedná o tzv. měkký zdroj, který dává jen malý proud. Při doteku
výstupních svorek nebo z nich vedoucích kabelů (a to i přes jejich izolaci)
obdržíte “pouze” nepříjemnou elektrickou ranku.
Obr. 6. Ruhmkorfův induktor.
Digitální multimetr DM-1 (Obr. 7) je univerzální přístroj,
kterým lze měřit elektrické napětí, proud a odpor. Jeho předností je aktivní
(svítící) displej a dlouhodobá spolehlivost.
Měřená veličina se přivádí na vstupní svorky, označené HI a LO. Svorka HI
musí být při měření kladnější než svorka LO. V opačném případě se na
displeji objeví “c”, signalizující chybu. Druh měřené veličiny a měřící rozsah
se nastavuje kruhovým voličem na pravé části předního panelu. Navolený režim
je indikován červeným trojúhelníčkem. Páčka vpravo od kruhového voliče slouží
k přepínání mezi stejnosměrným a střídavým proudem a režimem pro měření
odporů. Přístroj se zapojuje do sítě 220 V a zapíná se páčkou na
zadní straně.
Obr. 7. Digitální multimetr DM-1.
2.8 Univerzální zesilovač napětí
Univerzální zesilovač napětí firmy PHYWE (Obr. 8) slouží
k zesílení stejnosměrného nebo střídavého elektrického napětí. Vstupní
signál se přivádí na zdířky označené IN, výstupní signál se odebírá ze svorek
označených OUT. Zesílení se nastavuje otočným prvkem označeným VERSTÄRKUNG
(AMPLIFICATION) a může nabývat až hodnoty 
.
Nastavení dalších prvků na předním panelu: přepínač v poloze LOW DRIFT
(
), časová konstanta
ZEITKONSTANTE podle typu měření.
Přístroj je napájen z 220 V sítě a před měřením by měl být ponechán
zapnutý alespoň 20 minut.
Obr. 8. Univerzální zesilovač napětí.
2.9 Univerzální měřící zesilovač
Univerzální měřící zesilovač firmy PHYWE (Obr. 9) slouží
k zesílení a následnému měření stejnosměrného elektrického proudu, napětí
a náboje. Vstupní signál se přivádí na zdířky označené EINGANG/INPUT, výstupní
signál se odebírá z červené a modré svorky v pravé části předního panelu.
Rozsah vstupní veličiny lze navolit tlačítky v pravé horní části předního
panelu a je indikován svitem příslušné červené LED-diody.
Přístroj je napájen z 220 V sítě a před měřením by měl být ponechán
zapnutý alespoň 20 minut.
Obr. 9. Univerzální měřící zesilovač.
Na obrázku 10a vidíme optickou lavici délky 1 m, osazenou postupně zleva doprava světelným zdrojem, irisovou clonou, dvěma optickými čočkami a stínítkem. Obrázek 10b ukazuje krátkou optickou lavici délky 60 cm, na které jsou zleva doprava umístěny He-Ne laser, dva polarizátory a fotonka.
Obr. 10a. Optická lavice délky 1 m.
Obr.
10b. Optická lavice délky 60 cm.
V horní části obrázku 11 jsou zachyceny optické čočky v objímkách, vhodných pro upevnění v držácích optické lavice. Jedná se o dvě spojky s ohniskovými vzdálenostmi 10 a 15 cm a rozptylku s ohniskovou vzdáleností -10 cm. V dolní části vlevo je zobrazena tzv. irisová clona. U této clony je pomocí páčky možné měnit polohu stínících lamel a tím nastavovat požadovaný průměr otvoru clony. Vpravo od irisové clony se nachází mikroskopový objektiv o ohniskové délce 10 cm, který slouží v měřeních jako příklad tzv. tlusté čočky.
Obr. 11. Optické čočky a clony.
Polarizátorem rozumíme přístroj, který mění dopadající přirozené světlo na světlo lineárně (eventuelně i jinak) polarizované. Na obrázku 11 je znázorněn otočný polarizátor s úhlovou stupnicí, zasazený v držáku pro optickou lavici. U tohoto polarizátoru je možné navolit požadovaný úhel roviny polarizace vystupujícího polarizovaného světla.
Obr. 12. Otočný polarizátor se stupnicí
Polovodičová fotonka (Obr. 13) je optoelektronická součástka, která přeměňuje dopadající světlo na elektrický proud (tzv. fotoproud). Funguje na principu vnitřního fotoelektrického jevu, kdy dopadající fotony vyrážejí elektrony z valenčního pásu do vodivostního pásu polovodiče. Vlivem teplotních jevů na polovodičovém přechodu generuje fotonka určitý, byť relativně malý proud i bez osvětlení. Tento tzv. proud za temna je nutno odečíst od celkového proudu při osvětlení, pokud chceme měřit proud daný pouze osvětlením fotonky.
Obr. 13. Polovodičová fotonka.