Jak funguje kopírka?

Činnost digitální kopírky a laserové tiskárny (najdeme je téměř v každé kanceláři) je založena na přitahování nabitých částic k opačně nabitému povrchu. Technologii xerografie patentoval Chester Carlson ve 40. letech 20. století; slovo xerografie pochází z řečtiny a znamená „suché psaní“, u kopírky jde o přenos suchého práškového toneru pomocí elektrických jevů. Za masovým rozšířením komerčních kopírek a laserových tiskáren stojí firmy Xerox a Hewlett-Packard.

Základem kopírky je kovový, nejčastěji hliníkový válec, na nějž je nanesena tenká vrstva polovodivého fotocitlivého materiálu, např. selenidu arsenitého As₂Se₃. Odpor tohoto materiálu je ve tmě velmi vysoký, ale při ozáření světlem výrazně klesá – vrstva se v osvětleném místě stane vodivá.

V první fázi se vnější povrch této polovodivé vrstvy elektricky nabije. Slouží k tomu součástka zvaná korotron umístěná v těsné blízkosti válce. Jedná se o zevně izolovanou elektrodu tvořenou wolframovým pozlaceným vláknem, na které je přivedeno vysoké napětí (řádově desetitisíce voltů). Z takto silně nabitého vlákna srší náboje a ulpívají na polovodivé vrstvě. Sršení náboje je zvláštním druhem doutnavého elektrického výboje, který je znám pod jménem koróna – odtud korotron. Okraj kovového válce se elektrostatickou indukcí nabíjí nábojem opačné polarity.

Ve druhé fázi dochází k expozici. Zjednodušeně řečeno, tisková předloha se světelným paprskem nakreslí na nabitý válec. Místa na povrchu válce, která nejsou osvětlena, si zachovávají svůj náboj. Naopak exponované plošky polovodiče se stanou vodivými a povrchový náboj odteče polovodičem do nitra kovového válce. K osvitu se používají buď LED diody, přičemž jedna dioda odpovídá jednomu pixelu, nebo se v tiskárnách po válci „kreslí“ modulovaným laserovým paprskem. Tímto mechanismem na válci vzniká latentní obraz.

V následném kroku se na válec nanáší dvousložkový práškový toner. Toner je tvořen feromagnetickými částicemi o velikosti stovek mikrometrů sloužícími jako nosič náboje a samotnými částicemi barviva o velikosti přibližně 5 mikrometrů. Mícháním se tyto dvě složky vzájemným třením nabíjejí, a barvivo tak dobře přilne k nosiči. Nabitý toner se pak nanáší na válec: v místech, která nebyla exponována, je toner přichycen elektrostatickou silou, naopak v neutrálních místech, která osvícena byla, toner neulpí.

Pak již stačí přenést toner z tiskového válce na papír. Rubová strana papíru se korotronem silně nabije tak, aby se při kontaktu papíru s válcem částice barviva elektricky přitáhla k papíru. Závěrečnou fází tisku je fixace toneru k papíru. Ta se provádí nejčastěji působením vysoké teploty. Dochází k lokálnímu roztavení toneru, který se doslova zapeče k povrchu papíru.

Otázky:

1. Proč je papír vycházející z kopírky zahřátý?
2. Dokáže kopírka správně tisknout na papír pokreslený tužkou?
3. Vysvětlete, proč při použití silnějšího papíru musíte změnit nastavení kopírky.
4. Proč se při záseku papíru v kopírce může stát, že text z papíru setřete rukou?
5. Zjistěte, jakou hmotnost toneru obsahuje jedna kartuše u tiskárny, kterou máte doma, a kolik stránek s ní vytisknete. Vypočítejte, kolik gramů toneru je v průměru třeba k vytištění jedné stránky.

CERN

Převzato z https://home.cern/.

What is CERN's mission?

At CERN, our work helps to uncover what the universe is made of and how it works. We do this by providing a unique range of particle accelerator facilities to researchers, to advance the boundaries of human knowledge. The Laboratory, established in 1954, has become a prime example of international collaboration. Our mission is to:

• provide a unique range of particle accelerator facilities that enable research at the forefront of human knowledge.
• perform world-class research in fundamental physics.
• unite people from all over the world to push the frontiers of science and technology, for the benefit of all.

CERN's accelerator complex

The accelerator complex at CERN is a succession of machines that accelerate particles to increasingly higher energies. Each machine boosts the energy of a beam of particles before injecting it into the next machine in the sequence. In the Large Hadron Collider (LHC) – the last element in this chain – particle beams are accelerated up to the record energy of 6.5 TeV per beam.

Linear accelerator 4 (Linac4) became the source of proton beams for the CERN accelerator complex in 2020. It accelerates negative hydrogen ions (H-, consisting of a hydrogen atom with an additional electron) to 160 MeV to prepare them to enter the Proton Synchrotron Booster (PSB). The ions are stripped of their two electrons during injection from Linac4 into the PSB, leaving only protons. These are accelerated to 2 GeV for injection into the Proton Synchrotron (PS), which pushes the beam up to 26 GeV. Protons are then sent to the Super Proton Synchrotron (SPS), where they are accelerated up to 450 GeV.

The protons are finally transferred to the two beam pipes of the LHC. The beam in one pipe circulates clockwise while the beam in the other pipe circulates anticlockwise. It takes 4 minutes and 20 seconds to fill each LHC ring, and 20 minutes for the protons to reach their maximum energy of 6.5 TeV. Beams circulate for many hours inside the LHC beam pipes under normal operating conditions. The two beams are brought into collision inside four detectors – ALICE, ATLAS, CMS and LHCb – where the total energy at the collision point is equal to 13 TeV.

Protons are not the only particles accelerated in the LHC. Lead ions for the LHC start from a source of vaporised lead and enter Linac3 before being collected and accelerated in the Low Energy Ion Ring (LEIR). They then follow the same route to maximum energy as the protons.

CERN overview animation

https://videos.cern.ch/record/2020780

Otázky

Otázky:

1. Co je to CERN?
2. Co a proč v CERNu zkoumají?
3. Popište, jak se v CERNu vyrábějí urychlené protony. Nakreslete schéma řetězce urychlovačů.
4. Na internetu vyhledejte, jak na tomto projektu participuje Česká republika.

Kondenzátor

Kondenzátor je elektrotechnická součástka, která umožňuje uchovávat energii v podobě elektrického pole. Je tvořena dvěma vodivými elektrodami oddělenými izolující vrstvou. Základní charakteristikou kondenzátoru je kapacita.

Cílem této aktivity je prozkoumat základní vlastnosti kondenzátoru. K realizaci budete potřebovat kondenzátor o kapacitě 1 mF, stejnosměrný zdroj 6 V, voltmetr, přepínač, modrou a červenou LEDku, signální žárovku 6 V, spínač, vodiče.

Nabíjení kondenzátoru

Vybijte kondenzátor propojením jeho svorek vodičem.

Voltmetrem změřte napětí na zdroji.

Sestavte obvod podle schématu 18.8. Používáte-li elektrolytický kondenzátor, dejte pozor na polaritu jeho svorek. Prostřednictvím voltmetru sledujte napětí na svorkách kondenzátoru po přepnutí přepínače z polohy ② do polohy ① a pak po přepnutí z polohy ① zpět do polohy ②. Pozorované děje vysvětlete.

Energie nabitého kondenzátoru

Energie nabitého kondenzátoru se počítá podle vztahu \(\mathcal{E}=\frac12CU^2\). Jakou energii uchovává váš nabitý kondenzátor?

Vybíjení přes diodu a žárovku

Do předchozího obvodu zapojte červenou LEDku – viz následující schéma 18.9.

Nejdříve kondenzátor nabijte (přepínač v poloze ①). Potom nabitý kondenzátor připojte k diodě (přepínač v poloze ②) a sledujte jas diody a napětí na kondenzátoru.

Pokus opakujte s modrou LEDkou a se signální žárovkou.

Průběh a výsledek pokusu vysvětlete.

Vybíjení přes rezistor

Pokud máte k dispozici voltmetr řízený počítačem se vzorkovací frekvencí alespoň 1 000 Hz, můžete prozkoumat, jak probíhá vybíjení přes zátěž s konstantním odporem.

Nejdříve kondenzátor nabijte (přepínač v poloze ①). Potom nabitý kondenzátor připojte k rezistoru (přepínač v poloze ②) a současně spusťte měření napětí na kondenzátoru.

Použijte postupně rezistory o odporu 1000 Ω, 470 Ω, 100 Ω.

Délka měření stačí 5 s, doporučujeme spouštět měření triggerem.

Vysvětlete, jak závisí rychlost vybíjení na odporu a proč nedojde k vybití okamžitě.

Pokud nemáte k dispozici voltmetr řízený počítačem, můžete analyzovat experimentální křivky v následujícím obrázku.

Svítící lodičky

Postavte si svítící lodičky. Budete potřebovat zdroj stejnosměrného napětí 30 V, dvě elektrody (rovné kovové plíšky o délce přibližně 10 cm), vodiče, nádobu o šířce dna zhruba 20 cm, tenké proužky polystyrenu, LED různých barev, vodiče, izolepu.

Z polystyrenu vyřízněte „lodičku“ o rozměrech 1 cm × 4 cm. Tloušťka stačí 3 až 5 mm. Vytvarujte přívodní vodiče diody a zasuňte ji do polystyrenu, jak ukazuje obrázek 18.12. Vzdálenost kontaktů \(d\) by měla odpovídat následující tabulce:

Elektrody upevněte izolepou ke stěnám nádoby. Umístěte je naproti sobě ve vzdálenosti 10 cm až 15 cm. Do nádoby nalijte osolenou vodu. Pak už stačí připojit zdroj – a můžete vyplout!

Otázky:

1. Proč některé lodičky svítí a jiné nikoli?
2. Změnilo by se něco, kdybyste místo stejnosměrného zdroje použili střídavý?
3. Proč svítí víc lodička, která připluje k elektrodě?