Загальна інформація
Застосування
Оптоволоконний кабель
За допомогою світловодів можна передавати телефонні розмови, комп'ютерні дані, телевізійне зображення чи радіопрограми. Передавання повідомлень, або передавання інформації, відбувається за допомогою світла. Для цього електричні сигнали перетворюють на коливання яскравості світла, тобто на світлові імпульси. Це відбувається в електрооптичних перетворювачах. Ці імпульси передають на світловодний кабель. На довших ділянках через більші проміжки вбудовують підсилювачі світла, щоб компенсувати перетворення світлової енергії на інші форми енергії. Далі світло потрапляє в оптоелектричний перетворювач, у якому світлові імпульси знову перетворюються на електричні сигнали.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з принципом дії транзистора.
Принцип
За допомогою світлодіода світло можна передавати на більші відстані. Через високу частоту світла можна водночас передавати численні сигнали зображення і звуку. Можна продемонструвати різні форми сигналу при цифровому й аналоговому передаванні.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Учні мають на передбаченому досліді зрозуміти, як техніка зв'язку передає й перетворює дані.
Завдання
Доведи, що світловод може передавати цифрові й аналогові електричні сигнали.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Світловоди - це особливі кабелі з прозорих, оптично відносно густих матеріалів, які проводять світло, використовуючи повне внутрішнє відбивання. Найвідоміша форма світловодів - оптичні волокна, у яких світлопровідною речовиною є скло. Можна використовувати також особливі пластмаси.
Окремі оптичні волокна мають діаметр від до . Волоконно-оптичні кабелі складаються з тисяч таких окремих волокон. Їх збирають у джгут і покривають ізоляційним шаром. При повному внутрішньому відбиванні світлова енергія майже не втрачається. Проте у світловоді, звісно, відбувається постійне перетворення світлової енергії на інші форми енергії. Інтенсивність світла зменшується при проходженні крізь кабель. Для передавання повідомлень світловими засобами ця обставина має велике значення. Прості світловоди мають задовольняти відносно невисокі вимоги до оптичної якості. Вони слугують лише для перенесення світлової енергії і використовуються як волоконно-оптичні світильники, наприклад у великих офісах. На волоконно-оптичних світильниках можна вражаюче спостерігати, що світло виходить із них майже виключно на кінцях.
Обладнання
Складання та виконання
Складання
- Спершу збери частину 1 схеми зі світлодіодом відповідно до рисунка. Світловод поки що не використовуй.
Виконання (1/5)
- Встанови на функціональному генераторі прямокутну напругу частотою від до і напругу . Спостерігай за світлодіодом.
- Насади світловод на світлодіод і спостерігай за світлом на кінці світловода.
- Поступово підвищуй частоту сигналу функціонального генератора і спостерігай за світлом на кінці світловода. Швидко рухай кінець світловода і спостерігай при цьому за світлом (1).
- Поверни напругу на функціональному генераторі назад.
Виконання (2/5)
- Розшир установку досліду відповідно до рисунка ліворуч. Використай вивід гучномовця (з'єднувальний, розімкнутий, модуль над фототранзистором).
- Встанови для фототранзистора постійну напругу (приєднай обома окремими модулями з роз'ємом). Стеж за правильною полярністю.
- Насади світловод на фототранзистор.
Виконання (3/5)
Виконання досліду (3/5)
- Встанови спершу на функціональному генераторі частоту і підвищуй сигнальну напругу на функціональному генераторі, доки звук у гучномовці не стане чутним, проте максимального значення не перевищуй.
- Зміни частоту сигнальної напруги на функціональному генераторі. Запиши якісно висоту тону (2).
- Зніми світловод зі світлодіода і насади його знову.
- Вимкни блок живлення і функціональний генератор.
Виконання (4/5)
- Зміни установку досліду відповідно до рисунка ліворуч.
Виконання (5/5)
- Функціональний генератор поки що не вмикай і спостерігай за світлом на кінці світловода.
- Перемкни функціональний генератор на синусоїдну напругу, встанови частоту і напругу . Спостерігай за світлом на кінці світловода, потім поступово підвищуй частоту.
- Насади світловод на фототранзистор, увімкни блок живлення і доведи передавання сигналу за різних частот сигналу (3).
Волоконна оптика
Спостереження та опрацювання результатів
Опрацювання результатів
Спостереження і опрацювання результатів
У першому досліді демонструють спосіб цифрового передавання інформації світловодами, який у техніці зв'язку застосовують виключно. Для цього сигнали зображення чи звуку, які треба передати, перетворюють на цифрові сигнали, якими з високою частотою перемикають лазер, використаний як світлодіод.
Для передавання аналогових сигналів, продемонстрованого в третьому досліді, постійна напруга спричиняє те, що світлодіод випромінює світло навіть без сигналу. Накладена сигнальна напруга модулює яскравість світла. За надто великої амплітуди сигнальної напруги або за відсутності постійної напруги сигнал сильно спотворюється.
За допомогою світлодіода світло можна передавати на більші відстані. Через високу частоту світла можна водночас передавати численні сигнали зображення і звуку. Різні форми сигналу при цифровому й аналоговому передаванні можна продемонструвати, якщо спостерігати колекторну напругу за допомогою сенсорів Cobra SMARTsense або осцилографа.