Fizikai Szemle 2009/7-8. 265.o.

HOGYAN KÉSZÍTETTEM TÖLTÉSMEGKÜLÖNBÖZTETŐ ELEKTROSZKÓPOT?

Fizika előadáson láttam egy elektronikus elektroszkópot, amelyet érdekességként mutattak be a kísérletek között. Nekem nagyon tetszett, és szerettem volna egyet otthon csinálni, de a kapcsolási rajzot senki sem ismerte. Mindjárt előadás után nekiálltam gondolkodni rajta, hogy mit is kellene csinálnom.

Annyit lehetett tudni róla, hogy van benne két FET. Az ELTE Apáczai Csere János Gyakorló-gimnáziumába jártam matematika-fizika tagozatra, és itt tanultunk a FET-ekről is. A FET egy térvezérlésű tranzisztor. Három lábat szoktak kivezetni - ezek a source, drain és gate névre hallgatnak. A source belül még egy helyre le van kötve, hogy töltéseket biztosítson.

A gate egy szigetelővel el van választva a rendszertől, és ha töltés van rajta a source-hoz képest, akkor magához vonz töltéseket, amiből a szigetelő túloldalán kialakul a vezető csatorna a source és a drain között. A gate-re vigyázni kell, mert a szigetelő nagyon vékony és könnyen át lehet jutni, ha közvetlenül kap elektrosztatikus töltéseket. (Van olyan FET is, ami megszünteti a csatornát, de én nem ilyet használtam most.) A FET lehet n- vagy p-csatornás, az előbbi a pozitív töltésre érzékeny, az utóbbi pedig a negatív töltésre. Ez a működés pontosan az, ami nekem kell az elektromos tér érzékeléséhez, a kétféle FET pedig megkülönbözteti a töltést. Analóg kapcsolóelemként működik a FET, ezért ha egy LED-et vezérelek vele, a fényereje fogja mutatni a térerősséget. A kétféle érzékelőből készített egységeket párhuzamosan kötve lesz két LED-em, egy piros és egy kék, ami a megfelelő elektromos térben változó fényerővel fog világítani. A két gate persze nem összeköthető, mert resetnél nem tudnám mind a kettőt egyszerre olyan töltésre hozni, hogy mind a két LED elaludjon, vagy világítson maximális fényerővel. Köztes állapotba tudnám állítani, de akkor meg nem lenne olyan megbízható, mert nincs két egyforma félvezetőelem, tehát semmi sem garantálná az egyforma fényerőt.

Nagyjából ennyit tudtam, és innen kezdődött a kísérletezés. A gyakorlatban most először volt szükségem FET-re, tranzisztorokból mar építettem ehhez hasonló áramköröket is, de ez nem segített a típus kitalálásában. Itt a szerencsére bíztam magam, mert akármilyen FET-et sikerül vennem, valahogyan fog reagálni. A nyitófeszültségnek kell mindössze 3 V alatt lenni, hogy elemről könnyen tudjam használni, úgyhogy rábíztam a választást az eladóra, és szerencsém is volt. Egy IRF9530N és egy IRF540 tipusú FET-et kaptam, ami 100 V-ot és 25 A-t kibír, tehát nagyon túl van méretezve, de jól működik. Ezekkel kezdtem kísérletezni. Meg a 12. születésnapomra kaptam egy Clementoni Electronic Project Lab nevű játékot (ehhez volt egy leírás is, amit már rég elvesztettem, de nagyon egyszerű áramkörök voltak benne, és ekkor ismerkedtem meg a tranzisztorokkal, diódákkal). Ez tulajdonképpen egy papírlap néhány rugóval, amelyek elektronikus alkatrészek lábaihoz vannak kötve, és alájuk be lehet szorítani a vezetékeket. Ezt a játékot kotortam elő egy dobozból és ezzel próbáltam ki a FET-et, amit vettem. Néhány próba után kiderült, hogy a legszebben akkor működik, ha egy tranzisztorral még erősítek a jelen és így vezérlem a LED-et. Amikor mind a két egység működött külön-külön, akkor fogtam egy kartonpapírt, és ebbe fűztem bele az alkatrészekre forrasztott vezetékeket. Összecsavartam, amit össze akartam kötni, és celluxszal szigeteltem, így egy könnyen módosítható áramkört kaptam. Meg a két gate-et kellett valahova raknom. Ezekre egy-egy alufólia-gombóc került antennának, és úgy helyeztem el őket, hogy közéjük tudjak rakni meg egy gombócot, amire majd töltést tudok fölvinni, azonban nincs fémes kapcsolatban a gate-ekkel, így nem is teszi tönkre őket. Gyakorlatilag egy „háromrétegű kondenzátor” középső fegyverzete lett az antenna. Vegul az összes alkatreszt gyurmaragasztóval leragasztottam a papírra. Amikor kipróbáltam persze nem akart reagálni a pozitív töltésre, holott nem volt kontakthibás. Nem volt üvegrudam, amivel biztos kísérletet tudtam volna csinálni, úgyhogy egy bakelitrúddal szedegettem le a negatív töltést, a kezemmel összekötöttem a gate-et az elem pozitív sarkával. (Az üvegpoharak természetesen ott voltak a konyhában, de előbb oldódott meg a probléma,  minthogy elmenjek értük.) Amikor külön próbáltam ki ezt az áramkörrészletet, akkor 4,5 V-ot kapott, most pedig csak 3 V-ot. Az n-csatornás FET-nek 3 V környékén volt a nyitófeszültsége. Amikor ez is megoldódott, elkezdtem kísérletezni azzal, hogy mikor mutatja a legszebb jelet. Ha mindkét gate 0 V-on volt a sourcehoz képest, akkor mutatott valamit, de nem olyan szépen, mint amikor az elem segítségével töltöttem fel a kondenzátor mindkét gate-hez tartozó fegyverzetét. Ekkor persze a LED-ek elhalványultak a töltés közelítésére és így erősödő elektromos tér hatására, de a megfelelő maradt égve.

Czétényi Benjámin
BME informatikus hallgató