Elektřina a senzory

Všechny materiály se skládají z malých částic zvaných atomy. Atomy se skládají z ještě menších částic zvaných protony, neutrony a elektrony. Protony, které se v atomu nacházejí, mají kladný náboj a elektrony mají záporný náboj. Tyto náboje se vzájemně vyrovnávají, takže atom má celkově neutrální náboj.

Elektrický proud

Elektřina se může projevovat jako tok elektronů nebo nábojů. Tok elektronů nebo nábojů se nazývá elektrický proud.

V elektrickém obvodu se budou po celé jeho dráze volně držet elektrony. Když se do obvodu dodá elektrická energie, vytvoří se elektrické pole, které způsobí, že tyto elektrony v obvodu začnou proudit všechny najednou jako voda tekoucí v potrubí nebo hadici.

Elektrické obvody

Umělé senzory jsou založeny na elektrických obvodech. Elektrické obvody se skládají ze specifických elektrických součástek, zdroje energie a spojovacích vodičů a mohou spínat nebo měnit elektrický proud. Tok elektrických nábojů v obvodu je řízen elektrickou vodivostí použitého materiálu, součástkami a konstrukcí obvodu. Obvod může být navržen tak, aby v různých částech obvodu proudilo různé množství elektrických nábojů, takže části obvodu mohou mít různé, ale vzájemně se ovlivňující úlohy.

Elektronika je použití malých součástek, jako jsou polovodičové součástky, v elektrických obvodech k řízení toku elektrických nábojů nebo k vykonávání určité funkce. To se provádí zvýšením nebo snížením proudu nebo úplným zastavením toku. Většina elektrických zařízení využívá elektroniku – od jednoduchého vypínače, který rozsvítí světlo, když se setmí, až po složité obvody, které mají za úkol vykonávat mnoho funkcí, jako je tomu například uvnitř praček nebo robotů.

Vodivost

Když něčím protékají elektrické náboje, říkáme tomu elektrické vedení. Látku, kterou elektrické náboje protékají, nazýváme vodič.

Různé materiály mají různou elektrickou vodivost. Ta udává, jak snadno materiálem prochází elektrický proud. Opakem vodivosti je elektrický odpor – jak těžké je pro elektrický náboj procházet materiálem.

Některé materiály, například kovy, mají ve své atomové struktuře volně uložené elektrony, které umožňují snadný průchod elektrických nábojů, a proto jsou velmi užitečné jako vodiče spojující různé součástky v obvodu. Příkladem dobrého vodiče je kovová měď, která se často používá jako spojovací vodiče.

Látky, které neumožňují tok elektrických nábojů, se nazývají izolanty. Například guma, plast a vzduch jsou špatné vodiče, a proto jsou užitečné jako izolátory, které blokují tok elektrických nábojů.

Další materiály s vodivými vlastnostmi, které jsou mezi dobrými vodiči a izolátory, například křemík, se nazývají polovodiče. Jejich elektrickou vodivost lze měnit typem atomů použitých k jejich dopování nečistotami. Polovodičové součástky, jako jsou diody a tranzistory, mohou měnit svou schopnost vést náboje v závislosti na určitých podmínkách, například na napětí. Díky tomu jsou polovodiče užitečné jako senzory a spínače, které reagují na změny fyzikálních podmínek.

Například tepelný senzor zvaný termistor mění svou schopnost propouštět přes něj elektrické náboje v závislosti na teplotě. Umístěním termistoru do elektrického obvodu lze zapnout nebo vypnout proud v jiné části obvodu, například vypnout topení, pokud se vzduch příliš zahřeje. Stejně jako senzory v lidské kůži vysílají impulsy do mozku, kde jsou informace analyzovány a my cítíme teplo nebo chlad, ve strojích se elektronika používá k analýze snímaných fyzikálních podmínek prostřednictvím změn elektrického proudu.

Jak fungují senzory?

Senzory reagují na změnu fyzikálních podmínek změnou svých elektrických vlastností. Většina umělých senzorů se tedy spoléhá na elektronické systémy, které zachycují, analyzují a předávají informace o prostředí. Tyto elektronické systémy se při své činnosti spoléhají na stejné principy jako elektrické obvody, takže schopnost řídit tok elektrické energie je velmi důležitá.

Jednoduše řečeno, senzor převádí podněty, jako je teplo, světlo, zvuk a pohyb, na elektrické signály. Tyto signály procházejí rozhraním, které je převede na binární kód a ten předá počítači ke zpracování.

Mnoho senzorů funguje jako spínač, který řídí tok elektrických nábojů v obvodu. Spínače jsou důležitou součástí elektroniky, protože mění stav obvodu. Součásti senzorů, jako jsou integrované obvody (čipy), tranzistory a diody, obsahují polovodičový materiál a jsou součástí obvodů senzorů, takže fungují jako spínače. Například tranzistor funguje tak, že pomocí malého elektrického proudu v jedné části obvodu sepne velký elektrický proud v jiné části obvodu.

Aktivní a pasivní senzory

Většina senzorů využívá k detekci objektů a změn v jejich okolí záření, jako je světlo nebo laser, infračervené rádiové vlny nebo jiné vlny, například ultrazvukové vlny. Mohou tak činit díky tomu, že v sobě mají zdroj energie, který jim umožňuje vysílat záření směrem k cílovému objektu. Toto záření se od objektu odráží zpět a je detekováno senzorem – tomu se říká aktivní senzor, například při použití radaru.

Pasivní senzory nevysílají vlastní záření nebo vlny – detekují záření, které je emitováno jejich cílovými objekty, například teplo nebo tepelné infračervené záření, nebo detekují záření z nějakého vnějšího zdroje, například Slunce, které se od objektů odráží. Příkladem je termistor pro elektronické měření teploty.

Výhodou použití senzorů je, že nejsou rušivé a jsou schopny snímat na dálku. Aktivní i pasivní senzory mohou být namontovány na satelity obíhající kolem Země, aby zachytily informace o našem životním prostředí. Záření nebo vlny či jiné fyzikální jevy zachycené senzory jsou převedeny na elektrické signály a zpracovány počítači.

RobotMARVIN je vybaven aktivními senzory, jako jsou infračervené senzory, ultrazvukové senzory a laserové senzory. Čítačový senzor, který určuje vzdálenost, kterou MARVIN urazí, je pasivní senzor.