Elektromosság és érzékelők

Minden anyag apró részecskékből, úgynevezett atomokból áll. Az atomok még kisebb részecskékből, protonokból, neutronokból és elektronokból állnak. Az atomban található protonok pozitív töltéssel, az elektronok pedig negatív töltéssel rendelkeznek. Ezek a töltések kiegyenlítik egymást, így az atom összességében semleges töltést kap.

Elektromos áram

Az elektromosság elektronok vagy töltések áramlásaként jelentkezhet. Az elektronok vagy töltések áramlását elektromos áramnak nevezzük.

Egy elektromos áramkör útja mentén végig lazán tartott elektronok vannak. Amikor az áramkörbe elektromos energiát juttatunk, elektromos mező jön létre, amelynek hatására ezek az elektronok az áramkörben egyszerre áramlanak, mint a csőben vagy tömlőben áramló víz.

Elektromos áramkörök

A mesterséges érzékelők elektromos áramkörökön alapulnak. Az elektromos áramkörök meghatározott elektromos alkatrészekből, áramforrásból és csatlakozó vezetékekből állnak, és képesek elektromos áramot kapcsolni vagy változtatni. Az elektromos töltések áramlását egy áramkörben a felhasznált anyag elektromos vezetőképessége, az alkatrészek és az áramkör kialakítása szabályozza. Egy áramkört úgy lehet kialakítani, hogy az áramkör különböző részein különböző mennyiségű elektromos töltés áramolhasson, így az áramkör részeinek különböző, de egymásra ható feladatai lehetnek.

Az elektronika kis alkatrészek, például félvezető eszközök használata elektromos áramkörökben az elektromos töltések áramlásának szabályozására vagy valamely funkció elvégzésére. Ez az áram növelésével vagy csökkentésével, illetve az áramlás teljes leállításával történik. A legtöbb elektromos eszköz elektronikát használ – az egyszerű kapcsolótól kezdve, amely bekapcsol egy lámpát, amikor besötétedik, egészen a sok feladatot ellátó összetett áramkörökig, mint amilyenek például a mosógépekben vagy robotokban találhatók.

Vezetés

Amikor az elektromos töltések valamin keresztül áramlanak, ezt elektromos vezetésnek nevezzük. Az anyagot, amelyen keresztül az elektromos töltések áramlanak, vezetőnek nevezzük.

A különböző anyagok különböző elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. Ez annak a mértékegysége, hogy az elektromos áram mennyire könnyen halad át az anyagon. A vezetőképesség fordítottja az ellenállás – az, hogy az elektromos töltés mennyire nehezen mozog egy anyagon keresztül.

Egyes anyagok, például a fémek, atomszerkezetükben lazán tartott elektronokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik az elektromos töltések könnyű áramlását, és ezért nagyon hasznosak vezetékekként, amelyek egy áramkör különböző elemeit összekötik. A jó vezetőre példa a rézfém, amelyet gyakran használnak összekötő vezetékként.

Azokat az anyagokat, amelyek nem engedik az elektromos töltések áramlását, szigetelőknek nevezzük. Például a gumi, a műanyag és a levegő rossz vezetők, ezért szigetelőként hasznosak, hogy megakadályozzák az elektromos töltések áramlását.

A többi olyan vezető tulajdonságú anyagot, amelyek a jó vezetők és a szigetelők között helyezkednek el, például a szilíciumot, félvezetőknek nevezzük. Elektromos vezetőképességük megváltoztatható a szennyeződésekkel való adalékolásukhoz használt atomok típusával. A félvezető alkatrészek, például a diódák és a tranzisztorok bizonyos feltételek, például a feszültség függvényében megváltoztathatják a töltésvezetési képességüket. Ez teszi a félvezetőket hasznos érzékelőkké és kapcsolókká, amelyek a fizikai körülmények változásaira reagálnak.

A hőérzékelő, az úgynevezett termisztor például a hőmérséklet függvényében megváltoztatja az elektromos töltések áramlását lehetővé tevő képességét. Egy termisztort egy elektromos áramkörbe helyezve az áram be- vagy kikapcsolható az áramkör egy másik részében, például egy fűtőtest kikapcsolása, ha a levegő túl meleg lesz. Ahogy az emberi bőrben lévő érzékelők impulzusokat küldenek az agyba, ahol az információt elemzik, és melegnek vagy hidegnek érezzük, a gépekben az elektronika az elektromos áram változásán keresztül elemzi az érzékelt fizikai körülményeket.

Hogyan működnek az érzékelők?

Az érzékelők elektromos tulajdonságaik megváltoztatásával reagálnak a változó fizikai körülményekre. Így a legtöbb mesterséges érzékelő elektronikus rendszerekre támaszkodik a környezetre vonatkozó információk rögzítéséhez, elemzéséhez és továbbításához. Ezek az elektronikus rendszerek működésükhöz ugyanazokra az elvekre támaszkodnak, mint az elektromos áramkörök, ezért nagyon fontos az elektromos energiaáramlás szabályozásának képessége.

Egyszerűen fogalmazva, egy érzékelő az olyan ingereket, mint a hő, a fény, a hang és a mozgás, elektromos jelekké alakítja át. Ezeket a jeleket egy interfészen vezetik át, amely bináris kóddá alakítja őket, és ezt továbbítja egy számítógépnek feldolgozásra.

Néhány érzékelő kapcsolóként működik, és az elektromos töltések áramlását szabályozza az áramkörön keresztül. A kapcsolók fontos részét képezik az elektronikának, mivel megváltoztatják az áramkör állapotát. Az érzékelők alkatrészei, például az integrált áramkörök (chipek), a tranzisztorok és a diódák mind félvezető anyagot tartalmaznak, és úgy kerülnek be az érzékelő áramkörökbe, hogy kapcsolóként működnek. Például egy tranzisztor úgy működik, hogy az áramkör egyik részében egy kis elektromos áramot használ fel egy nagy elektromos áram bekapcsolására az áramkör egy másik részében.

Aktív és passzív érzékelők

A legtöbb érzékelő sugárzást, például fényt vagy lézert, infravörös rádióhullámokat vagy más hullámokat, például ultrahanghullámokat használ a tárgyak és a környezetükben bekövetkező változások érzékelésére. Ezt úgy tudják megtenni, hogy van bennük egy energiaforrás, amely lehetővé teszi számukra, hogy a sugárzást a célobjektum felé sugározzák. Ezt a sugárzást a tárgy visszaveri, és az érzékelő érzékeli – ezt nevezzük aktív érzékelőnek, például a radar használatakor.

A passzív érzékelők nem bocsátanak ki saját sugárzást vagy hullámokat – a céltárgyaik által kibocsátott sugárzást érzékelik, például a hőt vagy a termikus infravörös sugárzást, vagy valamilyen külső forrásból, például a Napból származó, a tárgyakról visszaverődő sugárzást érzékelnek. Ilyen például a hőmérséklet elektronikus mérésére szolgáló termisztor.

Az érzékelők használatának értéke az, hogy nem tolakodóak és távolról is képesek érzékelni. Aktív és passzív érzékelők egyaránt felszerelhetők a Föld körül keringő műholdakra, hogy információt gyűjtsenek a környezetünkről. Az érzékelők által észlelt sugárzást vagy hullámokat vagy más fizikai jelenségeket elektromos jelekké alakítják át, és számítógépek dolgozzák fel.

MARVIN a robot aktív érzékelőkkel van felszerelve, például infravörös érzékelőkkel, ultrahang- és lézerérzékelőkkel. A MARVIN által megtett távolságot meghatározó számlálóérzékelő passzív érzékelő.