Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Dielektrická konstanta roztoků (příspěvek dielektrických měření k rozvoji kritického myšlení)

        Domnívám se, že jedna z nejdůležitějších úloh současného vzdělávání je výchova ke kritickému myšlení. Prakticky každodenně se setkáváme se zprávami o zcela naivních podvodech, jejichž obětí se stávají lidé, kteří o dané problematice nemají přehled. Podvodníci často používají odbornou terminologii, která je pro laika zcela zavádějící. Většina podvodů však stojí na základech tvořených prostou lží a dezinterpretací. Lidé bez patřičných základních znalostí snadno uvěří například léčebné síle tachyonů nebo neomylnosti astrologických předpovědí. Škola by měla žáky vybavit nejen potřebnými informacemi, ale rovněž by měla vypěstovat schopnost nepodlehnout prvnímu dojmu a naléhavosti sdělení. Schopnost vytvořit si vlastní co nejobjektivnější názor, zaujmout patřičný odstup, spolehnout se na vlastní znalosti a zkušenosti. Tyto schopnosti jako celek pak tvoří kritické myšlení, které může být pro žáka v běžném životě velice cenné. Není možné vybavit žáky takovým množstvím vědomostí, aby bylo zaručeno, že případnému podvodu nepodlehnou. Výhodnější je vypěstovat způsob myšlení, který způsobí, že žák neuvěří léčebným účinkům "tachyonizované" vložky do bot za 1300 Kč.
    Na nutnost rozvoje kritického myšlení poukazuje i Piaget: "Hlavním cílem vzdělávání je vytvářet lidi schopné udělat něco nového, nejen prostě opakovat, co udělaly už jiné generace - lidi, kteří jsou tvořiví, vynalézaví a schopní objevovat. Druhým cílem vzdělávání je napomáhat formování myslí, jež umějí být kritické, umějí ověřovat a nepřijímat vše, co se jim nabídne. Velké nebezpečí dneška představují hesla..., předem připravené směry myšlení. Musíme být schopni individuálně vzdorovat, kritizovat, rozlišovat mezi tím, co je dokázáno a co není. Proto potřebujeme žáky, kteří jsou aktivní, kteří se brzy naučí poznávat samostatně, zčásti svou vlastní spontánní činností a zčásti prostřednictvím látky, kterou jim připravíme; kteří se brzy naučí odlišit, co lze ověřit, a co je jen první myšlenka, která je napadla.
    Jednota českých matematiků a fyziků schválila podporu kritického myšlení i v programu své činnosti v období 2006 - 2010: "Jednota bude přispívat ke zvyšování povědomí veřejnosti o významu matematiky a fyziky, šíření matematických a fyzikálních znalostí a k popularizaci matematiky a fyziky mezi mládeží a širokou veřejností. Jednota bude propagovat naše obory a prosazovat kritické myšlení."
    V posledních letech pozorujeme úpadek zájmu o přírodovědné obory, a tak se obecné povědomí o technologickém pokroku spíše zhoršuje. Tato situace nahrává různým pochybným firmám, které prodávají evidentně nefunkční produkty. Věda a moderní technologie jsou odsunuty do pozadí. Stalo se módou mezi mediálně známými osobnostmi tvrdit, že matematika s fyzikou byly nejhoršími předměty v průběhu studia a že v současnosti vlastně již nic z těchto oborů neovládají. Popularizace vědy není atraktivním tématem pro média, a tak dostávají více prostoru věštci, kartářky, léčitelé a tvůrci konspiračních teorií. Nikoho pak nezajímá, že ve znělce hlavní zpravodajské relace veřejnoprávní televize se model Země otáčí opačně než ve skutečnosti.
    Zcela jasným úkolem pro učitele pak musí být zvrácení současného nepříznivého vývoje. Kromě učitelů fyziky a dalších přírodovědných oborů se musí zapojit i učitelé oborů humanitních. Domnívám se, že není vhodné věnovat určitý počet hodin pouze pro vysvětlování neúčinnosti jednotlivých produktů. Daleko přínosnější je vysvětlit danou metodu v souvislosti s konkrétním experimentem. Vytváření roztoků různých koncentrací je doménou homeopatie. Ověřování závislosti dielektrické konstanty na koncentraci roztoku může tuto problematiku nenásilně uvést.

Měření dielektrické konstanty roztoků
    Měření dielektrické konstanty roztoků nabízí propojení chemie a fyziky. Studenti v rámci měření využijí znalosti například směšovacího pravidla, hmotnostního a objemového zlomku. Měření je vhodné realizovat formou laboratorní práce, kdy studenti měří dielektrickou konstantu směsi při různých koncentracích. Nejlépe se osvědčilo měření směsi líh - voda. Výroba této směsi není drahá. Studenti budou pracovat s hořlavinou, proto je vhodné před vlastním měřením zopakovat zásady bezpečnosti práce s hořlavými materiály. Směs je výhodná i z hlediska velmi rozdílných hodnot dielektrické konstanty obou složek, a proto je měření názorné a průkazné.
    K vlastnímu měření jsem vyrobil válcový kondenzátor. Tento kondenzátor je tvořen válcovou skleničkou a kádinkou. Obě nádoby jsem polepil alobalem (skleničku zvnějšku a kádinku zevnitř). Vznikl tak jednoduchý válcový kondenzátor, který je vhodný k měření dielektrické konstanty kapalných dielektrik. Cena jednotlivých složek kondenzátoru je zanedbatelná. Při častém používání kondenzátoru je třeba věnovat zvýšenou pozornost kvalitě spoje vodič - elektroda. Jinak se však takto vytvořený kondenzátor jevil jako levný, praktický a snadno vyrobitelný.
    K měření jsem vytvořil různě koncentrované směsi. Nejprve jsem zjišťoval hustotu lihu pro určení hmotnostního zlomku. Hodnota hustoty byla uvedena na láhvi použitého lihu a tuto hodnotu jsem následně ověřil změřením hmotnosti 100 ml lihu na digitálních vahách Lutron GM - 5000. Objem 100 ml jsem měřil pomocí odměrného válce. Obě hodnoty hustoty se shodovaly. Hustota lihu je tedy 0,81 gramu na kubický centimetr. Pomocí odměrného válce a injekční stříkačky jsem v kádince vytvořil směs příslušné koncentrace a tuto směs jsem následně nalil do kondenzátoru. Změřil jsem kapacitu kondenzátoru a porovnal tuto hodnotu s kapacitou stejného kondenzátoru bez nalité směsi. Poměr hodnot udává dielektrickou konstantu. Kapacitu kondenzátoru jsem měřil univerzálním LCR - metrem ELC - 131D při frekvenci 1 kHz. Měření jsem několikrát opakoval i pro jiné koncentrace a naměřené údaje graficky zpracoval. Výsledná závislost dielektrické konstanty na koncentraci roztoku je lineární závislostí. Tento výsledek je zcela v souladu s předpoklady a s tabulkovými hodnotami (Obr. č. 1). Z plochy polepů a jejich vzdálenosti jsem po dosazení do vztahu pro výpočet kapacity válcového kondenzátoru (vztah 7 - IX) získal teoretickou hodnotu kapacity 24,12 pF. Kapacitu prázdného kondenzátoru jsem měřil LCR - metrem a získal jsem hodnotu 32,1 pF. K nepřesnosti došlo pravděpodobně díky nedokonalému tvaru kondenzátoru (nejedná se o zcela přesný válec). Pro určení závislosti dielektrické konstanty na koncentraci roztoku však tento rozpor není zásadní. Pro výpočet dielektrické konstanty jsem použil naměřenou hodnotu kapacity prázdného kondenzátoru.
    Před měřením směsi líh - voda jsem provedl orientační měření dielektrické konstanty některých látek. Měření proběhlo při teplotě 25°C.
Orientační měření dielektrické konstanty některých látek
Látka Teplota [°C] Tabulková hodnota
 dielektrické konstanty
Naměřená hodnota
 dielektrické konstanty
voda 25 80 88,74
aceton 26,5 20,7 22,94
líh 25 24,3 19,22

Obr. 1 - Graf závislosti dielektrické konstanty směsi líh - voda na koncentraci

Výsledky měření:    Měření č. 1
Podmínky měření
Teplota 25°C
Tlak 100,6 kPa
Vlhkost 40%
Naměřené hodnoty:
Koncentrace lihu [%] Hmotnost lihu [g] Hmotnost vody [g] Kapacita kondenzátoru s dielektrikem [nF]
Dielektrická konstanta
100 65,61 0 0,7922 24,68
93,9 65,61 4,26 0,8034 25,03
87,94 65,61 9 0,8204 25,56
82,12 65,61 14,29 0,8502 26,49
76,42 65,61 20,25 0,998 31,09
70,85 65,61 27 1,017 31,68
65,4 65,61 34,71 1,123 34,98
60,07 65,61 43,62 1,402 43,68
54,85 65,61 54 1,601 49,88
49,75 65,61 66,27 1,749 54,49
44,75 65,61 81 2,038 63,49
Grafické zpracování:

Výsledky měření:    Měření č. 2
Podmínky měření
Teplota 25°C
Tlak 100,4 kPa
Vlhkost 42%
Naměřené hodnoty
Koncentrace lihu [%] Hmotnost lihu [g] Hmotnost vody [g] Kapacita kondenzátoru s dielektrikem [nF]
Dielektrická konstanta
100 81 0 0,7922 24,68
95 81 4,26 1,175 36,6
90 81 9 1,231 38,35
85 81 14,29 1,338 41,68
80 81 20,25 1,51 47,04
75 81 27 1,653 51,5
70 81 34,71 1,811 56,42
65 81 43,62 1,939 60,4
60 81 54 2,01 62,62
55 81 66,27 2,129 66,32
50 81 81 2,159 67,26
Grafické zpracování:

    Po naměření závislosti dielektrické konstanty na koncentraci roztoku je zřejmé, že čím více vody směs obsahuje, tím větší je hodnota dielektrické konstanty. Čistý líh dosahuje přibližně třetinové hodnoty dielektrické konstanty oproti dielektrické konstantě vody. Po uskutečnění měření se pokusíme aplikovat základní principy homeopatie. V této fázi vyučovací jednotky žákům vysvětlíme základní myšlenky homeopatie a rozpor mezi homeopatií a současnou medicínou. Toto téma jsem zpracoval na následující stránce:

Proč homeopatie nefunguje?

    Žáky seznámíme s homeopatickým ředěním a vytvoříme roztok velmi nízké koncentrace. Využijeme mikropipety Hamilton Microliter Syringe 7001, pomocí které můžeme odměřit objem 1 µl.
hamilton syringe
Obr. 2 - Mikropipeta Hamilton Microliter Syringe 7001
Mikropipetou tedy odměříme 1 µl vody a vstříkneme ji do nádoby s lihem o objemu jednoho litru. Tím jsme dosáhli koncentrace, kterou homeopatie označuje jako C3. Nyní se zeptáme žáků: "Změní se vlastnosti 1 litru lihu po vstříknutí 1 µl vody?", "Jakou naměříme dielektrickou konstantu?". Následně změříme dielektrickou konstantu naředěné směsi a přesvědčíme se, že hodnota dielektrické konstanty se nezměnila oproti hodnotě dielektrické konstanty čistého lihu. Nesmyslnost homeopatie můžeme dokreslit i otázkou: "Jak bude chutnat čaj, který osladíme pouze zrnkem cukru?", či: "Podaří se nám namíchat kvalitní beton, když do míchačky přidáme pouze čajovou lžičku cementu?". Vyučovací jednotku zakončíme moderovanou diskusí. Můžeme rovněž hledat společné znaky homeopatie a astrologie, diskutovat o úspěšnosti horoskopů a dalších věšteckých vizí.