Elektrostatické pole

Všechny jeho vlastnosti lze vyvodit ze základního zákona elektrostatiky – Coulombova zákona.


1.3.1.Coulombův zákon (experiment)

, (5)
kde
- bodový el. náboj = zdroj elektrostatického pole,
- bodový el. náboj = náboj, na který náboj působí silou ,
- vzdálenost mezi , ,
- jednotkový vektor ve spojnici orientovaný od ke ,
- permitivita vakua, C2N-1m-2.


Diskuse:
Je-li je odpudivá síla, je-li je přitažlivá síla.
, Coulombovské síly splňují zákon akce a reakce.


Pozn.: Pro bodový náboj je intenzita jím buzeného pole
(6)
1.3.2. Elektrické siločáry

Slouží ke znázornění elektrického pole.

Definice:
Jsou to orientované křivky, jejichž orientovaná tečna v každém jejich bodu má směr a orientaci v tomto bodě.

Měření pH vody

Ve zkumavkách jsme měli připravené 3 vzorky vody. U vzorků jsme měřili pH.

a) destilovaná voda – pH 6,8
b) mořská voda – pH 6,5
c) pitná voda – pH 7,1

3) Přítomnost huminových látek ve vodě
Na pokus jsme použili speciální závadnou vodu s obsahem huminových látek. Vodu jsme přidali do kádinky o obsahu 50ml dále jsme přidali 20ml 30% roztoku NaOH a promísili. Za přítomnosti huminových látek jsme pozorovali proti bílému podkladu žlutavé až hnědé zabarvení. Podle stupnice jsme vybrali hodnotu 3. žlutočervené až žlutohnědé – voda není vhodná, lze ji použít pro neexponované konstrukce.

g) Cl- : do zkumavky jsme nalili mořskou vodu přidali jsme několik kapek roztoku dusičnanu stříbrného. Pozorovali jsme vznik bílé sraženiny ve vodě téměř nerozpustného chloridu stříbrného AgCl.

h) HCO-3 : do zkumavky jsme nalili závadnou vodu přidali jsme nasycený roztok Ca(OH)2.V přítomnosti HCO-3 jsme pozorovali vznik bílého zákalu.

i) NO-3 : do zkumavky jsme přidali několik krystalků difenylaminu a přilévali 1-2ml závadné vody. Zkumavku jsme protřepali a poté pomalým litím po stěně zkumavky podvrstvili vodu malým množstvím konc. H2SO4. Na styku obou roztoků se objevil prstenec modrého zbarvení, což je oxidační produkt difenylaminu s kyselinou dusičnou, uvolněnou z dusičnanů působením kys. sírové.

Voda ve stavebnictví

Přírodní vody se rozdělují na podzemní a povrchové. Povrchové vody obsahují o něco méně minerálních sloučenin než vody podzemní z důvodu ředění ještě vodami srážkovými.
Vodu ve stavebnictví lze rozdělit na vodu přidávanou do stavebního materiálu a na tzv. vodu náporovou, která se dostává do styku se stavebními konstrukcemi.

1) Důkaz některých látek ve vodě
a) Na+ : pokus jsme provedli pomocí kahanu a platinového drátku. Drátek se před zkouškou namočil v konc. kyselině chlorovodíkové a vyžíhal. Poté se namočil v roztoku sodné soli a zkusil v plameni. Přítomnost sodíku se projevila oranžovým zabarvením.

b) K : pokus jsme provedli znovu pomocí kahanu a platinového drátku. Drátek se před zkouškou namočil v konc. kyselině chlorovodíkové a vyžíhal. Poté se namočil v roztoku draselné soli a zkusil v plameni. Přítomnost draslíku se projevila fialovým zabarvením.

c) Ca2+ : do zkumavky jsme nalili mořskou vodu a přidali roztok šťavelanu amonného. V přítomnosti Ca2+ vznikla bílá sraženina šťavelanu vápenatého.

d) Mg2+ : do zkumavky jsme nalili mořskou vodu přidali několik kapek 0,5% roztoku titanové žluti a zalkalizovali přídavkem malého množství roztoku NaOH. Za přítomnosti Mg2+ vznikl červený roztok až sraženina povrchově vybarveného Mg(OH)2

e) NH+4 : do zkumavky jsme nalili závadnou vodu přidali jsme několik kapek Nesslerova činidla ( roztok K2HgI4 v hydroxidu sodném ). Díky obsahu NH+4 vzniklo žluté až oranžové zabarvení.

f) SO2-4 : do zkumavky jsme nalili mořskou vodu přidali jsme několik kapek roztoku chloridu barnatého.V přítomnosti síranů vznikla ve vodě bílá sraženina síranu barnatého BASO4.

Thompsonovu myšlenku již použili ve vlastní práci Julian Miller a Peter Thomson z Napierovy univerzity v Edinburghu. Při vývoji vlastních digitálních obvodů použili poněkud vyšší úroveň než Thompson. Za základní komponenty použili různá logická hradla a jejich propojení a nechali na ně působit evoluční proces. Tímto způsobem se jim podařilo vytvořit různé jednoduché aritmetické jednotky, jako je násobič.
Pokud evoluční konstrukce splní, co se od nich očekává, není daleko doba, kdy budeme používat elektronické systémy, jejichž zapojení nikdo nebude rozumět. Thompson se domnívá, že takové obvody budou dlouhou dobu vyvolávat u řady odborníků určité podezření, protože budou nepochopitelné.
Pokud se takové obvody prosadí a začnou se používat např. v různých řídících systémech nebo lékařských zařízeních, můžeme stát před etickým problémem, tvrdí Inman Harvey, šéf střediska the Centre for Comutational Neuroscience and Robotics. Nakolik budou přijatelná zařízení, jejichž kritické komponenty byly zhotoveny uměle a nikdo neví, jak pracují? Kdo ponese vinu, když dojde k jejich selhání?
Pierre Marchal se domnívá, že jde o problém lidí, kteří nikdy neviděli, jak se například dnes testují mikroprocesory. Nikdo není schopen otestovat všechny obvody mikroprocesoru za všech možných podmínek. Proto se chyba v procesoru Pentium firmy Intel objevila až rok po jeho uvedení do prodeje.
Harvey a Marchal se shodují, že bezpečnost budoucích čipů bude nutno zajišťovat dlouhodobým a vyčerpávajícím testováním. Pokud čip pracuje spolehlivě za všech možných podmínek, není již podstatné, jak pracuje uvnitř. Sami dodnes neznáme všechny funkce svého organismu, ale nijak nás to neznepokojuje. Pokud se objeví nějaký problém, bude do evolučního algoritmu přidán nový test, který povede k novým řešením. Evoluční mechanismus sám nalezne nejlepší řešení, stejně jako se organismy přizpůsobují stále se měnícím podmínkám a novým onemocněním.
Marchal věří, že dnes je již reálná možnost, že stroje se budou vyvíjet za hranicemi lidských možností chápání. Pro někoho to může být frustrující. Ale riziko, že se technologie vymknou lidské kontrole je mnohem menší, než že se lidstvo zničí jadernou válkou.
Thomson a Miller z Napierovy univerzity si myslí, že evoluce nám ukáže nové technologické triky a že na řadu věcí se budeme dívat jinak.

Dalším zajímavým problémem

je vytvořit obvod, který by pracoval v širokém rozmezí teplot. Člověkem vytvořené obvody při velkých změnách teplot selhávají. Obvyklé mikroprocesory pracují v rozsahu teplot od -20 stupňů do 80 stupňů Celsia. Konstruktéři používají zapojení hodin takovým způsobem, aby všechny obvody měly dostatek času přejít do určitého digitálního stavu.
Thompsonův obvod pracoval pouze v rozsahu teplot 10 stupňů Celsia, tedy v rozsahu, v němž se měnila teplota v laboratoři během experimentu. Zřejmě teplota mění kapacitanci a rezistenci nebo jiné elektrické vlastnosti komponent obvodů. Tato skutečnost je ovšem závažná. Pokud nějaký obvod musí být schopen reagovat na změny teploty, obvykle není levný. Evoluce ale může riskovat. Thompson pro další genetické algoritmy naplánoval, že obvody budou hodnoceny nejen podle toho, jak plní svoji funkci, ale také podle toho, jak dobře se vyrovnají s variacemi teploty. Evoluce může vytvořit sadu obvodů, z nichž každý bude pracovat jen v určitém rozsahu teplot. Thompson se rozhodl mezi výchozí komponenty zařadit hodinový obvod a zkoumat, jakým způsobem jej evoluční mechanismus využije a zda jej vůbec využije.
Thompsonovy obvody jsou zatím schopny řešit jen jednoduché problémy. Lze je však použít v komplexních zapojeních, kde mohou zastávat řadu užitečných funkcí. Thompson již vyvinul řadiče pro miniaturní roboty firmy Xiling v Edinburghu, která vyrábí obvody FPGA. Navíc o práci Adriana Thompsona projevila zájem americká firma Motorola, která vytvořila novou technologii polí FPGA. Zájem také projevila britská telefonní společnost Telecom, která hledá řešení problémů zpracování signálů.

Aby tuto záhadu Thompson mohl vyřešit, musel být schopen měřit vstupní a výstupní hodnoty každé buňky za provozu obvodu. Ale obvody FPGA neumožňují analogové měření hodnot. Thompsonův kolega Paul Layzell proto sestavil obvod, který takové analogové měření umožňuje.
Thompsonovo zařízení pro rozlišení dvou tónů pracuje v poli FPGA o rozměrech 10 krát 10 logických buněk. Aby činnost zařízení otestoval, Thompson zavedl konfiguraci nejlepšího zařízení z poslední generace do jiného pole. Zjistil však, že toto nové zařízení není spolehlivé. Přitom jiná konfigurace z poslední generace fungovala bez problémů. Thompson se domnívá, že evoluční mechanismy zřejmě tvoří takové obvody, jejichž charakteristiky závisejí na určitých vlastnostech čipu. Proto plánuje vyvinout takový obvod, který by spolehlivě pracoval na pěti různých čipech polí FPGA.

Aby si Thompson ověřil, že vývoj obvodu bude probíhat stejným způsobem, do "zárodečné směsi" úmyslně nezahrnul hodinový obvod. Očekával, že evoluce hodinový obvod vytvoří. Nejjednodušším hodinovým obvodem je astabilní multivibrátor sestavený ze dvou tranzistorů, které se překlápějí do jedné úrovně pokaždé, když na jejich bázi se objeví signál opačné úrovně. V obvodu FPGA je tento oscilátor tvořen buňkami, které mění svoji úroveň na výstupu, kdykoliv se na jejich vstupu objeví signál opačné úrovně. Thompson odhadoval, že oscilátor nemůže vůbec evolučně vzniknout, protože vyžaduje pro svůj vývoj mnohem více než 100 dostupných buněk.
Jak se ale evoluční vývoj výsledného obvodu obešel bez hodin? Thompson při prozkoumání výsledného obvodu zjistil, že vstupní signál prochází řadou zpětnovazebních smyček. Domnívá se, takto vznikají modifikované a časově zpožděné verze původního signálu, které interferují s původním signálem a takto umožňují obvodu rozlišovat mezi dvěma tóny. Ve skutečnosti ale přiznává, že nemá přesnou představu, jak vlastně obvod pracuje.
Jedna věc je ale jistá. Evoluční vývoj obvodů FPGA probíhal analogovým a nikoliv digitálním způsobem. Výsledný obvod tedy nepracuje digitálně, což naznačují zpětnovazební smyčky. Evoluce není ničím vázána a může použít zcela libovolné chování logických buněk polí FPGA.
Chování výsledného obvodu je ale záhadnější, než si Thompson původně myslel. Ačkoliv konfigurační program specifikoval funkce všem dostupným buňkám, pouze 32 buněk bylo pro činnost obvodu podstatných. Když Thompson ostatní buňky vyřadil, činnost obvodu se nezměnila. Dalších 5 logických buněk nemělo v obvodu žádnou logickou funkci, která by ovlivňovala výstup obvodu. Ale když tyto buňky Thompson odpojil, obvod přestal pracovat.
To naznačuje, že evoluční vývoj využil některé fyzikální vlastnosti buněk, jako je kapacita obvodu nebo elektromagnetická induktance. Tyto buňky představují určitý jemný vliv, který ale nelze digitálně analyzovat.