Metodický portál RVP.CZ prochází změnami. Více informací zde.
logo RVP.CZ
Přihlásit se
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání

Zobrazit na úvodní stránce článků

Ploché obrazovky

Teoretický příspěvek
odborný příspěvek
V hodinách fyziky lze často využít aktuálních technických novinek k zaujetí žáků a zároveň k názorné demonstraci některých fyzikálních zákonů.

Hitem poslední doby se v našich domácnostech staly televizory a počítačové monitory s plochou obrazovkou. Zvídaví žáci určitě svému vyučujícímu položí otázku, jak se na takové obrazovce vytváří obraz a v čem spočívá rozdíl oproti klasické vakuové obrazovce. Bylo by zajisté mrzuté, kdyby učitel nebyl schopen aspoň v základních rysech vysvětlit fyzikální principy jejich činnosti. Není to sice úplně jednoduché, ale určitě stojí za pokus odbočit chvíli od právě probíraného tématu a zařadit aktualitu, která právě "hýbe světem".

V prvé řadě je třeba žákům vysvětlit (nebo připomenout) vznik barevného obrazu na stínítku obrazovky, monitoru nebo na barevném displeji digitálního fotoaparátu či mobilního telefonu. Ve všech případech se využívá schopnosti lidského oka vytvořit jakoukoli barvu složením tří barev základních - červené, zelené a modré. Stínítko nebo displej je pokryto velkým množstvím trojic bodů, které mohou vydávat červené, zelené nebo modré světlo různé intenzity. Má-li být určitá část obrazu např. červená, září v ní nejvíce červené body a ostatní zůstávají tmavé. Ve fialové části obrazu svítí nejvíce body červené a modré atd. Přesvědčíte se o tom snadno: na počítačovém displeji zobrazte pestrý statický obrázek a silnou lupou pozorujte, jak v různých místech září body různé barvy s různou intenzitou.

Vakuová obrazovka

Princip je dobře známý. Televizní obraz se vytváří na luminiscenčním stínítku dopadem rychle letících elektronů. Stínítko je pokryto drobounkými trojicemi luminoforů (pixely), celkem je jich na televizní obrazovce přes 600 000, na monitoru ještě mnohem víc! Obrazovka má v zadní části tři rozžhavené katody, ze kterých vylétají elektrony, jsou urychlovány vysokým napětím a vychylovacími cívkami "nasměrovány" na požadované místo stínítka. Obraz se na stínítku vytváří postupně po jednotlivých řádcích, za jednu sekundu se na stínítku vystřídá 25 snímků. Dopadem elektronů vyzařuje každý z trojice luminoforů červené, modré nebo zelené světlo a v našem oku vznikne výsledný barevný vjem.

Malá vakuová obrazovka s vychylovacími cívkami
1. Malá vakuová obrazovka s vychylovacími cívkami

 

Obrazovka nebo LCD

Zkratka LCD pochází z anglických slov "Liquid Crystal Display", která česky znamenají "displej z kapalných krystalů". Takovéto displeje jsou na kalkulačkách, mobilních telefonech a digitálních fotoaparátech, z kapalných krystalů jsou ploché displeje počítačů a obrazovky televizorů.

Kapalné krystaly jsou látky, u kterých není zřetelná hranice mezi jejich pevným a kapalným skupenstvím. Za určitých okolností mohou mít dokonce současně některé vlastnosti obou skupenství. Příčina těchto zvláštností spočívá v jejich molekulové struktuře. Molekuly kapalných krystalů mají zvláštní tyčinkový tvar a vyznačují se tím, že středy tyčinek jsou sice v prostoru uspořádány nepravidelně, ale osy tyčinek jsou téměř rovnoběžné. Tím se podobají jak kapalinám (neuspořádanost), tak i krystalům (uspořádanost).

U objevu kapalných krystalů stál rakouský botanik F. Reinitzer, který si v roce 1888 všiml podivného chování cholesterylbenzolu. Tato látka kapalní při 145°C, ale teprve při teplotě 179°C se stává čirou kapalinou. Mezi uvedenými teplotami má vlastnosti blízké pevnému i kapalnému skupenství - tento stav nazval Reinitzer kapalnou krystalizací. První displeje s kapalnými krystaly se objevily teprve začátkem 70. let minulého století v kalkulačkách a digitálních hodinkách.

V displejích a plochých obrazovkách se využívá toho, že kapalné krystaly vložené do slabého elektrického pole stáčí rovinu polarizace procházejícího světla. Stačí k tomu jen nepatrná energie, a proto jsou displeje s kapalnými krystaly velmi vhodné i pro přístroje napájené z baterií. Plochá televizní obrazovka je tvořena několika vrstvami:

  • Zdroj světla - miniaturní svítivé diody LED nebo výbojky vyzařují bílé nepolarizované světlo a displej podsvěcují.
  • První polarizační filtr - světlo vyzařované zdrojem polarizuje ve svislé rovině.
  • Kapalné krystaly - průchodem polarizovaného světla touto vrstvou se polarizační rovina světla stočí o 90°.
  • Elektrody - dvě skleněné vrstvy z jedné a z druhé strany kapalného krystalu. Na jedné jsou vytvořené vodivé vodorovné řady a na druhé vodivé svislé sloupce. Každému bodu displeje přísluší průsečík některé řady a sloupce.
  • Druhý polarizační filtr - propustí jen světlo polarizované ve vodorovné rovině.
  • Barevný filtr - červený, zelený nebo modrý.
  • Krycí fólie nebo sklo - chrání povrch displeje před poškozením.

Sestava LCD (modrý obrazový bod) - vlevo bez napětí, vpravo s napětím
2. Sestava LCD (modrý obrazový bod) - vlevo bez napětí, vpravo s napětím

Není-li k elektrodám připojené žádné napětí, prochází světlo ze zdroje prvním filtrem a je jím polarizováno ve svislé rovině. Pak prochází vrstvou kapalného krystalu, který stáčí polarizační rovinu o 90°, tedy vodorovně. Druhý polarizační filtr toto světlo propustí a displej nebo obrazovka září bílým světlem. Jestliže se k některému sloupci a řadě připojí napětí, vznikne na jejich průsečíku elektrické pole a v tom místě kapalný krystal polarizační rovinu nestočí. Světlo tedy zůstane polarizováno svisle a druhým filtrem neprojde. Odpovídající bod na displeji zůstane tmavý.

Vhodným tvarem a uspořádáním elektrod je možné zobrazit na "jednobarevném" displeji libovolné skupiny tmavých bodů nebo ploch (např. písmena, číslice, symboly). Tvar elektrod zřetelně uvidíte např. na displeji kalkulačky, jestliže se na něj podíváte lupou pod vhodným úhlem.

Barevný LCD televizoru nebo digitálního fotoaparátu je ještě složitější. Každý jeho "pixel" je tvořen trojicí miniaturních svítících bodů, před kterými jsou tři barevné filtry - červený, zelený a modrý. Výsledný barevný obraz vznikne až v našem oku. Strukturu barevného displeje opět prozradí dostatečně silná lupa. LCD displej nepoužívá žádné vychylovací cívky, které mají u vakuové obrazovky značné rozměry. Zobrazení bodů zde řídí přímo elektronické obvody televizoru, a proto má obrazovka jen nepatrnou tloušťku.

Plazmová obrazovka

Neméně pozoruhodný princip a konstrukci má plazmová obrazovka. Obří obrazovky a informační panely tohoto typu najdete v odbavovacích halách letišť, na náměstích při významných sportovních přenosech nebo v přednáškových a konferenčních sálech. Velkoplošnou plazmovou obrazovku mají i některé typy televizorů pro domácnost.

Stínítko plazmové obrazovky je pokryto luminoforem, podobně jako v obrazovce vakuové. Luminofory se však nerozzáří dopadem elektronů, ale ultrafialovým světlem. Tohoto principu už dávno používá běžná zářivka. V její trubici vydávají rtuťové páry průchodem elektrického proudu ultrafialové záření. Vnitřní povrch trubice je pokryt luminoforem, který po dopadu ultrafialového záření vydává bílé světlo. V plazmové obrazovce se používají tři druhy luminoforů - jeden se rozzáří červeně, druhý zeleně a třetí modře. Zjednodušeně bychom mohli říci, že plazmová obrazovka je sestavena ze statisíců pixelů - trojic miniaturních "zářivek", vyzařujících červené, zelené a modré světlo.

"Zářivky" mají tvar komůrek naplněných zředěným inertním plynem, součástí každé komůrky jsou dvě elektrody. Připojením napětí k elektrodám mezi nimi vznikne elektrický výboj. Přitom dojde k ionizaci plynu (plazma) a vzniká ultrafialové záření. Luminofor na stěnách komůrky se rozzáří světlem příslušné barvy. Plazmové obrazovky mají větší spotřebu elektrické energie než obrazovky klasické nebo LCD, mají však mnohé výhody. Panel je velmi plochý a může mít i velké rozměry, obraz má vynikající ostrost, jas, kontrast a podání barev.


Trojice barevných bodů (pixel) plazmové obrazovky
3. Trojice barevných bodů (pixel) plazmové obrazovky

 


Závěr

S mladšími žáky učitel jistě nebude detailně rozebírat otázky polarizace nebo luminiscence a soustředí se spíše na zajímavosti týkající se lidského oka a skládání barev. Ve vyšších ročnících střední školy má však téma značný didaktický náboj - všechny typy obrazovek fungují na základě technických aplikací řady fyzikálních jevů, s nimiž se v hodinách fyziky během studia seznamují. Jedná se zejména o následující poznatky:

  • vedení elektrického proudu ve vakuu;
  • termoemise elektronů (katoda obrazovky);
  • urychlování elektronů v elektrickém poli;
  • působení magnetického pole na pohybující se náboj (vychylovací cívky);
  • přeměna kinetické energie elektronů na světlo (luminiscenční stínítko);
  • setrvačnost lidského oka (snímkový rozklad, parametry televizního obrazu);
  • barevné vnímání lidského oka, skládání barev, barevné filtry;
  • polarizace světla, polarizační filtry;
  • kapalné krystaly a jejich optické vlastnosti, skupenství látek;
  • vznik a vlastnosti elektrického pole mezi elektrodami;
  • elektrický výboj ve zředěném plynu, ionizace plynu;
  • transformace ultrafialového záření na viditelné světlo v luminoforu.
V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „Napište nám“.
Napište nám
Celkové hodnocení článku
Přidat komentář Citovat článek