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Wie ein Rauchmelder funktioniert.
Vom Aufspüren bis zur Elektronik.
In Teilen unterstützt durch Camille & Henry Dreyfus Foundation Special Grant Program in the Chemical Sciences.
Ich halte Rauchmelder für ein Wunderwerk der Technik.
Lassen Sie mich Ihnen zeigen, wie sie funktionieren.
Dieser schwarze Zylinder hat Luftschlitze, welche Luft in den Rauchmelder leiten.
Nun, er versteckt den wesentlichen Teil des Gerätes.
Versteckt liegt hier etwa ein Mikrocurie radioaktives Americium-241 - das sind in etwa 0,29 Mikrogramm.
Das klein wenig radioaktives Material erzeugt einen kleinen Strom, der den Rauchmelder arbeiten lässt.
Lassen Sie mich erklären, wie.
Die Luft strömt zwischen diesen beiden Elektroden, nun natürlich leitet Luft keinen Strom,
aber wenn Alphateilchen aus dem radioaktivem Americium gegen Sauerstoff und Stickstoff Moleküle stoßen, welche die Luft ausmachen,
stoßen sie Elektronen aus, und es bleiben geladene Gasmoleküle übrig.
Die 9-Volt-Batterie sorgt dafür, dass sich diese Ionen bewegen und so ein Strom entsteht.
Nun, hier is es klitzeklein: Ungefähr 100 Pikoampere, ca. ein Hundertmilliardenstel des Stroms, der durch ihr Zuhause fließt.
Wenn Rauch in die Kammer eintritt, binden sich die Ionen an den Rauch, werden langsamer und verlieren oft ihre Ladung,
beides führt dazu, dass der Strom abbricht, was wiederum den Alarm auslöst.
Nun, um so ein kompaktes Gerät mit nur einer 9-Volt-Batterie zum laufen zu bringen, brauchte es die Solid State Revolution der 1960er.
Ich werde es Ihnen zeigen.
Wenn ich die beiden Elektroden entferne, können sie einen kleinen integrierten Schaltkreis sehen.
Er enthält ein wunderbares Gerät names MOSFET, welches die sehr kleinen Veränderungen im Strom erkennen kann.
Im Rauchmelder dient es als ein An-Aus-Schalter, ausgelöst durch den winzigen Strom zwischen den beiden Elektroden.
Wie bei jedem Transistor, hängt sein Betrieb davon ab, Dioden aus Halbleitern herzustellen.
Eine Diode erlaubt Strom nur in einer Richtung zu fließen, weil sie zwei Halbleiter-Typen verwendet.
Ein Typ, der negative Ladungsträger benutzt und einer, der positive Ladungsträger benutzt.
Kippen Sie die Batterie und der Ladungsstrom stoppt.
Nun, um ein MOSFET zu \"bauen\", nehmen wir zwei solcher Dioden und packen sie zusammen, sodass jede umgekehrt ist.
Dies scheint nutzlos, weil kein Strom durch so eine Anordnung fließen wird,
aber Ingenieure lagern diesen \"Diodensandwich\" in den selben Halbleiter-Typ, wie den, an dem sich die Diodenenden berühren.
Dann platzieren sie Metallkontakte an den Enden der Dioden und an den Block aus halbleitendem Material.
Als nächstes beschichten sie die Dioden mit einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid.
Nun, im Gegensatz zu Metallen oder Halbleitern leitet dieses gar keinen Strom.
Darauf platzieren sie noch einen weiteren Metallkontakt namens \"Gate\" (dt.: Tor), welcher den Stromkanal zwischen Quelle und Senke öffnet oder schließt.
Wenn wir eine Spannungsdifferenz zwischen dem Gate und der Quelle verursachen, erzeugt dies ein Feld
durch die isolierende Schicht, das die freien positiven Ladungsträger zum Gate anzieht und somit einen Kanal öffnet, der nun einen Stromfluss erlaubt.
In einem Schaltkreis verwenden wir eine 9-Volt-Batterie, um eine Potentialdifferenz zwischen Quelle und Gate zu erzeugen.
Sie \"spannt\" das Gate \"vor\", sodass der Strom durch das MOSFET fließt und so die Sirene anschaltet,
also wirken wir dem entgegen, indem ein Strom aus dem Detektor fließt.
Hier ist das, wo das ionisierte Gas einen winzigen Strom zwischen den beiden Elektroden erzeugt, wie ich es Ihnen zuvor gezeigt habe.
Dieser Strom fließt durch einen großen Widerstand und erzeugt eine Spannung, die sich der Batterie widersetzt
und dies stoppt den durch den MOSFET fließenden Strom.
Wenn Rauch in die Kammer eindringt, wird der winzige Strom gestoppt,
der MOSFET erlaubt dem Strom in den Teil des Schaltkreises zu fließen,
welcher die Sirene auslöst.
Nun, für mich ist das Technik von seiner besten Seite:
Einfach, zuverlässig, kostengünstig und rettet unzählige Leben.