Ohřev vodiče průchodem proudu
Anotace: Příspěvek je zaměřen na demonstrační experimenty využívající nebo demonstrující ohřev různých vodičů při průchodu elektrického proudu.
Pečené jablko
Chcete-li uvést učivo o účincích elektrického proudu nezapomenutelným experimentem, připravte si jablko, plastovou misku, dva dlouhé vodiče s banánky (plné plastové banánky bez vyčnívajících šroubků nebo zdířek), dva silné hřebíky a dvě krokosvorky.
POZOR - k experimentu je nutné použít síťové napájení, pracujte s nejvyšší opatrností!!!
Jablko položte na misku a zarazte do něj hřebíky. POZOR - nesmí se uvnitř jablka dotýkat! Na vyčnívající konce hřebíků přichytněte pomocí krokosvorek vodiče. Jako poslední zapojte vodiče do zásuvky. Chvíli se nic neděje. Pak v jablku začne mírně hučet a kolem hřebíků začne proudit ven pára. Jablko uvnitř vaří a pára z něj tryská tak dlouho, až se voda vyvaří. Poté začne uvnitř proud vést obloukem - v zešeřelé místnosti je vidět, že jablko svítí. Při vypínání musíte jako první vytáhnout oba vodiče ze zásuvky.
Pro pokusy, ve kterých se zapojuje síťové napájení pomocí banánkových vodičů, je z hlediska bezpečnosti vhodné použít falešný adaptér. Vyrobíte jej z plastové elektrikářské krabičky nebo z krabičky vyřazeného skutečného adaptéru. Do krabičky osadíte dvě zdířky a vyvedete z ní síťovou napájecí šňůru. Ve skutečnosti jsou tedy zdířky přímo připojeny na 230 V, o tom ale studenti nic neví a nenapadne je strkat banánky do zásuvky. Obvod zapojíte a do chodu jej uvedete zasunutím zástrčky do síťové zásuvky. Stejně tak obvod vypnete vytažením ze zásuvky. Je to mnohem bezpečnější než operovat s banánky přímo v zásuvce.
Pálení pružinek a tužek
Pro demonstraci ohřevu vodiče průchodem proudu je vhodné použít vodič, který se nažhaví natolik, že svítí. Potřebujeme k tomu 12 V zdroj, který je schopen dodávat proud cca 8 A, a napájecí vodiče s krokosvorkami. Pokusy provádíme nad nehořlavou podložkou (alespoň alobal).
Jako kovový vodič se nejlépe osvědčily pružinky z průpisek nebo jim podobné. Místo pružinek lze použít ocelovou strunu. Uchytneme oba konce pružinky do krokosvorek a zapojíme na zdroj. V ideálním případě se pružinka rozsvítí. Pokud se pouze zahřeje, posuňte jednu z krokosvorek blíže ke středu pružinky (poté co vychladne). Je-li pružinka příliš krátká, ihned se přepálí a z jejich konců odprskávají žhavé kousky jako z prskavky.
Podobně lze použít i tuha z tužky. POZOR - grafit se chová jako polovodič, jeho odpor s rostoucí teplotou klesá. Ze začátku se tuha tváří, jako by jí proud neprocházel. Až postupně s tím, jak se zahřívá a klesá její odpor, začíná žhnout. Jestliže se tuha jen zahřeje, přibližte krokosvorky k sobě. Pokud máte dostatečně silný zdroj, tak se tuha po chvíli rozžhaví do žlutého jasu.
Při použití 24 V zdroje můžete do obvodu zapojit i tužku ořezanou na obou koncích. Dřevěný obal tužky je zahříván tuhou, pálí se lak a dřevo postupně uhelnatí.
Máte-li k dispozici demonstrační ampérmetr s rozsahem alespoň 10 A, můžete předvést teplotní závislost obou typů vodičů. Poté, co se nažhaví, na ně začněte foukat - ochladíte je. Pružinkou při ochlazení teče větší proud než předtím, proud ochlazenou tuhou naopak poklesne.
Dvojice žárovek [1]
Pro tento demonstrační experiment jsou nutné dvě shodné žárovky, nejlépe se osvědčily žárovky 24 V/25 W, které se používají pro osvětlení výtahů. Jsou napájené ze 12 V zdroje - viditelně svítí, ale neoslňují. Žárovky jsou propojeny sériově, k propojovacímu vodiči je připojena zdířka navíc.
Nejprve připojíme žárovky na zdroj sériově - obě mírně svítí. Poté na zdroj připojíme jen jednu žárovku - svítí mnohem silněji.
Následující operaci musí demonstrátor provést co nerychleji - přemístí napájení ze střední zdířky na krajní zdířku. Namísto toho, aby se rozsvítily obě žárovky stejně, začne svítit jenom ta, která byla předtím zapojena a druhá nesvítí vůbec. Do "normálního" stavu, kdy obě svítí slabě, se žárovky dostanou až po několika sekundách.
Pokus doporučuji opakovat, přepnutí žárovek třída odpočítává "3-2-1-teď".
Příčinou tohoto jevu jsou rozdílné teploty vláken žárovek. Žárovka, která těsně předtím svítila, má vlákno ještě pořád ohřáté. Díky tomu má větší odpor než žárovka s chladným vláknem, ze začátku je na ní větší napětí než na chladné žárovce. Až po chvíli se jejich teploty a díky tomu i odpory vyrovnají.
Po této demonstraci může následovat měření odporu vlákna. Při použití ohmmetru je vlákno zatěžováno jen velmi malým proudem, který ovlivňuje teplotu vlákna jen minimálně. Odpor studeného vlákna je 2 Ω, odpor vlákna žárovka těsně po vypnutí je 5 Ω. Teplotu vlákna můžeme odhadnout na základě známého vzorce R = R0×(1 + αΔt), kde α = 0,0044 K–1 pro wolfram (předpokládaný materiál vlákna). Vychází 340 °C.
Žárovkou při provozním napětí 24 V protéká proud 1 A. Odpor vlákna je tedy 24 Ω, což odpovídá teplotě 2 520 °C, což odpovídá údajům udávaným výrobci žárovek (např. [2]).
Topná spirála
K pokusu je nutná topná spirála z rychlovarné konvice, např. 230 V/2 100 W. Spirálu připojíme na zdroj 24 V. Pokusíme se najít dobrovolníka, který by byl ochoten spirálu podržet v rukou (po předchozím upozornění na příkon spirály nebude snadné ho najít). Spirála kupodivu jen mírně hřeje.
Při rychlém vysvětlování zanedbáme změny odporu s teplotou. Napětí na spirále kleslo cca desetkrát. Obdobně klesl i proud. Příkon je P = UI, proto klesl stokrát na hodnotu 21 W.
(Podrobnější úvaha musí vycházet z toho, že P = U2/R, napětí klesne desetkrát, ale odpor díky snížení teploty klesá také, proto je výsledný příkon větší než 21 W).
Tavná pojistka
Sestavíme obvod z 12 V žárovky, 12 V zdroje a vypínače. Součástí spojovacích vodičů je krátká ocelová struna (pod ní doporučuji položit nehořlavou podložku - např. alobal). Zapneme obvod - žárovka svítí. Pomocí nůžek nebo jiného kovového předmětu zkratujeme po předchozím upozornění žárovku - proud v obvodu prudce naroste a ocelová struna se přepálí.
Literatura
[1] Piskac V.: Light bulbs take a while to get going. Physics Education, January 2006
[2] http://www.bulbs.com/lightingguide/tech_i_history.asp (citováno 21.8.2006)