Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Hubeňák J.

Abstrakt

Zvonkový transformátor je levným zdrojem malého napětí. Jako oddělovací transformátor má vinutí primární a sekundární bezpečně odděleno a lze jej pod dohledem učitele použít ke skupinové práci žáků základních nebo středních škol. Úprava pro měření není časově ani finančně náročná a v příspěvku jsou navržena měření a motivační experimenty.

Nápad, parametry podle výrobce a první měření

Shodou okolností se mi na stole ocitlo deset zvonkových transformátorů. Co s nimi? Jako zdroje toho moc neumí – nominální hodnoty výstupních napětí jsou jen 3,5 a 8 V. Každý kus byl ještě originálně zabalen a měl i technický list:

Parametry podle výrobce

Klingeltransformator

Tip TR 16-0

Made in Romania

Technické údaje:

Jmenovité napětí 220 V

Výstupní napětí 3, 5 a 8 V

Provozní napětí trvalé

Transformátor je odolný vůči zkratu na výstupu

Krytí IP 4.0. (Chráněno před vniknutím drobných předmětů a nebezpečným dotykem nástrojem >1 mm, nemá ochranu před vniknutím vody.)

První nápad – alespoň měřit

Fyzik měří, potom věří. Po ruce byl letitý digitální PU 510 a bylo naměřeno:

Odpor primárního vinutí R₁ = 1,13 kΩ

Odpor sekundárního vinutí R₂ = 4,0 Ω

Primární napětí U₁ = 238 V

Sekundární napětí naprázdno U₂₁ = 4,58 V, U₃₂ = 8,96 V, U₃₁ = 13,54 V

Podle výrobce je transformátor odolný proti zkratu na výstupu a tak byly měřeny i zkratové proudy:

Zkratový proud sekundáru: I₂₁ = 2,0 A, I₃₂ = 1,47 A, I₃₁ = 1,14 A

(Měřeno na rozsahu 10A.)

Tady se nabízí první možnost výpočtu. Výstup transformátoru (svorky 1,3) lze považovat za střídavý zdroj s vnitřní impedancí Z_i \[ Z_i = \frac{U_{31}}{I_{31}} = \frac{13,54}{1,14}\,\mathrm{\Omega} = 11,88\,\mathrm{\Omega} .\]

Úlohu zjednodušíme a za reálnou část impedance budeme považovat odpor vinutí. Pak lze vypočítat vnitřní induktanci tohoto náhradního zdroje \[ X_L = \sqrt{Z_i^2 - R_2^2} = \sqrt{11,88^2 - 4^2}\,\mathrm{\Omega} = 11,19\,\mathrm{\Omega}.\]

Z toho indukčnost náhradního zdroje \[ L = \frac{X_L}{2\pi f} = \frac{11,19}{2\pi\cdot 50}\,\mathrm{H} = 35,6\,\mathrm{mH}.\]

(Měření indukčnosti sekundárního vinutí dá hodnotu vyšší, zde 97 mH. Rozdíl je dán tím, že se v zatíženém transformátoru  magnetické indukční toky odečítají – Lenzovo pravidlo.)

Měření vstupního proudu na primární straně je z bezpečnostních důvodů pro žáky vyloučeno. Vyučující může změřit vstupní proud pro výstup naprázdno: I₁ = 11,5 mA.

Zkraty na výstupu značně ovlivní vstupní proud.

Vstupní proud pro výstup nakrátko závisí na tom, které ze tří výstupních svorek zkratujeme:

Pro proud I₁ vypočteme vstupní impedanci transformátoru při výstupu naprázdno \[ Z_1 = \frac{U_1}{I_1} = \frac{238}{11,5\cdot10^{-3}}\,\mathrm{\Omega} = 20,7\,\mathrm{k\Omega}.\]

Pro induktanci primárního vinutí platí: \[ X_L^{(1)} = \sqrt{Z_1^2 - R_1^2} = \sqrt{20,7^2 - 1,12^2}\,\mathrm{k\Omega} = 20,67\,\mathrm{k\Omega}.\]

Indukčnost primárního vinutí: \[ L_1 = \frac{X_L^{(1)}}{2\pi f} = \frac{20\,670}{2\pi\cdot 50}\,\mathrm{H} = 65,8\,\mathrm{mH}.\]

Poznámka:

Přímé měření indukčnosti digitálním multimetrem METEX dává zcela odlišnou hodnotu 4,6 H. Je to dáno principem, který multimetr využívá pro měření indukčnosti.

Transformace dolů a pak nahoru

S použitím dvou stejných zvonkových transformátorů lze ukázat, že jsou ztrátové. Sekundár prvního transformátoru spojíme se sekundárem druhého a měříme digitálním voltmetrem napětí na primárním vinutí druhého transformátoru:

K původní hodnotě napětí se můžeme jen přiblížit použitím jiných svorek druhého transformátoru:

První transformátor má paralelně ke vstupu připojenu žárovku 230 V/15 W a druhý signální doutnavku s předřazeným rezistorem 1 MΩ. Ta má zápalné napětí přibližně 210 V. Amplituda k efektivnímu napětí 179 V nebo 208 V je dostatečná k rozsvícení doutnavky.

Zatížený výstup druhého transformátoru žárovkou 230 V, 15 W

V tomto uspořádání je prokazatelná ztráta při dvojí transformaci: žárovka slabě žhne a digitální voltmetr naměří pouze 52 V.

Vznik indukovaného napětí

K tomu stačí plochá baterie a transformátor s doutnavkou. Odvážní si mohou vyzkoušet dotek na síťové vidlici. Doutnavka spolehlivě zasvítí i s jedním tužkovým článkem. Trpělivý fotograf zachytí i záblesk doutnavky – obr.1.

Ukázka s ledkami

První sonda:

Bílá ledka je na konci vodiče a pokud ji roztočíme, díky setrvačnosti oka vidíme čárkovaný kruh.

Druhá sonda:

Usměrňovací dioda zde není a ledka je dvoubarevná se dvěma vývody. V klidu vidíme žlutý svit. Po roztočení je zřejmé střídání červených a zelených záblesků.

Odhad kmitočtu sítě

Práškovou sírou poprášíme hliníkovou desku. Na ni připojíme jeden kontakt a levou rukou se dotkneme druhého kontaktu na výstupu 13 V~. Ukazováčkem pravé ruky rovnoměrně přejedeme po celé délce hliníkové desky . Za prstem zůstává přerušovaná stopa v sirném poprašku. Obloučky kopírují dotyk prstu s podložkou.

V třetinách délky desky nakreslíme fixem značky a nacvičíme přejezd prstem za tři sekundy. Spočítáme počet stop za jednu sekundu a dostaneme přibližně 50. Přerušovaná stopa vzniká díky tomu, že zrníčka síry se třením nabíjejí záporně.

Detail ukazuje obr. 2.

Pokus není nový. Autor jej zkoušel před půl stoletím podle návodu v časopise Věda a technika mládeži: „Drátem spojte s fází v zásuvce zinkový plech posypaný sírou. Stůjte na koberci a jedním  prstem…“

Závěr

Učitelé fyziky snadno najdou další možnosti kvalitativních i kvantitativních experimentů. Nabízí se např. elektrolýza střídavým nebo usměrněným proudem, studium jedno a dvoucestných usměrňovačů, filtrace usměrněného napětí, poslech síťového brumu, zapojení násobiče napětí, měření střední hodnoty usměrněného napětí atd. Cena je opravdu přijatelná – zvonkový transformátor pořídíte do 400 Kč a ostatní drobnosti najdete v šuplíku.