Střídavý proud
Milan Rojko
Výklad o střídavém proudu je na základní škole limitován tím, jak dobře žáci chápou problematiku grafického zobrazování časových závislostí střídavého proudu a napětí. Protože zvládnutí této dovednosti, kterou je tvorba grafů a čtení informací z grafů, je nepochybně jedním z velmi závažných výukových cílů fyziky, pokusím se v tomto příspěvku popsat způsob výkladu, který je možno přenášet i do dalších fyzikálních témat.
Všechny naše zkušenosti potvrzují, že vytváření a čtení informací z grafů nečiní potíže tehdy, je-li důsledně oddělen vlastní fyzikální děj, záznam jeho průběhu do tabulky a následné grafické znázornění. Příkladem může být zaznamenávání průběhu teploty a jeho zaznamenávání do grafu, které zvládá většina žáků již v přírodovědě ve 3. třídě prvního stupně základní školy. Potíž zde nečiní ani čtení těchto grafů, např. hledání nejvyšší a nejnižší teploty v průběhu zkoumaného časového intervalu, přiřazování teploty určitému časovému okamžiku a další podobné úkoly.
Proč nejsou výsledky při používání grafů v mechanice či elektřině stejně úspěšné, spatřuji v tom, že zde není reálný proces a popis jeho průběhu grafem ostře oddělen. V kinematice je to většinou proto, že se nesleduje reálný pohyb způsobem analogickým, jakým se registruje průběh teploty (viz návrh na sledování a registraci pohybu hlemýždě v článku 2. Kdy a kde? v [1]).
V nauce o střídavých proudech zase obráceně grafické zobrazení průběhu napětí a proudu zpravidla získáváme elektronicky oscilografem a je zde tedy fyzikální realita modelována jinou fyzikální realitou. Není divu, že část žáků obě tyto reality ztotožňuje.
Obr. 1 Měření průběhu pomalého sinusového průběhu napětí
Návrh, který zde předkládám pro výklad střídavého proudu na základní škole, vychází ze snahy použít postup, který se nepochybně osvědčil při práci s termografem. Prvním krokem tedy bude záznam průběhu střídavého proudu do tabulky. To ovšem vyžaduje zvolit zdroj střídavého napětí dostatečně nízké frekvence. Vhodný je např. signální generátor NTL, nastavený na nejnižší možnou frekvenci f = 0,1 Hz. I v tomto případě je ovšem nutno číst hodnoty napětí na ručkovém přístroji poměrně rychle, minimálně po 1 sekundě. To jsme vyřešili při výuce tak, že se skupina 10 žáků shromáždila před voltmetrem připojeným ke zdroji, vedle kterého rytmicky ťukal metronom (obr. 1). Každý ze žáků pak dostal za úkol přečíst na voltmetru jednu hodnotu napětí, příslušnou určité sekundě. Po jednom pokusu na zkoušku byly údaje z druhého pokusu zapsány do tabulky, každý z žáků ve třídě si pak údaje opsal a zakreslil příslušný graf do sítě, kterou dostal k dispozici (viz obr. 2a). Aby si žáci uvědomili, že harmonický průběh střídavého napětí je jen jedním z mnoha možných, zaregistrovali jsme stejným postupem i další dva průběhy, které signální generátor poskytuje (viz obr. 2b a 2c).
Obr. 2a, b, c Průběhy střídavých proudů získané čtením napětí na ručkovém přístroji
Jak se projevuje různý průběh střídavého proudu na silovém působení na vodič, jsme potom následně demonstrovali na staniolovém proužku, který volně visel v poli podkovovitého magnetu. Na pohybu proužku bylo možné při pozorném sledování zřetelně odlišit, zda jím prochází střídavý proud se sinusovým trojúhelníkovým či obdélníkovým průběhem.
Při nízkých frekvencích lze zřetelně ukázat i usměrnění střídavého proudu diodou (viz obr. 3), nebo čtveřicí diod v Graetzově zapojení i s vyhlazovací funkcí kondenzátoru. Vliv tlumivky je ovšem vzhledem k nízké frekvenci nezřetelný.
Obr. 3 Proměření usměrněného proudu diodou
I v tomto případě v prvním kroku demonstrujeme jev pomocí voltmetru, kterým registrujeme vstupní střídavé napětí a miliampérmetrem, kterým zaznamenáváme průběh proudu. Na základní škole se asi můžeme spokojit jen s pohledem žáků na rozdílné kmitání ruček těchto dvou měřidel. Vhodné jsou frekvence od 0,3 Hz. Použijeme-li nejnižší dosažitelnou frekvenci 0,1 Hz, lze opět průběh proudu zaznamenávat výše popsaným způsobem do tabulky a graficky znázorňovat (obr. 4). Máme-li k dispozici systém ISES, můžeme navázat čtením hodnot i grafickým znázorněním do dvojice oken a udělat tak další krok směrem k oscilografickému záznamu.
Obr. 4: Průběhy - a) vstupního napětí, b) proudu usměrněného diodou, c) proudu usměrněného čtveřicí diod v Graetzově zapojení, d) čtveřicí diod v Graetzově zapojení s kondenzátorem
Zdroj nízké frekvence trojfázového proudu umožňuje další, velmi ilustrativní experiment, modelující točivé magnetické pole v trojfázovém elektromotoru (obr. 5). Stačí přivést příslušná napětí na trojici cívek modelu trojfázového elektromotoru a buď malými magnetkami, ocelovými pilinami nebo jednou větší magnetkou zviditelnit magnetické pole v oblasti, v níž je uložen rotor. Natáčení pole je zřetelné a vylučuje nesprávné představy o siločárách, jako soustředných, kroužících kružnicích.
Obr. 5: Demonstrace pomalého točivého pole trojfázového proudu
K demonstraci tohoto efektu jsme na Veletrhu nápadů použili dvojici systémů ISES se třemi boostery a jednoduchý jednoúčelový program v jazyce PASCAL. Protože je tento způsob na základních školách prakticky nepoužitelný, chceme pro tuto demonstraci vyvinout jednoúčelový zdroj a nabídnout ho některému z výrobců učebních pomůcek. Věříme, že to učitelé fyziky na základní škole, kteří se nespokojí jen s křídou a tabulí, uvítají.
Literatura:
[1] Rojko, M. a kol.: Fyzika kolem nás II, Praha, Scientia, 1996
[2] Lustig, F., Lustigová, Z., Vlášek, P.: ISES Příručka k soupravě, 1994
