Elektrický oblouk mezi elektrolytem a pevnou elektrodou

Pavel David

Potřeby: rozkladný transformátor 600 Z/600 Z, 2 A; dvoucestný usměrňovač s vyhlazovacím filtrem, zahrocený drát (hřebík) o průměru přibližně 2 mm, kovový (měděný) pásek, kádinka, vodný roztok CuSO4, případně NaCl, vodiče.

Provedení: K demonstraci použijeme obvod (viz schéma zapojení obr. 1), který bude připojen na střídavé síťové napětí 230 V. Kovovou zahrocenou elektrodu umístíme přibližně 1 cm nad hladinou elektrolytu. Následné přiblížení kovové elektrody k hladině provedeme pomocí izolovaného držáku umožňujícího svislý posuv elektrody, popř. tak, že hladinu elektrolytu budeme přibližovat k elektrodě zvedáním kádinky.

1. Nejprve provedeme demonstraci s připojením kovové elektrody ke kladné svorce usměrňovače – tedy hrot bude anodou a hladina elektrolytu katodou. Při dotyku hrotu pevné elektrody s hladinou elektrolytu uvede procházející proud Jouleovým teplem elektrolyt do varu, přičemž bude taktéž docházet k rozkladu elektrolytu. K zapálení obloukového výboje nedojde, neboť katoda, kterou nyní představuje elektrolyt, se nezahřeje na teplotu potřebnou k termoemisi elektronů.

2. Provedeme přepólování, tj. kovovou elektrodu připojíme k záporné svorce usměrňovače, takže nyní katoda bude tvořena zahrocenou elektrodou a elektrolyt anodou. V tomto případě při pomalém přiblížení hrotu dojde procházejícím proudem k zahřátí pevného hrotu na vysokou teplotu. Vysoká teplota hrotu způsobí var elektrolytu a tím oddálení hladiny elektrolytu od zahrocené elektrody. Na pevné elektrodě současně vznikne ploška s elektronovou termoemisí a dojde k zapálení obloukového výboje mezi pevnou elektrodou a elektrolytem. Dále je možno pomalu zasouvat kovovou elektrodu pod hladinu elektrolytu. Vznikající vodní páry vytvoří plynný obal, který oddálí plazma výboje od elektrolytu a umožní hoření obloukového výboje jeden až dva centimetry pod hladinou elektrolytu. (Tato hloubka závisí na velikosti protékajícího výbojového proudu). V důsledku obloukového výboje vzroste teplota zahrocené kovové elektrody na tak vysokou hodnotu, že dojde k jejímu otavení. Na hrotu vznikne kapička roztaveného kovu. Ztráta zahrocení elektrody zapříčiní nepravidelné hoření oblouku.

3. Po výměně otavené elektrody za zahrocenou připojíme elektrody přímo na výstup transformátoru. Střídavé napětí přivedené na pevný hrot a hladinu elektrolytu zapálí obloukový výboj, který však bude hořet přerušovaně (možno ukázat rotujícím zrcadlem), tj. bude hořet pouze v té půlperiodě, kdy pevná elektroda je záporná a hladina elektrolytu kladná. Obloukový výboj bude pracovat jako jednocestný usměrňovač.

Poznámka: Pokus demonstruje:

a) Jednu z nutných podmínek obloukového výboje, tj. nutnost vzniku termoemisní katody. Je tedy potřebné, aby katoda byla vždy na vysoké teplotě, což v případě, kdy katodu tvoří elektrolyt, není možné.

b) Hoření elektrického oblouku pod vodní hladinou. Každý obloukový výboj má klesající voltampérovou charakteristiku, což vyžaduje, aby s obloukovým výbojem byl v sérii zapojen odpor (impedance) omezující výbojový proud. Toto v našem případě zajišťuje impedance transformátoru, který současně plní funkci oddělení obvodu s obloukem od obvodu sítě. Na obr. 2 je uvedeno zapojení pro případné použití jiného stejnosměrného zdroje, např. motorgenerátoru.

Při demonstraci je nutno dodržet předpisy pro práci se síťovým napětím a nesmí se na ní podílet žáci! Pozor na nebezpečí úrazu elektrickým proudem!