Elektrárna na kliku

Michaela Urbanová, Jiří Dolejší

Nápad s elektrárnou vznikl nad debrujářským návodem na výrobu jednoduchého větrníku (ze sbírky Nevyhazuj ... od V. Bdinkové a M. Černé [1]). Na začátku byla myšlenka použít magnety z chňapek na horké nádobí vlepené do PET láhve jako rotoru a věnce cívek okolo. Díky objevení talíře starého gramofonu při jarnímu úklidu jsme ale začali vyrábět elektrárnu na kliku. Ložisko talíře jsme přišroubovali na dřevěnou desku a rotor byl hotov. Protože jsme chtěli, aby naše elektrárna dávala co možná nejvíce elektrické energie, museli jsme použít jednak dost magnetů a cívek, ale také popřemýšlet nad správnou orientací pólů magnetů na rotoru. Když chceme, aby změny magnetického indukčního toku cívkami byly maximální, musíme dávat magnety střídavě – tzn. jednou severní pól dovnitř, jednou ven. Tak jsme nechali na talíř naskákat 12 magnetů. Pak jsme vyrobili stejný počet cívek. Na šroub M10 jsme nejdřív dali malou papírovou ruličku jako izolaci a čela vystřižená z kartonu. Pomocí vrtačky jsme na každou cívku namotali ze smaltovaného měděného drátu o průměru 0,5 mm přibližně 800 závitů. Na konce drátu jsme naletovali silnější přívodní vodiče, zaizolovali je a upevnili izolepou. Šrouby s cívkami jsme upevnili do dvou ohnutých kovových pásků (z konstrukce starého kočárku). Tyto obruče drží ve čtyřech dřevěných kostkách, které jsou přišroubovány pevně k základní desce tak daleko od talíře, aby mezi magnety a hlavami šroubů byla co nejmenší mezera. Celková konstrukce elektrárny je patrná z obr. 1.

Michaela Urbanová, Jiří Dolejší: Elektrárna na kliku - Obr. 1

Obr. 1

Když talíř roztočíme, můžeme na cívkách měřit voltmetrem napětí. Z jedné cívky dostáváme napětí přibližně 1,5 V, ze dvou správně spojených (to je potřeba měřit) dvakrát více, a z celé elektrárny, když jsou cívky pospojovány správně sériově, opravdu okolo 20 V. Otočíme-li rotor o dva magnety, je směr magnetického pole v každé cívce stejný jako na začátku, takže kmitočet našeho střídavého napětí je 6x počet otáček. Napětí na otáčkách závisí tak, jak má. K elektrárně jsme připojili usměrňovač a kondenzátor. Děti se možná zeptají, k čemu je takový kondenzátor dobrý? To jim můžete ukázat na jednoduchém pokusu. Připojte k elektrárně bez kondenzátoru svítivou diodu a roztočte talíř. Dioda bliká. Když pak stejný pokus zopakujete s kondenzátorem, bude dioda svítit stále. Děti by možná řekly, že kondenzátor má funkci „spižírny“ elektrické energie, což není daleko od pravdy.

Točíme-li klikou upevněnou k talíři s „chňapkovými“ magnety, vzniká rotující magnetické pole. Pojem „rotující magnetické pole“ je pro děti hrůzostrašný a abstraktní, realita s klikou je však jednoduchá. Nejlepší je dát dětem kompas, tužku, papír a železné piliny a nechat je si pohrát s tímto neviditelným polem. Právě železné piliny jim pomohou toto pole zviditelnit. Přes elektrárnu stačí dát papír, piliny na něj nasypat a pak je třeba zafixovat lakem na vlasy, aby dobře držely tvar (obr. 2). Magnetické indukční čáry, které tak děti můžou vidět, jim jasně prozradí, kde jsou magnety i jakými póly jsou k sobě natočeny. No a pak si děti můžou nakreslit ještě jeden obrázek, kdy obkreslí dráhu střelky kompasu, kterým „objedou“ elektrárnu (obr. 3). Oba obrázky k sobě krásně pasují.

Michaela Urbanová, Jiří Dolejší: Elektrárna na kliku - Obr. 2 (vlevo) a 3 (vpravo)

Obr. 2 (vlevo) a 3 (vpravo)

Podobnou elektrárnu si mohou vyrobit děti na základní škole a pochopit její funkci. Dost práce však zůstane i na střední školu, kde se lze věnovat podrobnějšímu měření proudu, napětí, frekvence apod. (některé náměty na obdobná měření jsou v článku zabývajícím se měřením na dynamu jízdního kola [2]). Zpracování a interpretace změřených hodnot zde nemusí být jen samoúčelným cvičením, ale může například ukázat, zda chování elektrárny rozumíme a odpovědět například na otázku, jak velká je účinnost elektrárny.

Ke zjištění účinnosti potřebujeme znát výkon potřebný k pohonu elektrárny a výkon nějakého spotřebiče, který je jí napájen. A protože není jednoduché určit výkon našich svalů při točení klikou, poháněli jsme elektrárnu kladkou o průměru 5 cm se závažím (láhev + voda) o hmotnosti 0,43 kg, přičemž množství vody jsme nastavili tak, že závaží padalo rovnoměrně a frekvence f generovaného proudu byla 12 Hz. Padající závaží tedy dodávalo výkon

P_z = mgv = mgπdf =1,3 W.

Jako spotřebič jsme použili rezistor s odporem R = 58,6 Ω. Za uvedených podmínek jím tekl proud I = 90 mA. Tedy „užitečný“ výkon na rezistoru byl

P = RI²= 0,5 W.

Z výše uvedených hodnot vychází účinnost elektrárny h= P/P_z ≈ 0,4, tzn. 40%.

Rozdílné hodnoty výkonu tíhové síly, která táhne závaží dolů a výkonu, který naměříme na spotřebiči, nás okamžitě vedou k diskusi nad ztrátami elektrické energie v elektrárně. Výkon závaží se spotřebuje jednak na užitečný výkon spotřebiče, jednak na elektrické, mechanické a magnetické ztráty.

Indukované napětí (naprázdno, závaží 0,24 kg) při frekvenci 12 Hz je U = 12 V, při zkratování svorek elektrárny prochází proud I = 140 mA (pro udržení frekvence 12 Hz je potřeba závaží 0,46 kg), takže vnitřní impedance elektrárny je Z = 86 Ω. Odpor cívek elektrárny je ale jen R_i = 48,7 Ω, takže je nezanedbatelná induktance cívek. Výkon spotřebovaný na ohřátí vodičů je tedy P′= RI² = 0,95 W, zatímco závaží dodává v tomto případě výkon P = 1,39 W. Na mechanické a magnetické ztráty tak připadá výkon přibližně 0,44 W.

Naše elektrárna stačí na napájení žárovičky, malého rádia apod. Co když ale budeme chtít poslouchat svou oblíbenou hudbu celý den? Od točení klikou nás pak asi bude pěkně bolet ruka. A tady vyvstávají další zajímavé otázky, které má smysl s dětmi prodiskutovat – elektrárny a energie vůbec je tak zajímavé a obsáhlé téma, že je určitě vhodné i pro celoškolní projekt, protože v každém předmětu se najde spousta otázek souvisejících právě s energií, například:

Zeměpis

- Kde jsou na světě zdroje fosilních paliv?

- Kde jsou na světě elektrárny a jakých druhů? (najít nějaké zajímavosti)

- Které země mají nejlepší podmínky pro ten který druh elektrárny?

Biologie a chemie

- Jak získávají a skladují energii živé organismy? Mají nějaké solární články?

- Jaká strava je nejvhodnějším zdrojem energie?

- Porovnat rostliny a živočichy.

- Jak fungují naše svaly?

- Jakou roli hraje energie v chemických reakcích?

Dějepis

- Jak lidé získávali energii v různých obdobích?