Experimenty z elektromagnetismu

Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický zpusob ˚ myšlení a praktické aplikace pˇrírodovˇedných a technických poznatku˚ v reálném životˇe

Experimenty z elektromagnetismu

Dokumentace pˇrípravy, technického zajištˇení, scénáˇre, fyzikálního pozadí a fotodokumentace vystoupení vzniklého v rámci projektu Science Academy na téma elektromagnetismu.

Seznam experimentu ˚ 1. Vyrábˇení elektˇriny tˇrením 2. Van de Graaffuv ˚ generátor 3. Ørsteduv ˚ pokus 4. Faradayuv ˚ motor 5. Faradayuv ˚ generátor 6. Elektromagnetická indukce v cívce 7. Cívka a magnetický kotouˇc 8. Kytarový snímaˇc

ˇ Technická cást poˇradu Kompletní soupis experimentálního vybavení • 2×prodlužovací kabel, celkem 5×230 V


• nafukovací balonky • Van de Graffuv ˚ generátor, baterie 12 V, pˇrívodní kabel • výbojová tyˇc, vybíjecí tyˇc, zemnicí kabely • hliníkové mistiˇcky, hrotový elektrostatický motor, hrot • izolaˇcní podložka • laboratorní zdroj, tyˇc, pˇrívodní kabely • stˇrelka, hrot na stˇrelku • nádoba na vodu, sul, ˚ neodymový magnet • podložka se závˇesem, závˇesný vodiˇc, vodiˇc do nádoby • laboratorní zdroj, pˇrívodní vodiˇce 2×1 m, krokosvorka • Faradayuv ˚ diskový generátor, lampa, žárovka 12 V, 40 W • zesilovaˇc napˇetí, zdroj 12 V, 5 A, pˇrívodní vodiˇce 2×1 m • demonstraˇcní disk, demonstraˇcní magnet • široká cívka, velký feritový magnet, vstupní redukce • LED voltmetr, zdroj 12 V • aku-vrtaˇcka, disk s magnety, disk se šrouby • snímací cívka, magnet ke snímací cívce • kytarový zesilovaˇc, vstupní redukce • primitivní kytara, trsátko, slider

Celkové zapojení a sestavení pˇred vystoupením Vybrané experimenty jsou prostorovˇe nároˇcné, proto doporuˇcujeme zvážit možné pˇrestavby bˇehem jejich provádˇení. Jako první instalujeme Van de Graaffuv ˚ generátor, necháme kolem nˇej dostatek manipulaˇcního prostoru. Musí být umístˇený tak, aby na nˇej mohl dobrovolník pohodlnˇe dosáhnout a


tak aby jeho výboje neohrožovaly ostatní zaˇrízení. Zejména LED voltmetr a kytarový zesilovaˇc necháváme po dobu provozu Van de Graaffova generátoru odpojené. Dále sestavíme Ørsteduv ˚ pokus, pamatujeme na dostatek prostoru pro stˇrelku. Tyˇc pˇripojíme ke zdroji, na polaritˇe nezáleží. Po ukonˇcení pokusu stˇrelku schováme do bezpeˇcí. Faradayuv ˚ motor sestavíme, naplníme nádobu do dvou tˇretin vodou a pˇrisypeme sul. ˚ Obˇe elektrody (závˇes a drát v nádobˇe) pˇripojíme ke zdroji. Na polaritˇe nezáleží, ale po prvním sepnutí ji už nesmíme mˇenit. Faradayuv ˚ generátor postavíme na stul tak, aby byly dobˇre vidˇet jeho cˇ inné cˇ ásti. Pˇripojíme jej k zesilovaˇci napˇetí a ten pˇripojíme k lampˇe osazené 12 V žárovkou. Polarita vstupního i výstupního napˇetí nehraje roli. Zesilovaˇc pˇripojíme k napˇetí. Volíme smˇer rotace souhlasný s pˇriloženými sbˇernými kartáˇcky. Indukˇcní cívku pˇripojíme pˇres redukˇcní krabiˇcku k voltmetru a ten ke zdroji napˇetí. Na voltmetru nastavíme režim jediné teˇcky. Aku-vrtaˇcku osadíme magnetickým kotouˇcem. Snímací cívku pˇripojíme pomocí redukce ke kytarovému zesilovaˇci a nastavme vhodnou hlasitost. Magnet mužeme ˚ pro první pokus z cívku odstranit, ale je možné též snímat magnety druhým koncem cívky a tu pak jednoduše obrátit v ruce. Kotouˇc se šrouby schováme z dohledu. Primitivní kytaru naladíme (D-A-d, ladˇení nemusí být pˇresné, staˇcí dodržet intervaly) a schováme ji z dohledu. Pˇrípravky pro hraní doporuˇcujeme mít v kapse.


Didaktika a technická stránka experimentu ˚ Van de Graaffuv ˚ generátor Získává elektˇrinu tˇrením. Používá tˇri materiály z ruzných ˚ cˇ ástí triboelektrické rˇ ady. Gumový pás obíhá mezi dvˇema kladkami volenými tak, aby se o jednu pás nabíjel kladnˇe a o druhou zápornˇe. Náboj se z pásu sbírá sršením do ocelových hˇrebenu˚ namíˇrených proti kladkám. Náboj od spodní kladky je pˇriveden na vnˇejší vývod, náboj z horní kladky je odvádˇen na povrch kopule generátoru. Spodní vývod muže ˚ být uzemnˇen. Po krátké chvíli v provozu se kopule nabije na vysokou hodnotu napˇetí, je duležité ˚ je po ukonˇcení experimentu vždy vybít. Pˇriblížíme-li vodiˇc spojený se spodním vývodem ke kopuli, dojde k vybití generátoru jiskrovým výbojem. Výboje jsou tím delší, cˇ ím vˇetší je napˇetí mezi elektrodami, jsou tedy menší, je-li spodní vývod uzemnˇen.

Obr. 1: Van de Graaffuv ˚ generátor Nevodiˇc pˇriblížený bez dotyku ke kupoli se polarizuje a je pˇritahován. Dojdeli ke kontaktu, nabije se na stejný náboj a je od kopule odpuzován. Vodiˇce se v kontaktu s kopulí nabíjejí na stejný náboj a jsou od ní odpuzovány. Tyto


jevy se ukazují standardnˇe s pomocí zavˇešených vodivých míˇcku˚ nebo kovových vlásku. ˚ Hliníkové tácky položené na kopuli se nabíjejí stejným zpuso˚ bem a po jednom odlétávají.

Obr. 2: Odlétávání hliníkových tácku˚

Obr. 3: Nabíjení dobrovolníka

Pokud elektrujeme dobrovolníka, nesmí být vodivˇe spojen se zemí. Musí tedy stát na nevodivé podložce v suchém prostˇredí. Pˇri jeho vybití dojde k pˇreskocˇ ení jiskry, což muže ˚ být bolestivé. Zážitek je tím více nepˇríjemnˇejší, cˇ ím rychleji se dobrovolník vybije. Pokud se vybije dotykem dlanˇe, nebude ho to bolet tolik, jako když se vybije dotykem prstu. Pˇri výbˇeru dobrovolníka musíme mít na pamˇeti, že bude vystaven pusobení ˚ elektrického proudu. Nesmí to tedy být kardiak cˇ i epileptik a musí vˇedˇet, co ho cˇ eká. Pro vlastní bezpeˇcnost dbáme na to, aby cˇ lovˇek, který pˇrístroj spouští byl na stejném potenciálu jako základna stroje - musí s ní tedy být vodivˇe spojen. V urˇcitých situacích lze zmenšit provozní napˇetí tím, že spodní cˇ ást zaˇrízení uzemníme. I v tomto pˇrípadˇe musí být cˇ lovˇek ovládající pˇrístroj se spodní cˇ ástí vodivˇe spojen. Pokud se tak nestane, dojde pˇri kontaktu s pˇrístrojem k probití slabé, leˇc bolestivé jiskry.

Ørsteduv ˚ pokus Ørsteduv ˚ pokus ukazuje souvislost elektrického a magnetického pole. Pˇri pokusu proud protékající vodiˇcem svým vlastním magnetickým polem vychyluje stˇrelku kompasu. Stˇrelku umístíme na stul ˚ tak, aby mˇela dostatek


prostoru na rotaci. Dbáme na to, že stˇrelka je velmi kˇrehká. Sestavíme tyˇc a pˇripojíme ji kabely ke zdroji. Zdroj nastavíme na plný výkon, spínáme jej pouze po dobu použití. Tyˇc kolem sebe vytváˇrí pole, jehož indukˇcní cˇ áry mají tvar soustˇredných kružnic. Stˇrelka se stáˇcí teˇcnˇe k tˇemto indukˇcním cˇ arám. Tyˇc je tedy nutné pˇrikládat ke stˇrelce rovnobˇežnˇe. V kolmém uspoˇrádání tyˇc stˇrelku nevychýlí. Magnetické pole Zemˇe nemá na prubˇ ˚ eh pokusu významný vliv, urˇcuje pouze poˇcáteˇcní polohu stˇrelky.

Obr. 4: Uspoˇrádání pokusu

Obr. 5: V tomto uspoˇrádání tyˇc stˇrelku nevychyluje

Elektromagnetická indukce v cívce Základní Faradayuv ˚ pokus ukazuje, jak vyvolat elektrické napˇetí pomocí magnetického pole. Pohybující se magnet kolem sebe vyvolává promˇenlivé magnetické pole, které protéká smyˇckami cívky. Pokud se mˇení magnetický tok v cívce, pak se na jejích koncích indukuje napˇetí. Použitá cívka má nˇekolik tisíc závitu, ˚ pˇresto je indukované napˇetí malé v rˇ ádu mV. Vyššího napˇetí se dosahuje vˇetším poˇctem závitu˚ a nebo vˇetší zmˇenou indukˇcního toku, tedy silnˇejším magnetem nebo jeho rychlejším pohybem.


Cívku pˇripojujeme k LED voltmetru. Ten je vhodné mít v zapojení s nulou uprostˇred (zaˇrídí pˇripojovací redukce) a v režimu, kdy zobrazuje pouze jedinou teˇcku.

Obr. 6: Uspoˇrádání experimentu

Obr. 7: Detail zapojení

Faradayuv ˚ motor Tento historický experiment ukazuje první elektromagnetický motor. Provozuje se na stejnosmˇerném napˇetí a využívá principu pusobení ˚ magnetického pole na vodiˇc protékaný proudem. Z kovového závˇesu je spuštˇený drát, který muže ˚ v závˇesu volnˇe kývat. Drát je spuštˇen do nádoby se slanou vodou, podél jejíhož okraje vede další drát, který tvoˇrí druhou elektrodu. Ve stˇredu nádoby je umístˇen neodymový magnet zalitý v epoxidu. Na závˇes a na drát v nádobˇe pˇrivádíme napˇetí ze zdroje, který používáme témˇerˇ na maximální výkon. Na polaritˇe zdroje nezáleží, vzhledem k probíhající elektrolýze soli ji však již nesmíme mˇenit. Magnetické pole, které prochází v místˇe zavˇešeného vodiˇce témˇerˇ vodorovnˇe, je kolmé na smˇer protékajícího proudu. Podle Lenzova zákona na vodiˇc pu˚ sobí silou, která je kolmá na smˇer proudu i na indukˇcní cˇ áry. Vzhledem k symetrii situace tato síla roztáˇcí zavˇešený drát v každém místˇe obrátky.



Obr. 9: Magnet ve stˇredu nádoby

Obr. 10: Ilustrace principu Faradayova motoru


Faradayuv ˚ generátor Další historický pokus ukazuje princip výroby elektˇriny v jiném provedení. Z hlediska vzájemného pohybu je jedno, zda se pohybuje magnet u vodiˇce nebo vodiˇc u magnetu. Faradayuv ˚ generátor je mosazný disk, který se otáˇcí v dutinˇe podkovovitého magnetu. Na stˇred a okraj disku jsou pˇrivedeny kartáˇce, mezi kterými mˇerˇ íme napˇetí. Pˇri pohybu disku lze mezi osou a obvodem disku namˇerˇ it napˇetí v rˇ ádu µV a proud v rˇ ádu 0,1 mA. Kovový disk obsahuje volné elektrony. Pokud se disk pohybuje, elektrony se pohybují s ním. Pro magnetické pole nehraje roli, zda se elektrony v disku pohybují v dusledku ˚ protékání proudu nebo v dusledku ˚ mechanického pohybu disku. Magnetická síla, která na nˇe pusobí ˚ je dána jejich rychlostí, nábojem (elementární) a intenzitou magnetického pole. Tato síla je kolmá na rychlost elektronu˚ a indukˇcní cˇ áry pˇriloženého pole. Podle polarity pˇriloženého magnetu a smˇeru rotace disku pak tato síla vynáší elektrony k okraji disku nebo naopak do jeho stˇredu, kde pak dojde k nahromadˇení záporného náboje a my pak mužeme ˚ namˇerˇ it odpovídající napˇetí.

Obr. 11: Ilustrace principu Faradayova generátoru V našem zapojení je výstup z generátoru od jednotlivých sbˇeraˇcu˚ pˇriveden pˇres pˇredzesilovaˇc ke 40 W žárovce. Použité žárovky mají provozní napˇetí


12 V, proto nesmí dojít k jejich zámˇenˇe za bˇežné žárovky. Na pˇredzesilovaˇci je oznaˇcena vstupní strana (in), ke které pˇripojíme generátor, a výstupní strana (out), ke které pˇripojíme lampu s žárovkou. Vidlici lampy lze pˇripojit k výstupu zesilovaˇce bez použití redukce. Zesilovaˇc pˇripojíme ke 12 V zdroji. Vzhledem k výkonu žárovky musí být použitý zdroj schopen trvale dodávat alesponˇ 4 A, v experimentu proto používáme spínaný zdroj 12 V, 5 A. Generátor je schopen dodávat relativnˇe velké proudy, pˇresto je jeho výstup zesilován externˇe. Z didaktického pohledu je proto pˇrinejmenším vhodné publiku na pˇrítomnost zesilovaˇce upozornit.


Obr. 13: Detail zapojení

Kytarový snímacˇ Na stejných principech, na základˇe kterých vyrábíme elektˇrinu pro prumysl, ˚ stojí i princip snímaˇce elektrické kytary. Následující trojice pokusu˚ vysvˇetluje, jak snímaˇc funguje, Pokud se bude magnetické pole v cívce mˇenit pravidelnˇe, napˇríklad bude-li magnet kmitat na pružinˇe, bude se na koncích cívky indukovat stˇrídavé napˇetí. Toto napˇetí mužeme ˚ pˇripojit k reproduktoru, kterým bude pravidelnˇe hýbat a my tak uslyšíme zvuk. Na tomto principu fungují elektrofonické nástroje a mikrofony. V prvním provedení zasadíme disk s pravidelnˇe se stˇrídajícími magnety do vrtaˇcky a budeme jím otáˇcet. Snímací cívku zapojíme do kytarového zesilo-


vaˇce a pˇriložíme k rotujícímu kotouˇci. Jak se pˇribližují a oddalují stˇrídající se póly vlepených magnetu, ˚ slyšíme z reproduktoru pˇribližnˇe sinusový zvuk. Ve druhém provedení zasadíme jediný magnet pˇrímo do cívky. Na druhém kotouˇci již nejsou magnety, ale ocelové šrouby. Zapojení snímací cívky zu˚ stává stejné. Když se nˇekterý ze šroubu˚ pˇriblíží k magnetu v cívce, zmagnetuje se a odtud dále je dˇej stejný jako v pˇredchozím pˇrípadˇe. Pouze jsme ušetˇrili magnety.

Obr. 14: Kotouˇc snímaný cívkou

Obr. 15: Umístˇení cívky u kotouˇce

Takto funguje i elektrická kytara. Struna z feromagnetického materiálu (standardnˇe ocelové jádro s niklovým opˇredením) kmitá nad snímaˇcem. Kytarový snímaˇc je jedna velká podlouhlá cívka ležící pod strunami. Jádro struny je tvoˇreno magnety, jejichž pólové nástavce leží pod strunami nástroje (obˇcas se používají i kolejnicové magnety). Struna se nad magnetickými pólovými nástavci zmagnetuje a zmagnetovaná struna pak svým kmitavým pohybem indukuje v cívce snímaˇce napˇetí, které je posláno do zesilovaˇce a reproduktoru. Náš primitivní snímaˇc pˇriložíme ke strunˇe primitivní kytary a mužeme ˚ hrát. Snímaˇc doporuˇcujeme nedávat blízko kobylky, ale spíše do místa, kde mají struny vˇetší rozkmit, ale kde snímaˇc nepˇrekáží pˇrípadnému hráˇci na nástroj. Na kytaru se hraje trsátkem pomocí snižce (nemá pražce), což je trubiˇcka z tvrdého materiálu, v nouzi funguje napˇríklad skleniˇcka. Pro úspˇešné provedení duraznˇ ˚ e doporuˇcujeme nacviˇcit hru na nástroj.


Obr. 16: Cívka s magnetem nad deskou se šrouby

Obr. 17: Elektrická kytara

Zajímavosti ˇ Elektrické jevy byly známé ve starém Recku. Tˇrením jantaru (ˇrecky elektron) bylo možné pˇritahovat na dálku malé pˇredmˇety. Magnety odvozují svuj ˚ název z téže doby od místa, kde se kámen s tˇemito vlastnostmi nacházel. První baterii sestrojil Alessandro Volta v roce 1800. Stalo se tak v rámci jeho sporu s Galvanim. Volta se snažil dokázat, že s Galvaniho žábami nehýbe „živoˇcišná elektˇrina“ ale elektˇrina vzniklá na kontaktu vodiˇcu˚ pˇripojených k žábˇe. Z Galvaniho experimentu odstranil živou tkánˇ a použil pouze slanou vodu a získal tak první baterii na svˇetˇe. Nápad na toto provedení pˇrišel ve chvíli, kdy se snažil ochutnávat ruzné ˚ kovy na stˇríbrné lžiˇcce – myslel si tehdy, že ochutnává elektˇrinu. Delší dobu také vˇerˇ il, že napˇetí vzniká na kontaktu zinek-mˇed’, nikoliv na kontaktu s elektrolytem. Robert Jemison Van de Graaff se narodil v roce 1901 v Alabamˇe. Studoval mimo jiné na MIT, Sorbonˇe a Oxfordu. Na Sorbonˇe navštˇevoval pˇrednášky Marie Curie. Svuj ˚ generátor sestrojil v roce 1928. V témže roce uskuteˇcnila spoleˇcnost General Electric (Edison) první televizní vysílání a byl promítán první zvukový film (Mickey Mouse). Hans Christian Ørsted neobjevil svuj ˚ pokus náhodou. Souvislosti elektˇriny a magnetismu se vˇenoval dlouhodobˇe a experimentálnˇe se tuto souvislost


snažil prokázat dlouhých osm let. Z historických pramenu˚ a závˇeru˚ jeho pozorování vyplývá, že vˇerˇ il, že magnetické pole vodiˇce je radiální (vyzaˇruje podobnˇe jako teplo do všech smˇeru). ˚ Proto pˇrikládal vodiˇc ke stˇrelce kolmo. Experiment se mu tedy nemohl daˇrit z principu. Náhoda tkví v umístˇení vodiˇce rovnobˇežnˇe. Odtud pak systematickým pozorováním vyvodil, že pole vodiˇce je rotaˇcnˇe symetrické. Michael Faraday pocházel z velmi chudých pomˇeru. ˚ Od mala tˇežce pracoval, nakonec se stal knihaˇrským uˇcnˇem. Souˇcástí jeho odmˇeny bylo to, že si smˇel po práci cˇ íst knihy, které vázal. V knihách ho zaujaly objevy Humphry Davyho. Sehnal lístky na jeho pˇrednášky a pravidelnˇe na nˇe docházel. Po pul ˚ roce poslal Davymu svázanou verzi svých poznámek, kniha mˇela více než 300 stran. Davy si na nˇej vzpomnˇel po nehodˇe, pˇri které si doˇcasnˇe poškodil zrak a zamˇestnal jej jako svou sekretáˇrku. Na Davyho cestách se k nˇemu Davyho rodina chovala jako ke sloužícímu, což jej dosti znechutilo a dokonce chtˇel tehdy Davyho opustit. Faraday byl prakticky samouk, na svých lekcích nepoužíval žádné vzorce, vše dokazoval pomocí experimentu. ˚ Sám byl velmi skromný cˇ lovˇek, odmítl rytíˇrský titul, nebot’ ve svém silnˇe náboženském pˇresvˇedˇcení nechtˇel hromadit hmotné statky. Z podobných duvod ˚ u˚ dvakrát odmítl pˇredsednictví Royal Institution. Jednoduchý snímaˇc elektrické kytary obsahuje jedinou cívku navinutou kolem šesti pólových nástavcu˚ magnetu. Magnet zmagnetuje struny (ocelové jádro z niklovým opˇredením), které pak svým pohybem nad snímaˇcem v cívce indukují napˇetí. První elektrickou kytaru vyrábˇela od roku 1931 americká firma Rickenbacker (tˇreba u Beatles). Gibson uvedl svou první elektrickou kytaru na trh v roce 1936, Fender zaˇcíná v roce 1946. Nejslavnˇejší modely – Telecaster (Keith Richards, Muddy Waters) a Stratocaster (Erik Clapton, David Gilmour, Jimmy Hendrix...) uvedl na trh v roce 1954. Fender také postavil první komerˇcnˇe úspˇešnou baskytaru.


Scénáˇr Osnova vystoupení 1. Vyrábˇení elektˇriny tˇrením 2. Van der Graaff 3. Ørsteduv ˚ pokus 4. Michael Faraday 5. Elektromagnetická indukce v cívce 6. Faradayuv ˚ motor 7. Faradayuv ˚ generátor 8. Cívka a magnetický kotouˇc 9. Kytarový snímaˇc

Pruvodní ˚ slovo Tento text není doslovným scénáˇrem. Má sloužit pouze jako návod pro možné provedení pˇredstavení. Doporuˇcujeme se jej volnˇe držet a používat vlastní slova a výrazové prostˇredky.

Úvod Toto pˇredstavení se jmenuje Pˇríbˇeh elektˇriny. Chceme vám ukázat jak si lidstvo ochoˇcilo elektˇrinu a nejen to. Pokusy které vám ukážeme jsme vytvoˇrili ˇ v Brnˇe. To jsou lidé, ve spolupráci s Ústavem pˇrístrojové techniky AV CR kteˇrí u nás postavili první laser, první elektronový mikroskop a dodnes dˇelají v centru Brna špiˇckovou vˇedu. A právˇe o vˇedcích, kteˇrí stojí a objevy elektˇriny vám tu chceme dnes povídat. Jak stará je elektˇrina? Je to sto let? Dvˇe stˇe let, tˇri sta? Psala Božena Nˇemcová Babiˇcku ve svˇetle žárovky? Jezdil bratr Žižka na zteˇc s cˇ elovkou na


ˇ ˇ hlavˇe? Elektˇrinu objevili už v antickém Recku. Jeden starý Rek našel na pláži zvláštní žlutý kamínek. Když ho chtˇel vyleštit o tógu, všiml si, že se tóga a kamínek pˇritahují. Ten kámen se jmenuje jantar a rˇ ecky se to rˇ ekne elektron. Odtud elektˇrina. A na celá staletí se na to zapomnˇelo.

ˇ elektˇriny tˇrením Vyrábení Tˇrením kamene o látku vzniká elektˇrina. Ze školy to známe s ebonitovou tyˇcí a lišˇcím ocasem. My nemáme ebonit a lišku, ale stejnˇe dobˇre nám poslouží balonek a nˇecˇ í vlasy. Všimnˇete si, že mezi námi vzniká napˇetí, nabitá osoba zaˇcne po chvíli dokonce kopat.

Van der Graaff Získávat elektˇrinu tˇrením vypadá trochu hloupˇe a neúˇcinnˇe. Ale tˇrením se dá elektˇriny vyrobit hodnˇe. Pokud nahromadíme dost náboje, generátor se vybije pomocí výboje. Pokud položíme na kupoli nˇeco vodivého, nabije se to stejným nábojem jako kupole. A protože stejnˇe nabitá tˇelesa se odpuzují, uvidíme vˇeci létat. Na pokus s vlásky mužeme ˚ použít i dobrovolníka. Staˇcí ho odizolovat od zemˇe a nabít. Problém je, jak ho potom vybít. Jde to udˇelat pomalu (dlaní) nebo rychle (prstem). Van de Graaffuv ˚ generátor vypadá v principu hodnˇe jednoduše, až primitivnˇe, pˇritom jde o pomˇernˇe mladou záležitost. Profesor Robert Van de Graaff ho vymyslel až v roce 1928. Tento generátor neumí dodávat elektˇrinu na svícení žárovkami a roztáˇcení motoru. ˚ Umí ale vyrobit obrovská napˇetí, ten náš dává napˇetí v rˇ ádu desetitisícu˚ voltu. ˚

Ørsteduv ˚ pokus Ve chvíli, kdy mˇeli vˇedci dostatek elektˇriny na povel, mohli ji koneˇcnˇe zaˇcít ˇ poˇrádnˇe zkoumat. Cást vˇedcu˚ zajímalo, k cˇ emu to muže ˚ být dobré, a cˇ ást chtˇela zjistit, co je to vlastnˇe zaˇc. Když vidíte pˇritahování vlasu˚ k balonku a odlétávání tácku, ˚ cˇ lovˇeku to snadno pˇripomene jiný podobný jev, a sice


magnetismus. A jeden vˇedec se rozhodl zjistit, co má elektˇrina spoleˇcného s magnetismem. Byl to Dán a jmenoval se (podobnˇe jako všichni Dánové) Hans Christian Ørsted. Ørsted si bˇehem jedné ze svých lekcí všiml, že pokud tyˇcí prochází proud, ˇ dojde k vychýlení stˇrelky kompasu. Casto se rˇ íká, že na to pˇrišel náhodou, ale není to pravda. Ørsted se snažil prokázat spojitost mezi elektˇrinou a magnetismem dlouhých osm let. Proˇc mu to trvalo tak dlouho? My to dnes najdeme v uˇcebnici fyziky pro devátý roˇcník na stranˇe 63 i s obrázkem. To on tehdy udˇelat nemohl. On totiž hledal nˇeco nového. Byl na cˇ ele tehdejší vˇedy. On nevˇedˇel jak to má vypadat. Myslel si, že magnetické pole z vodiˇce vychází do všech stran a tak tu stˇrelku pˇrikládal k vodiˇci kolmo. A to neudˇelá vubec ˚ nic. Ta náhoda spoˇcívá v tom, že náhodou to pˇri té lekci položil k sobˇe rovnobˇežnˇe. A uˇcinil objev. Tady je hezky vidˇet, co vše stojí proti vˇedcum ˚ – pokud bádají nad nˇecˇ ím novým, nemohou vˇedˇet, co dˇelají špatnˇe. Pak už ale vˇedˇel, co dál. Stejným zpusobem ˚ to pole zkoumal z ruzných ˚ stran a došel k tomu, že nemá tvar paprsku˚ (podobnˇe jako vyzaˇruje teplo), ale že má tvar kružnic.

Faraday A tady pˇrichází na scénu vˇedy Faraday. Faraday je velmi zajímavá a sympatická osoba. Pocházel z velmi chudé rodiny a od mala se musel starat o obživu sám. Nakonec našel práci snu˚ – stal se uˇcnˇem v knihaˇrské dílnˇe, prostˇe vázal knihy. Jako odmˇenu mohl u mistra bydlet, dostal najíst a hlavnˇe mˇel dovoleno si ty knihy, které vázal, po službˇe cˇ íst. To pro nˇej bylo skvˇelé. Všechny ty knihy byly tehdy velmi drahé a on je mˇel pˇred sebou všechny. Když si pˇreˇcetl o fascinujících pokusech tehdejší vˇedecké celebrity, sira Humphry Davyho, zaˇcal shánˇet lístky na jeho pˇrednášky. Ano, tehdy se shánˇely lístky, abyste mohli jít do školy na fyziku. Faraday chodil nˇejakou dobu na Davyho pˇrednášky a poté mu zaslal svoje poznámky z jeho lekcí. Byly vyvázané a mˇely pˇres tˇri sta stran. Davyho to ohromilo, a když si poškodil zrak pˇri jednom ze svých pokusu, ˚ na Faradaye si vzpomnˇel a zamˇestnal ho nejprve jako svou sekretáˇrku. Pozdˇeji si všiml


že je Faraday velmi šikovný a tak ho nechal vymýšlet nové pokusy. A tak odstartovala Faradayova vˇedecká kariéra.

Faradayuv ˚ motor Když si Faraday pˇreˇcetl o Ørstedových pokusech, rˇ ekl si, že to musí jít i obrácenˇe. Když muže ˚ drát protékaný proudem pohnout magnetem,musí i magnet nˇejak pohnout drátem protékaným proudem. A sestrojil toto pozoruhodné zaˇrízení. To jeho bylo ještˇe pozoruhodnˇejší protože v té nádobˇe, ve které my máme slanou vodu, mˇel Faraday rtut’. Proud teˇce tímto hákem do tohoto zavˇešeného drátu a odtud slanou vodou do elektrody která vede podél stˇeny nádoby. Drát protékaný proudem se chová jako magnet, jak ukázal Ørsted a silný magnet uprostˇred nádoby jej tak neustále postrkuje dokola. Faraday tak vyrobil první elektromotor na svˇetˇe.

Elektromagnetická indukce v cívce Faraday si rˇ ekl, že to musí jít ještˇe obrácenˇe. Když muže ˚ elektˇrina a magnet zpusobit ˚ pohyb, že musí i magnet a pohyb nˇejak vyvolat elektrický proud. A zaˇcal hledat cestu jak. Po dlouhých deseti letech našel zpusob. ˚ Když hýbal magnetem poblíž stoˇceného drátu, mohl na jeho koncích mˇerˇ it napˇetí. Vypadá to opˇet hroznˇe primitivnˇe, ale pˇresnˇe tímto zpusobem ˚ dnes vyrábíme témˇerˇ všechnu elektˇrinu. V každé elektrárnˇe (s výjimkou tˇech solárních) je na konci turbína, která roztáˇcí kolo s magnety obložené cívkami. Jediné, cˇ ím se liší elektˇrina z Temelína od elektˇriny z vˇetrné elektrárny, je zpusob ˚ jakým byl ten magnet roztoˇcen. Jaderný reaktor vlastnˇe pouze velmi dobˇre ohˇrívá vodu.

Faradayuv ˚ generátor Faraday zjistil že pokud pohybuje magnetem u vodiˇce, vznikne napˇetí. A okamžitˇe ho napadlo, že to musí jít zase obrácenˇe. Totiž že je jedno co se


hýbe a co stojí. I když bude pohybovat vodiˇcem u magnetu, musí taky vzniknout napˇetí. A vymyslel tento pˇrístroj. Tohle velké mosazné kolo se volnˇe otáˇcí a z boku je k nˇemu pˇriložený silný magnet. V ose disku a na jeho obvodu jsou pˇriložené kontakty a napˇetí na nich mˇerˇ í voltmetr. Jakmile se disk roztoˇcí, voltmetr zaznamená napˇetí. To závisí na rychlosti, s jakou toˇcíme, a na smˇeru otáˇcení. Faraday díky tomuto zaˇrízení mohl popsat, co se uvnitˇr vlastnˇe dˇeje. Jak se disk otáˇcí, v prostoru mezi magnety prolétávají atomy – tedy jádra a elektrony – kterými je disk tvoˇren. Na pohybující se náboje (elektrony) magnet pusobí ˚ silou a vytáhne je od stˇredu k okraji (nebo obrácenˇe, podle toho na kterou stranu se disk otáˇcí). Takže v ose disku elektrony chybí a na okraji pˇrebývají. Máme tu tedy kladný a záporný pól zdroje. Na to, jak jednoduchým zpusobem ˚ se zde napˇetí tvoˇrí, je tento zdroj schopný dodávat pomˇernˇe velké proudy. Dokonce je schopný v Ørstedovˇe pokusu pohnout s naším kompasem. Cívka a magnetický kotoucˇ Velkou cˇ ást své vˇedecké práce vˇenoval Faraday právˇe elektˇrinˇe a magnetismu. Kromˇe toho, že díky nˇemu víme, jak elektˇrinu vyrábˇet prumyslovˇ ˚ e, mají pro nás jeho objevy ještˇe jeden pˇrekvapivý dusledek. ˚ Pokud se pohybuje magnet u cívky, na cívce se objeví napˇetí a to muže ˚ nˇeco dˇelat. A my ho mužeme ˚ pˇripojit k reproduktoru a toto napˇetí poslouchat. Pokud se bude magnet u cívky pohybovat dost rychle, uslyšíme tón. Pokud umístíme magnet do cívky, zlepší se její citlivost (bude silnˇejší), ale hlavˇe na tom disku už nemusí být magnety – staˇcí nám nˇeco, co jde zmagnetovat. Pokud zvolíme šikovnˇe poˇcet šroubu˚ na obvodu, dá se to i ladit a mužeme ˚ na to hrát. Kytarový snímacˇ Pˇresnˇe tak funguje vˇec, kterou znáte – elektrická kytara. Ocelová struna kmitá nad magnetem opˇredeným cívkou. Magnet zmagnetuje strunu a ta


svým pohybem vyvolá napˇetí v cívce, které potom posloucháme z reproduktoru. Takže Faraday nejenže byl hvˇezdou vˇedy, Faraday dokonce položil základy rockové hudby, nebot’ bez jeho objevu˚ by Jimmi Hendrix nikdy elektrickou kytaru nemˇel. Tím se s vámi louˇcíme. A až vás pˇríštˇe ohromí rockové kytarové sólo, mužete ˚ si vzpomenout na Michaela Faradaye, otce hard rocku.

Experimenty z elektromagnetismu

Recommend Documents