Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Jak donutit bramboru aby svítila ZDEĕKA KIELBUSOVÁ Katedra obecné fyziky, ZýU v Plzni Úvod V þlánku je popsáno nČkolik experimentĤ s uhlíkovou elektrodou. K experimentování s uhlíkovými elektrodami mne pĜivedl þlánek, který pojednával o historii žárovek. Tepelné úþinky elektrického proudu, rozžhavení i pĜepálení drátu, byly známy již na zaþátku devatenáctého století. H. Goebel o 23 let dĜíve než A. Edison experimentoval se zuhelnatČlým bambusovým vláknem, které zatavil do sklenČné baĖky. Životnost jeho „žárovky“ byla až 220 hodin a osvČtloval jimi výkladní skĜíĖ svého obchodu v New Yorku[4].
Experiment þ. 1 PomĤcky: ampérmetr s rozsahem 20 A, autotransformátor KĜižík 250 V 10 A, školní transformátor typ JK – 0,5, stojan na uchycení držáku grafitové tuhy, držák grafitové tuhy, grafitová tuha 0,9 mm, vodiþe PĜíprava: Držák na grafitovou tuhu vyrobíme z elektrikáĜské porcelánové svorkovnice (elektrikáĜská þokoláda), dvou úchytĤ na záclony (typ žabka) a dvou stejných ocelových drátĤ (délka 12 cm). K úchytĤm na záclony pĜipevníme ocelový drát. Ocelové dráty uchytíme do krajních otvorĤ svorkovnice a z druhé strany pĜipevníme vodiþe (viz obr. 2). Provedení:
Obr. 1: Zapojení autotransformátoru
Autotransformátor je napájen 230 V a je jím regulováno vstupní napČtí pro školní transformátor (obr. 1), u kterého využíváme rozsah napČ- Obr. 2. PrĤbČh experimentu
93
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 tí 14 V. Ampérmetr, školní zdroj a držák na grafitovou tuhu zapojíme do série. Vyjmeme grafitovou tuhu z obalu a opatrnČ ji umístíme do záclonových úchytĤ (viz obr. 3). Zapneme školní transformátor a pozvolným otáþením jezdce na autotransformátoru zvyšujeme napČtí. Pozorujeme postupné rozžhavení grafitové tuhy. Po urþité dobČ dojde k pĜepálení grafitové Obr. 3. Detail uchycení grafitové tuhy tuhy (viz obr. 2). VysvČtlení: PĜi prĤchodu elektrického proudu dochází k zahĜátí grafitové tuhy. Se zvyšující se teplotou tuhy se maximum elektromagnetického záĜení posouvá do viditelné oblasti spektra a tuha zaþne záĜit. Grafit má záporný souþinitel odporu, což znamená, že þím je jeho teplota vČtší, tím je hodnota odporu menší. Proto se pĜi náhlé zmČnČ napČtí grafitová tuha v místČ, kde je nejtenþí, pĜepálí. Grafit má vrstevnatou strukturu a malou pevnost, ale má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost, což je dáno þtyĜmi valenþními elektrony, které se mohou snadno pohybovat v rovinách vrstev a chovají se témČĜ jako volné elektrony v kovech. Tipy: Ideální hodnoty pro tento experiment jsou U = 14 V a I = 9 A. Odpor 9 mm grafitové tuhy je kolem 1 . Pozor, napČtí zvyšujte pozvolna, prudká zmČna vede k prasknutí grafitové tuhy.
Experiment þ. 2 PomĤcky: ampérmetr s rozsahem 20 A, autotransformátor KĜižík 250 V 10 A, školní transformátor typ JK – 0,5, stojan na uchycení držáku grafitové tuhy, držák grafitové tuhy, grafitová tuha 0,9 mm, vodiþe, brambor, nĤž, vČtší kanceláĜská sponka Provedení: Zapojení je stejné jako u experimentu þ. 1. Za pomoci nože z bramObr. 4: Detail experimentu þ.3 bory vyĜízneme vČtší hranolek. VČtší kanceláĜskou sponku narovnáme a použijeme ji k propíchnutí vytvoĜeného hranolku (viz.
94
Obr.5. PrĤbČh experimentu þ.3
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 obr. 3a). Otvorem prostrþíme grafitovou tuhu, kterou poté opatrnČ umístíme do záclonových svorek. Zapneme školní zdroj a pozvolným otáþením jezdcem na autotransformátoru zvyšujeme napČtí. Pozorujeme postupné rozžhavení grafitové tuhy a brambory. Po urþité dobČ dojde k pĜepálení grafitové tuhy a tím k pĜerušení obvodu, tuha pĜestane záĜit. VysvČtlení: VysvČtlení je shodné jako u experimentu þ.1. Brambora sama nesvítí, ale je prosvícena grafitovou elektrodou. Tipy: Ideální hodnoty pro tento experiment jsou U = 14 V a I = 12,5 A. Pokud nemáte k dispozici brambor, mĤžete použít jablko, bílou Ĝedkev þi nČjakou koĜenovou zeleninu.
Experiment þ. 3 V pĜedchozím experimentu jsme zjistili, že grafitová tuha dokáže „rozsvítit“ brambor. Co se však stane, pokud jej ponoĜíme do vody? PomĤcky: ampérmetr s rozsahem 20 A, autotransformátor KĜižík 250 V 10 A, školní transformátor typ JK – 0,5, stojan na uchycení držáku grafitové tuhy, držák grafitové tuhy, grafitová tuha 0,9 mm, vodiþe, menší brambor, nĤž, vČtší kanceláĜská sponka, malé akvárium, voda.
Obr. 6. PrĤbČh experimentu þ.3
Provedení: Zapojení je stejné jako u experimentu þ. 1. Za pomoci nože rozpĤlíme bramboru a vČtší kanceláĜskou sponkou podélnČ propíchneme jednu polovinu brambory (viz. obr. 6). VytvoĜeným otvorem v bramboĜe prostrþíme grafitovou tuhu, kterou opatrnČ dáme do záclonových úchytĤ. Malé akvárium naplníme do tĜí þtvrtin vodou. Držák s grafitovou tuhou a polovinou brambory ponoĜíme do vody v malém akváriu. Zapneme školní transformátor a pozvolným otáþením jezdce na autotransformátoru zvy-
95
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 šujeme napČtí. Pozorujeme postupné rozsvícení brambory a vývoj plynu. Po urþité dobČ dojde k pĜepálení grafitové tuhy a tím k pĜerušení obvodu, tuha pĜestane záĜit. VysvČtlení: VysvČtlení je stejné jako pro experiment 1 a 2. Tipy: Ideální hodnoty pro tento experiment jsou U = 14 V a I = 12,5 A. OpČt dáváme pozor a zvyšujeme napČtí na zdroji pozvolna. Nemusíme se bát ponoĜit grafitovou tuhu pod vodu, hodnoty napČtí jsou bezpeþné a vodivost vody relativnČ malá. Pro pĜíklad uvádím nČkolik hodnot. Kožní odpor mezi pravou a levou rukou pĜi napČtí U = 50 V a v suchém prostĜedí je asi R = 10 kȍ. Tato hodnota je silnČ závislá na vlhkosti okolního prostĜedí, vlhkosti kĤže a hodnotČ pĜiloženého napČtí. Již pĜi napČtí U = 220 V klesá hodnota kožního odporu na R = 5 kȍ. Pokud se jedinec nachází v prostĜedí s vlhkým vzduchem, hodnota kožního odporu pĜi stejném napČtí klesá asi na R = 1 kȍ. Nachází-li se jedinec ve vodČ, kožní odpor pĜi napČtí U = 220 V je již pouze R = 500 ȍ [1].
Experiment þ. 4 V pĜedchozím experimentu jsme zjistili, že pĜi prĤchodu elektrického proudu grafitovou tuhou dochází nejen k jejímu ohĜevu a vyzaĜování ve viditelném spektru, ale i k vývoji plynu. V tomto experimentu budeme tento plyn jímat a zkoumat. PomĤcky: ampérmetr s rozsahem 20 A, autotransformátor KĜižík 250 V 10 A, školní transformátor typ JK – 0,5, držák grafitové tuhy (2 velké kanceláĜské sponky, 5 dílkĤ plastové elektrické svorkovnice, 2 krokosvorky), grafitová tuha 0,9 mm, vodiþe, brambor, nĤž, vČtší kanceláĜská sponka, 5 l sklenice, 1,5 l plastová láhev, 30 cm dlouhá plastová hadiþka vhodného prĤmČru (lze nasadit na ústí injekþní stĜíkaþky), víþko plastové láhve, injekþní stĜíkaþka 50 ml, svíþka, sirky PĜíprava: Do víþka plastové láhve vytvoĜíme díru a zapustíme do ní vzduchotČsnČ plastovou hadiþku tak, aby hadiþka smČĜovala ven z víþka. Plastovou láhev pĜeĜízneme v polovinČ délky. Držák na grafitovou tuhu vytvoĜíme ze dvou velkých kanceláĜských sponek, které z þásti naObr. 7. UspoĜádání experimentu þ.4 rovnáme a narovnané þásti protáhneme krajními otvory v plastové elektrické svorkovnici tak, aby byl pĜesah kanceláĜských svorek ze svorkovnice pĜibližnČ 4 cm. PĜesahující kousky kanceláĜských svorek ohneme o 160 ° (viz. obr. 8). Vodiþe pĜipevníme pomocí krokosvorek na ohnuté konce kanceláĜských sponek.
96
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Provedení: OpČt z brambory vyĜízneme vČtší hranolek a kanceláĜskou sponkou jej propíchneme. VytvoĜeným otvorem v hranolku prostrþíme grafitovou tuhu, kterou poté opatrnČ umístíme do ohybu kanceláĜských sponek. 5 litrovou láhev naplníme vodou a ponoĜíme do ní vytvoĜený držák s grafitovou tuhou. Držák pĜiklopíme uĜíznutou plastovou lahví, ponoĜenou do vody. Na její ústí našroubujeme plastové víþko se zapuštČnou plastovou hadiþkou. Dbáme na to, aby v seĜíznuté plastové láhvi nebyl žádný vzduch. Na konec plastové hadiþky nasadíme injekþní stĜíkaþku s pístem u ústí injekþní stĜíkaþky. Zapneme školní zdroj a pozvolným otáþením jezdcem na autotransformátoru zvyšujeme napČtí, které je pĜivádČno na školní zdroj. Pozorujeme postupné rozžhavení grafitové tuhy, „rozsvícení“ brambory a únik plynu, který je jímán do plastové láhve. zapálíme svíþku. Pokud máme v plastové láhvi najímáno dostaObr. 8. Detail 5 l láhve teþné množství plynu odsajeme jej napojenou injekþní stĜíkaþkou. Ústí injekþní stĜíkaþky ihned ucpeme prstem a pomalu pĜiblížíme v k plamenu svíþky. Vyvinutý plyn je hoĜlavý. VysvČtlení: Ke vzniku plynu dochází reakcí vody a uhlíku a vzniká vodík. C + H 2 O + teplo → CO + H 2 , která bude dále probíhat CO + H O → CO + H 2 2 2
Tipy: Ideální hodnoty pro tento experiment jsou U = 14 V a I = 12,5 A. Pokud nemáte k dispozici brambor, mĤžete použít jablko, bílou Ĝedkev þi nČjakou koĜenovou zeleninu.
Literatura: [1] Tomáš M.: Dielektrika [online]. 2009 [cit. 2010-12-09]. Elektrické vlastnosti lidských tkání. Dostupné z WWW:
. [2] Halliday D., et al.: Fyzika: vysokoškolská uþebnice obecné fyziky : ElektĜina a magnetismus . Brno : Vutium, 2000. ISBN 80-214-1868-0. (3.díl) [3] Schitellkopf [online]. 2007 [cit. 2010-12-09]. Glühende Wolframelektrode. Dostupné z WWW: . [4] Radiosvet [online]. 2007 [cit. 2010-12-09]. žárovky 1924 - ?. Dostupné z WWW: .
97
