Oblouková lampa Sdružení mladých fyziků a matematiků Pod vedením Martina Hájka vypracovali
Karel Chládek a Václav Luňák
Nekoř 2013
Obsah Oblouková lampa ....................................................................................................................... 1 Obsah .......................................................................................................................................... 2 Úvod ....................................................................................................................................... 4 Historie obloukové lampy ...................................................................................................... 4 Princip obloukové lampy ........................................................................................................ 4 Naše spracování ..................................................................................................................... 5 Samotná konstrukce ............................................................................................................... 5 Model 1 .............................................................................................................................. 5 model 2 ............................................................................................................................... 6 model 3 ............................................................................................................................... 7 Závěr ....................................................................................................................................... 7 Citace ...................................................................................................................................... 7
© 7/2013
2/7
Nekoř 2013 Práce vznikala jako projekt na Soustředění mladých matematiků a fyziků pořádaném MFF University Karlovy. Chtěli bychom tímto poděkovat našemu vedoucímu Martinovi Hájkovi.
© 7/2013
3/7
Nekoř 2013
Úvod V našem projektu jsme se pokusili seznámit se s obloukovou lampou trochu blíže a sestrojit si vlastní funkční model. Tento projekt jsme si vybrali, protože nás baví fyzika a obzvláště jevy elektromagnetismu. Doufáme, že se naučíme nové poznatky z těchto oborů. Cílem projektu bylo seznámit se se základní funkcí obloukové lampy, sestrojit si vlastní funkční model a pokusit se ho automatizovat tak aby si sám doplňoval upálené elektrody.
Historie obloukové lampy Oblouková lampa má spletitou historii především v období 2. poloviny 19. století. Jako první prováděl pokusy s obloukem Humphry Davy, který zažehnul miniaturní oblouk mezi elektrodami z dřevěného uhlí. Tohoto jevu v roce 1844 využil L. Foucault a sestrojil tak první lampu. Ten ale na výrobu elektrod použil petrolejový koks, ten se poté mísil se sirobem a po lisování a vypálení vznikla černá tyčinka. Taková směs měla kladný vliv na klidný průběh oblouku. Zpočátku se zarovnání muselo složitě vyměřovat a rovnat ručně. Díky oblibě obloukových lamp se musel tento problém vyřešit. Poprvé fungovaly automatické přístroje na principu hodinového strojku. Další možností bylo elektromagnetické zapojení, kde se při oddálení elektrod přerušil signál mezi „čidly“ a potom se zase přiblížily. Je jasné, že takto kmitavý pohyb nebyl moc přesný (setrvačnost uhlíků, tření,…) Ve druhé polovině 19. stol. P. N. Jabločkov postavil jednu elektrodu svisle a druhou vodorovně a na konstrukci použil kaolin, který při pohybu elektrod odhoříval. Této konstrukci se říká Jabločkovova svíčka. Vydržela svítit 45 minut. Jabločkovova obdivoval česky vědec František Křižík. Debrunova konstrukce opravila nemožnost znovu zapálit oblouk tím, že přidal spodní posuvný můstek. Avšak Křižík si nechal patentovat v roce 1878 jiné vylepšení. Namontoval elektrody šikmo k sobě a vyřešil nerovnoměrné uhořívání uhlíku. K regulaci bylo použito diferenciálního principu. V témže roce německá firma Siemens‐Halse vyráběla velmi podobnou obloukovou lampu od konstruktéra Alteneca. Schuckert v roce 1880 vzal dva páry elektromagnetů a mezi ně umístil plochý prsten na šroubovém vřetenu, které neslo horní uhlík. Křižík dostal za obloukovou lampu v roce 1882 zlatou medaili a téhož roku osvětlil Hybernskou ulici v Praze. Poté se Křižíkovy závody proslavili po téměř celám tehdy známém světě.
Princip obloukové lampy Oblouková lampa funguje na principu zapálení elektrického oblouku mezi dvěma elektrodami. Po uzavření obvodu je v místě dotyku elektrod největší odpor, čili výrazně roste teplota, a to až k 5000 K. Tím roste kinetická energie molekul ve vzduchu. Takto urychlené molekuly do sebe naráží a tak ionizují okolní vzduch a ten se tak stává vodivým. V těchto teplotách se vzduch mění z plynného skupenství na ionizovanou plazmu. Tato plazma vytváří „ohnivý“ oblouk, který vydává jasné světlo. Světlo z obloukové lampy obsahuje škodlivé UV záření, proto se pro sledování oblouku používají svářecí skla nebo jiné ochranné materiály. Jako elektrody se používají dvě grafitové tyče (v našem případě tuhy), které se používají zejména pro svůj dostatečně velký měrný elektrický odpor a zároveň dobrou elektrickou © 7/2013
4/7
Nekoř 2013 vodivost. Není divu, že při těchto teplotách elektrody na vzduchu shoří, z tohoto důvodu je lepší automatické doplňování elektrod. Při zapojení do střídavého proudu se elektrody opalují rovnoměrně, ale při stejnosměrném zapojení se anoda opaluje rychleji. K tomuto jevu dochází díky přechodu elektronů z anody na katodu. Anoda tak ztrácí hmotu a podléhá rychlé oxidaci. Avšak při vyřešení problému posouvání elektrod dosáhneme u stejnosměrného zapojení menší hlasitosti a zároveň vyšší svítivosti.
Naše zpracování Rozhodli jsme se pro základní schéma (viz obrázek 1).
Obrázek 1
Použili jsme pro zdroj 120V transformátor, protože ke správnému průběhu oblouku je potřeba dostatečné napětí, a 120V s pojistkou je bezpečnější než napájení přímo ze sítě. Jako předřadný odpor jsme zapojili paralelně dvě 600W topná tělesa. Díky rezistorům jsme se dostali na napětí v oblouku okolo 65V. Toto zapojení nemohlo vydržet dlouho, protože když se po odhoření oddálily elektrody, zhasl oblouk. Kvůli tomu jsme přešli na paralelní zapojení elektrod. Tak jsme docílili delšího a stabilnějšího oblouku. Elektrody uhořívali stejně dlouho a jen se oblouk přibližoval ke konstrukci u konce elektrod, avšak také zhasl, protože nás limitovala technická stránka věci. Buď zkratujeme proud držáky, nebo oddálíme elektrody. Další nevýhodou byla nemožnost zapojení do stejnosměrného proudu. A tak jsme se dostali k finálnímu modelu s přibližováním elektrod zapojených sériově. Zde je možno prodloužit dobu trvání oblouku skoro až na maximum.
Samotná konstrukce Model 1 Na dřevěnou desku jsme proti sobě přišroubovali dvě destičky z Merkuru a na ně jsme připevnili měděný drát (pro chlazení je lepší tlustý) se svorkovnicí, kam jsme přichytili i elektrody. Předřadný odpor jsme jen položili na desku a přiletovali do obvodu. © 7/2013
5/7
Nekoř 2013 S touto konstrukcí jsme oblouk zapálili, ale vydržel nám pouhých 30 sekund.
Model 2 Zkusili jsme tedy druhý model. Změnou bylo, že jsme umístili stojany hned vedle sebe a zapálili oblouk paralelně. Oblouk nám vydržel až 7 minut, což už se dá považovat za úspěch
Na obrázku jde vidět, že se nám rozzářili i elektrody. Tuto teplotu nám nevydrželi úchyty a roztavili se tak jsme museli domyslet něco lepšího.
© 7/2013
6/7
Nekoř 2013
Model 3 Model 3 jsme postavili znovu sériově, ale s několika vylepšeními: 1) Z měděných pásků jsme si vytvořili držáčky na tuhy, 2) Postavili jsme si rampu na posun elektrod, 3) Na rampu jsme umístili posuvný držák napojený na elektromotůrek.
Závěr Nejen, že jsme se naučili něco nového z fyziky, ale také jsme sestrojili plně funkční model obloukové lampy s automatickým doplňováním elektrod. Také jsme dokázali ionizaci vzduchu mezi elektrodami přiložením magnetu a tím odklonění oblouku z původního směru. Změřili jsme napětí v místě oblouku na hodnotu okolo 70V a teplotu oblouku odhadujeme přes 2000 K.
Citace Oblouková lampa. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Obloukov%C3%A1_lampa Křižík. In: [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.converter.cz/fyzici/krizik.html
Licence Creative commons – Uveďte autora, zachovejte licenci
© 7/2013
7/7
