Oborový workshop pro SŠ FYZIKA

PRAKTICKÁ VÝUKA PŘÍRODOVĚDNÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ A SŠ CZ.1.07/1.1.30/02.0024 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociální fondem a státním rozpočtem České republiky.

Oborový workshop pro SŠ FYZIKA

Téma: ZAJÍMAVÉ ELEKTROMAGNETICKÉ JEVY V POKUSECH

ZAJÍMAVÉ ELEKTROMAGNETICKÉ JEVY V POKUSECH

TÉMA: ZAJÍMAVÉ ELEKTROMAGNETICKÉ JEVY V POKUSECH AUTOŘI: PhDr. PAVEL MASOPUST, Ph.D., Mgr. LUKÁŠ FEŘT CÍL: vysvětlit studentům vybrané elektromagnetické jevy, které nás obklopují a demonstrovat je pokusy

Úvod Přemýšleli jste někdy o tom, jaká fyzika se skrývá za přeskokem viditelné jiskry, když si v zimě svlékáte svetr a ten se tře o vaše vlasy? Všimli jste si, že vlasy jsou pak „rozčepýřené“ a odstávají od hlavy? Dokázali byste vysvětlit, proč je tomu tak? Fyzika a pokusy předvedené na workshopu vám na tyto a další otázky odpoví. Co je vlastně elektrický proud, odkud kam teče a jak nám může ohřát vodu na čaj? Co je skryto uvnitř nabíječky k notebooku nebo k mobilu? Jak vypadá výboj 250 000 voltů? Najde se odvážlivec, co by si nechal výboj přejít do těla? Víte, co to je supravodivost? I na tyto otázky budeme společně hledat odpověď. Na otázky není možné odpovídat bez znalosti zákonů a zákonitostí fyziky. Jejich výklad má přinést tento text. Začíná obvykle popisem elektrického náboje a jeho vlastností, pohybujícím se elektrickým nábojem a výkladem jevů v magnetickém poli. Vyloženy jsou jen základní vlastnosti a jevy, zájemci o zevrubný výklad najdou vše potřebné ve specializované literatuře, viz seznam použité literatury.

2


Elektrický náboj Elektrický náboj ovlivňuje své okolí a vytváří elektrické pole. Jednotlivé náboje spolu mohou prostřednictvím svých polí interagovat (působit na sebe silou). Silové působení bylo pozorováno již ve starém Řecku, kdy bylo pozorováno silové působení mezi jantarem (zkamenělou pryskyřicí), která byla třena vlnou a mezi okolními malými tělísky. Jantar byl řecky nazýván = elektron. Odtud označení elektřina. Bylo pozorováno jak přitažlivé, tak odpudivé působení a v souvislosti s tímto poznáním byl rozlišován kladný a záporný elektrický náboj. Dva stejné náboje (dva kladné nebo dva záporné) se navzájem odpuzují, naopak dva opačné náboje (kladný se záporným nebo záporný s kladným) na sebe budou působit přitažlivou silou. Velikost této síly nám umožní spočíst Coulombův zákon: =

⋅ ⋅

⋅

⋅

.

a označuje velikost jednotlivých nábojů v coulombech, jejich vzdálenost v metrech. Písmenko ϵ značí takzvanou permitivitu vakua a hodnota této veličiny je ϵ = 8,854 ⋅ 10 F ⋅ m . Náboj jednoho Coulombu je náboj obrovský: pokud bychom umístili dva bodové náboje o velikosti 1 C do vakua do vzdálenosti 1 m od sebe, odpuzovaly by se silou =

⋅$,

⋅%,%& ⋅

'

⋅

⋅

= 8,988 ⋅ 10) *,

což je obrovská síla, která odpovídá síle, jakou bychom museli vyvinout pro zdvihnutí tělesa o hmotnosti cca 916 000 tun. S takto velkými náboji se ovšem nesetkáváme a například při tření jantaru vlnou získáme náboje v řádu miliardtin coulombu. Jaké jsou způsoby experimentálního získáni elektrického náboje? Elektrování těles: › tření pravítka o vlněnou látku, › tření balónku o umyté vlasy, › tření skleněné tyče a kůže, › tření novodurové (ebonitové) tyče a kožešiny, › tření polystyrénu a látky, › tření svetru a vlasů, › indukční elektřina › van de Graaffův generátor, › … Kde se ovšem elektrický náboj bere? Podívejme se na modelovou představu toho, jak vypadá atom:

3


Obr. 1 Atom Zdroj: http://www.livescience.com/37206-atom-definition.html

Všechny látky jsou tvořeny atomy a atomy se skládají z atomového jádra a atomového obalu. Uvnitř jádra jsou protony a neutrony, v atomovém obalu elektrony. Tabulka 1 Elektrický náboj elementárních částic Částice Proton Elektron Neutron

Náboj = 1,602 ⋅ 10 = −1,602 ⋅ 10 = 0 C

)

C C

)

Pokud je v atomu stejný počet elektronů a protonů, chová se atom navenek jako elektricky neutrální. Elektrický vliv kladného náboje je přesně kompenzován nábojem záporným. Při tření může dojít k přenosu (otření) elektronů z třeného předmětu (skla) na třecí látku (kůži). Pak se kůže nabije záporně (protože má přebytek elektronů než protonů) a sklo kladně (má nedostatek elektronů). Atomy, u nichž převládá kladný náboj, nazýváme kladnými ionty (kationty), ty s převahou záporného náboje pak zápornými ionty (anionty).

4


Je nutné si uvědomit, že celkový elektrický náboj zůstává v součtu zachovaný. Žádný „nový“ náboj se neobjevuje. Pouze se přenáší z jednoho místa na jiné. To je obsahem zákona zachování elektrického náboje. Nejsilněji jsou u jádra poutány elektrony, které jsou mu nejblíže. Čím je elektron vzdálenější, tím snáze se může ze silového vlivu jádra odpoutat. Takový elektron se může stát elektronem volným – ty se mohou pohybovat po tělese a jsou příčinou elektrické i tepelné vodivosti a mohou se i přesouvat na jiná tělesa. Nabitá tělesa můžeme studovat pomocí přístroje zvaného elektroskop:

Obr. 2 Elektroskop Zdroj: http://www.artec-educational.com/needle-electroscope/

Pokud na horní kulovitou elektrodu elektroskopu přeneseme elektrický náboj (například dotykem třením nabité tyče) dojde k odpuzování elektrod A a B (jsou nabité nábojem stejného znaménka) a elektroskop indikuje výchylku. Čím je výchylka vyšší, tím větší byl náboj přenesený na elektroskop.

5

ZAJÍMAVÉ ELEKTROMAGNETIC ETICKÉ JEVY V POKUSECH

Elektrické pole Elektrické pole je specifická forma hmoty, objevuje se například v okolí nabitých těles a prostřednictvím svých elektrických polí mohou nabitá tělesa interagovat. in Další vlastnosti: Existuje xistuje v okolí každého tělesa s elektrickým nábojem, nábojem projevuje se působením na zelektrovaná tělesa (odpudivou nebo přitažlivou silou), silou) elektrické pole charakterizuje veličina intenzita elektrického pole E, E intenzita elektrického ého pole E v daném místě pole je určena podílem elektrické síly Fe, 2 kteráá působí na kladný bodový náboj a velikosti tohoto náboje Q,, tedy: 1 = 3 , intenzita je vektorová veličina – má směr souhlasný se směrem elektrické síly Fe, Fe jednotka N ⋅ C (newton newton na coulomb) nebo také V ⋅ m (volt volt na metr), m velikost elikost intenzity elektrického pole se zmenšuje s druhou mocninou vzdálenosti od bodového vého náboje, který pole vytváří, elektrické pole vizualizujeme elektrickými siločárami. Jsou to myšlené křivky, jejichž tečna v každém bodě je právě vektor intenzity elektrického pole.

Obr. 3 Elektrické siločáry dvou nábojů Zdroj: http://www.samouk.cz/moodle/mod/presenter/view.php?open=1&id=490&chapterid=6337

Jako homogenní označujeme elektrické pole, pole jehož hodnota (velikost vektoru elektrické intenzity) se v jeho objemu nemění. nemění

Obr. 4 (Homogenní elektrické pole) Zdroj: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pole_homogenni_silocary.svg wiki/File:Pole_homogenni_silocary.svg

6


Elektrické pole bodového náboje homogenní není, jeho intenzita klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Přibližně homogenní je například pole dvou velkých rovnoměrně nabitých desek, jako na obrázku.

Elektrický potenciál Jestliže se působením elektrické síly náboj přemisťuje, koná se práce – mění se potenciální energie Ep náboje. Pokud přemisťování náboje způsobila vnější síla a působila proti směru síly, kterou by na náboj působilo pole, potenciální energie náboje se zvýší (méně odborně: pokud externí síla tlačí těleso tam, kam se mu nechce, pak stoupá potenciální energie). To je například případ přibližování dvou kladných nábojů. Soustava dvou nábojů, které jsou u sebe blíže má větší potenciální energii – jejich přiblížení způsobila vnější síla, ta konala práci a tato práce se promítne do velikosti potenciální energie celé soustavy. Každému bodu v elektrickém poli můžeme připsat jistou hodnotu, které říkáme elektrický potenciál. Jednotkou elektrického potenciálu je volt (V) a je definován jako podíl potenciální energie Ep bodového náboje v určitém místě el. pole a tohoto náboje Q: 4 =

56

. Rozdíl potenciálů mezi

dvěma místy v elektrickém poli označujeme jako elektrické napětí. To je vždy definováno pro dvě místa. Malý monočlánek tak má například napětí 1,5 V (rozdíl potenciálů mezi kladným a záporným pólem baterie), v zásuvce je 230 V (rozdíl potenciálů mezi zdířkami v zásuvce), atd. V homogenním elektrickém poli můžeme napětí spočíst jako 7 = 1 ⋅ 8, E je intenzita a d vzdálenost mezi body, mezi kterými chceme napětí spočíst.

Vodič v el. Poli Pro vodič je charakteristické, že obsahuje volně pohyblivé částice s nábojem (u kovových vodičů – elektrony), jestliže vložíme vodič do el. pole, působí na elektrony el. síla a uvádí je do pohybu.

Elektrický proud Elektrický proud je usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem (např. elektronů, nebo kladných nebo záporných iontů). Podmínkami pro vznik elektrického proudu jsou: Přítomnost dostatečného množství nevázaných nosičů el. náboje, existence elektrického pole ve vodiči, tedy rozdíl potenciálů mezi konci vodiče. Elektronová teorie vysvětluje vedení elektrického proudu v kovových vodičích: elektrony ve vodiči konají neustálý chaotický tepelný pohyb, po připojení k pólům zdroje napětí uvedou síly elektrického pole volné elektrony do pohybu v jednom směru (od – k +), elektrony konají dva pohyby: usměrněný a tepelný, rychlost usměrněného pohybu je malá, cca několik mm za s.

7


Elektrický proud popisujeme ve fyzice veličinou elektrický proud, označení I, jednotka ampér A. Vztah mezi proudem a nábojem je 9 = . Protéká-li vodičem proud jednoho ampéru, prochází : jím jeden coulomb za jednu sekundu. Mezi velikostí elektrického proudu I a velikostí napětí na koncích vodičů U existuje přímá úměra, vztah nazýváme Ohmovým zákonem: 7 = ; ⋅ 9. Veličina R je takzvaný elektrický odpor. Jednotkou je ohm (Ω). Je-li odpor vodiče 1 Ω a přiložíme-li na jeho konce napětí jednoho voltu, bude jím protékat proud jednoho ampéru. Čím je odpor vodiče větší, tím menší proud bude při stejném napětí protékat. Čím je odpor vodiče způsoben? Čím se mohou elektrony ve vodiči pohybovat „volněji“ tím menší odpor vodič má. Brzdění elektronů mají na svědomí srážky elektronů s atomovou mříží, která tvoří materiál vodiče i srážky elektronů mezi sebou. Pro vodič ve tvaru válce je možné spočíst odpor pomocí > vztahu ; = ∙ ?, l je délka vodiče, S jeho průřez, a měrný elektrický odpor nebo rezistivita. Rezistivita je veličina, která souhrnně charakterizuje vnitřní vlastnosti vodiče (počet volných nosičů náboje v jednotce objemu materiálu, střední dobu mezi srážkami, hmotnost nosičů náboje a jejich náboj) a hodnotu pro jednotlivé materiály lze najít v tabulkách. Tabulka 1, měrný elektrický odpor Materiál Stříbro Měď Hliník Sklo

Měrný odpor @ (A ⋅ B) 1,59 ⋅ 10 % 1,72 ⋅ 10 % 2,82 ⋅ 10 % 10 − 10

Součástka, která se v elektrickém obvodu v ideálním případě projevuje jen svým odporem, se nazývá rezistor.

8


Obr. 5 Různé technické provedení rezistorů Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Resistors-photo.JPG >

Ze vzorce ; = ∙ ? vidíme, že prodloužíme-li vodič např. dvakrát, zvětší se dvakrát i jeho odpor. Jak se rezistory chovají při zapojení více rezistorů dohromady? Základní dělení: › spojování za sebou – SÉRIOVĚ, › spojování vedle sebe – PARALELNĚ. Sériové zapojení

Obr. 6 Sériové spojování rezistorů

› › ›

Všemi rezistory a i celým obvodem prochází stejný proud. Celkové napětí: 7 = 7 + 7 , kde U1,2 je napětí na rezistorech. Výsledný odpor: ; = ; + ; , kde R1,2 jsou odpory.

9


›

Spojení rezistorů za sebe v podstatě odpovídá prodloužení délky vodiče ve vzorci > ; = ∙ a jednotlivé odpory se sčítají. ?

› Platí pro libovolný počet rezistorů. Paralelní zapojení

Obr. 7 Paralelní spojení rezistorů

›

Na všech rezistorech je stejné napětí. Celkový proud mimo větve s rezistory: 9 = 9 + 9 , kde I1,2 je proud procházející rezistory. Výsledný tzv. náhradní odpor: E = E + E , kde R1,2 jsou elektrické odpory

›

jednotlivých rezistorů. F E Při paralelním zapojení platí: F = E → 9 : 9 = ; : ; . Tento vztah vychází

› ›

z toho, že je na obou rezistorech stejné napětí.

Spojení elektrických zdrojů Často potřebujeme získat zdroj s většími hodnotami jak proudu, tak napětí. Potřebujeme vytvořit baterii. Obdobně jako u rezistorů spojujeme i zdroje › sériově, › paralelně. Sériové zapojení zdrojů

Obr. 8 Zdroj: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/fyz2.htm

›

Výsledné napětí je rovno součtu napětí jednotlivých zdrojů.

10


› Celkové napětí: 7 = 7 + 7 + 7$ , kde U1,2,3 je napětí jednotlivých zdrojů. › Proud je všude stejný. Paralelní zapojení zdrojů › Výsledné napětí je rovno napětí jednotlivých článků. › Celkový proud: 9 = 9 + 9 + 9$ , kde I1,2,3 je proud procházející jednotlivými zdroji. › Pokud by zdroje neměly stejné napětí, bude zdroj s vyšším napětím způsobovat proud opačného směru v druhém zdroji, což může zdroje poškodit.

11


Magnetické pole Magnetické síly jsou, podobně jako elektrické, známy již dlouhou dobu. Některé zdroje naznačují, že hematit (oxid železitý, přirozeně magnetický) byl používán jako jednoduchý kompas již v říši Olméků dříve než 1000 let před naším letopočtem. To, že kovové předměty mohou být hematitem přitahovány se vědělo ve staré Číně, čínský vědec Shen Kuo (1031-1095) popsal kompas, který přinesl velký pokrok v možnostech mořské navigace. V Evropě byl prvým, kdo popsal magnetický kompas Alexander Neckam v roce 1187. V roce 1600 vznikla práce Wiliama Gilberta, který soudil, že sama Země je magnetická. Do té doby se myslelo, že kompasy mohou být přitahovány k Polárce. Souvislost elektřiny a magnetismu poprvé popsal v roce 1820 Hans Christian Ørsted. Pozoroval, že vodiče s elektrickým proudem mohou silově působit na střelku kompasu, která stála poblíž tohoto vodiče. Později se opravdu ukázalo, že zdrojem magnetických polí jsou pohybující se elektrické náboje – elektrický proud. Další pokusy o souvislosti elektřiny a magnetismu prováděl Michael Faraday, který v roce 1831 popsal, že proměnlivé magnetické pole může vytvořit elektrické napětí v uzavřené smyčce vodiče. Všechny tehdejší poznatky syntetizoval James Clark Maxwell, jehož známé rovnice popisují elektřinu a magnetismus jako jeden a tentýž fenomén. Změnami elektrického pole se může vytvořit pole magnetické a naopak. Permanentní magnety známe jistě všichni, třeba v podobě malých válečků, které drží vzkazy na plechové ledničce. Jsou vyrobeny tak, že ve svém okolí generují magnetické pole. Každý magnet má dvě části, které z historických důvodů nazýváme póly. Magnet má severní (N) a jižní pól (S). Souhlasné póly se odpuzují a opačné přitahují. Podobně jako je „mohutnost“ elektrického pole popisována veličinou intenzita elektrického pole je „mohutnost“ magnetického pole popisována veličinou magnetická indukce. Značí se písmenem B a jednotkou je tesla (T). Jak již bylo zmíněno, elektrický proud může působit magnetickým polem na magnetku (malý otáčivý magnet). Ta se bude orientovat vždy směrem pomyslné čáry, tzv. magnetické indukční čáry, kterou vizualizujeme magnetické pole. Přesněji řečeno: magnetická indukce je vektorová veličina a v každém místě magnetického pole je tečná k magnetické indukční čáře (je to pomyslná, nemateriální čára).

12


Obr. 9 Magnetické indukční čáry Zdroj: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/elemag.html

Obr. 10 Magnetky sledující směr indukčních čar poblíž pólu magnetu

Na Zemi můžeme také pohlížet jako na permanentní magnet s póly, velikost magnetické indukce je 25-65 μT.

13


Obr. 11 Zemský magnetismus Zdroj: http://stargazers.gsfc.nasa.gov/images/geospace_images/magnet_in_space/earth_mag_field.gif

Povšimněte si, že jižní pól zemského magnetického pole je geograficky umístěn na severní polokouli – a tak právě sem míří severní pól střelky kompasu. Magnetické indukční čáry můžeme nakreslit i kolem vodiče s proudem, i v jeho okolí je magnetické pole:

Obr. 12 Zdroj: http://www.emotor.cz/i/Flash/obr14.swf

Směr indukčních čar určíme Ampérovým pravidlem pravé ruky: Míří-li palec ve směru proudu (dohodou od + k -), ukazují zahnuté prsty směr siločar.

14


Obr. 13 Magnetické pole v okolí vodiče Zdroj: http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/gmr/

Lorentzova síla Magnetické pole působí magnetickou silou na pohybující se částice s nábojem, to již víme z experimentu. Jak však tuto sílu vyjádřit? Vzorec objevil Hendrik Antoon Lorentz a je K = L ⋅ (1NK + OK × Q NK ). Zatímco u popisu elektrického pole jsme se vektorovým zápisům vyhnuli a počítali pouze s velikostmi vektorů, zde se již vektorům zcela nevyhneme. Zatímco u elektrického pole ležel vektor intenzity a vektor síly v jednom směru, v případě síly magnetické je síla kolmá k rovině, kterou tvoří vektory rychlosti částice a magnetické indukce. První člen v závorce odpovídá síle elektrické, druhý člen je magnetická část.

15


Obr. 14 Lorentzova síla Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lorentz_force_particle.svg

Pokud uvažujeme nulové elektrické pole 1 = 0 V ⋅ m , můžeme pro velikost magnetické síly psát = L ⋅ O ⋅ Q ⋅ sin V. V je úhel mezi vektory O a Q. Nejjednodušší tvar má síla pokud nabitá částice letí kolmo k magnetickým indukčním čarám. Jelikož sin 90∘ = 1 je = L ⋅ O ⋅ Q. Tento vzorec je ovšem varianta platná jen za uvedených omezení. Směr síly musíme určit pravidlem pravé ruky: prsty míří od vektoru O k Q a palec ukáže směr síly (na obrázku od A k B a palec ukazuje směr vektorového součinu):

Obr. 15 Vektorový součin Zdroj: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vvec.html

16


Jelikož je magnetická síla kolmá k vektoru rychlosti, nemůže konat práci a tudíž ani měnit velikost rychlosti částice, dráhu částice může jen zakřivovat (může měnit směr rychlosti, nikoli velikost). Vletí-li částice do magnetického pole kolmo k jeho indukčním čarám, bude se v tomto pohybovat vlivem zakřivení po kruhové trajektorii.

Obr. 16 Kruhová trajektorie nabité částice Zdroj: http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=4d61676e657469736d7573h&key=459

Magnetické pole působí na pohybující se elektricky nabité částice, musí tedy silově působit i na vodič s protékajícím proudem. V tomto případě lze sílu vyjádřit vzorcem = Q ⋅ 9 ⋅ X, kde X je délka vodiče v magnetickém poli.

Elektromagnetická indukce Pokusy Michaela Faradaye ukázaly, jak je možné vyvolat vznik elektrického napětí změnou magnetického pole. Umístíme-li uzavřený elektrický obvod (např. smyčku z vodiče, nebo cívku s připojeným spotřebičem) do časově neproměnného magnetického pole indukovaný magnetický proud se neobjeví. Proud (a jemu odpovídající indukované napětí) se objeví pokud: začneme se smyčkou jistým způsobem pohybovat, začne se měnit magnetické pole, např. změnou velikosti proudu, jenž byl zdrojem magnetického pole apod. Indukovaný proud (tedy uspořádaný pohyb volných nosičů náboje) vznikne ve vodiči působením magnetické síly. Matematicky by tyto body mohly být shrnuty ve vzorci pro velikost YZ⋅Y? indukovaného napětí, který objevil Michael Faraday: 7 = − Y: . Řecké písmeno delta (Δ) vyjadřuje ZMĚNU příslušné veličiny. Pro vznik indukovaného napětí je tak potřeba časová změna magnetické indukce, nebo plochy smyčky, kterou vektor magnetické indukce prochází. Změně plochy smyčky odpovídá i otočení smyčky, mění se tak totiž kolmá část průmětu plochy smyčku vůči magnetické indukci. Tímto způsobem může dojít k změně mechanické otáčivé energie na energii elektrickou – princip elektrických generátorů poháněných parní turbínou. V precizněji podané teorii se zde zavádí pojem magnetického indukčního toku, ale v tomto

17


prvním přiblížení se bez něj zkusíme obejít. Na následujícím obrázku by voltmetr ukazoval napětí 7, plocha \ je plochou příčného řezu cívkou a magnetická indukce Q přísluší tyčovému YZ⋅Y? magnetu. Vzorec by navíc musel být rozšířen na 7 = −* ⋅ , kde N je počet závitů cívky. Y:

Obr. 17 Elektromagnetická indukce Zdroj: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/3-2.htm

Význam znaménka - objasňuje tzv. Lenzův zákon. Ten nám říká, že indukovaný elektrický proud se snaží svým účinkem působit proti změně, která ho vyvolala. Pokud tak např. zasouváme magnet do cívky, čímž se magnetická indukce zvětšuje, indukuje se takový proud, že jemu odpovídající magnetické pole je orientované opačně než magnetické pole magnetu snaží se magnet vysouvat zpět. Pokud naopak magnet vysouváme, magnetická indukce klesá a indukuje se proud, jemuž odpovídající magnetické pole bude magnet udržovat uvnitř cívky:

Obr. 18 Lenzův zákon Zdroj: http://www.aldebaran.cz/elmg/kurz_10_fara.pdf

Transformátory Transformátory jsou zařízení, která umožňují měnit velikost střídavých napětí a proudů. V základní podobě se skládají z primární a sekundární cívky. Poměr mezi počty závitů na primární a sekundární cívce označujeme jako transformační poměr a definuje, jak se bude transformátor chovat. Pokud je například na sekundární cívce dvojnásobný počet závitů než na

18


primární, je transformační poměr roven dvěma a dojde k zdvojnásobení napětí na sekundární cívce oproti cívce primární.

Obr. 19 Schematická značka transformátoru Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Transform%C3%A1tor

7] =

*] ⋅7 *^ ^

Na workshopu bude předveden transformátor, kdy primární cívka bude mít 600 závitů, sekundární 12 000. Transformační poměr je tedy 20 a z 230 V připojených na primární cívku se stalo cca 4 600 V na cívce sekundární. To je již napětí schopné zažehnout ve vzduchu výboj.

Obr. 20 Výboj ve vzduchu

Další pokus ukáže profesionální výrobek, Teslův transformátor. Od výše popsaného transformátoru se liší tím, že má na sekundární cívce kromě vysokého napětí (v našem případě cca 200 000 V) i vysokou frekvenci (řádově stovky tisíc hertzů). Na transformátoru lze demonstrovat tzv. skin efekt – jev, kdy je vysokofrekvenční proud vytlačován k povrchu vodiče a nedostává se do jeho vnitřního prostoru.

19


V praxi je tak možné dotknout se velmi vysokého napětí na sekundární cívce Teslova transformátoru rukou. Elektrická energie výboje zůstává na povrchu těla a neohrožuje vnitřní orgány. Žáci tak budou moci do vlastních rukou chytat až patnácticentimetrové blesky. Další pokusy s vysokým napětím ukáží např. rozsvícení zářivky v silném elektrickém poli a další.

Obr. 21 Teslův transformátor

Supravodivost. Supravodivými nazýváme látky, které při ochlazení pod jistou kritickou teplotu vykazují snížení elektrického odporu na nulu a dokonalého vytěsnění magnetického pole ze svého objemu. Za objev supravodivosti obdržel holandský fyzik Heike Kammerlingh Onnes v roce 1913 Nobelovu cenu. Zjistil, že pokud je rtuť ochlazena pod cca -270 oC ztratí elektrický odpor. Nad svou kritickou teplotou látka nemá supravodivé vlastnosti a je potřeba ji pod tuto teplotu ochladit.

20


-270 oC jen za pomoci poměrně běžně dostupného kapalného dusíku nelze dosáhnout. Aby bylo možné jevy spojené se supravodivostí demonstrovat i na školské úrovni, bylo nutné počkat na objev takzvaných vysokoteplotních supravodičů. To nějakou chvíli trvalo. Ještě v roce 1960 byla jako látka s nejvyšší kritickou teplotou známa slitina Nb3Ge. Její kritická teplota byla cca -250 oC, tedy stále mimo možnosti kapalného dusíku. V roce 1986 byl v laboratořích IBM připraven první keramický supravodič s kritickou teplotou již -238 oC. Již rok poté byla připravena látka s kritickou teplotou -183 oC, což je již teplota za pomoci kapalného dusíku dosažitelná. Tím se otevřela cesta k supravodivosti i „amatérům“. Látky s nízkou kritickou teplotou totiž bylo nutné chladit velice drahým tekutým héliem. Jak již bylo zmíněno, na vysokoteplotní supravodiče je dostačujícím chladivem kapalný dusík, který je mnohonásobně levnější. Nyní je rekordmanem na poli vysokoteplotní supravodivosti sloučenina s kritickou teplotou -135 oC. Významným byl objev změn magnetických vlastností supravodivých materiálů. Jedná se o Meisnerův jev. Ten byl objeven až v roce 1933 a jedná se o dokonalé vypuzování magnetického pole z objemu supravodiče. Magnetické indukční čáry se vyhýbají vnitřku vzorku. Pokud nad supravodivý materiál umístíme magnet, dojde k vypuzování magnetické pole od vzorku a magnet se začne nad supravodičem vznášet. Můžeme tedy říci, že supravodič je dokonalé diamagnetikum (přesněji platí pouze pro supravodiče I. Typu).

Obr. 22 Levitace magnetu nad supravodičem, Meissnerův jev

21


V praxi je supravodivé levitace využito v konstrukci vlaků MAGLEV. Na bocích vlaku jsou umístěny supravodivé cívky a další tekutým dusíkem chlazené cívky jsou umístěny v kolejišti. Magnetické pole obou cívek spolu interaguje a tvoří sílu, která je schopná udržet celý vlak ve výšce 5-10 cm nad kolejemi. Vlak se tak pohybuje bez tření mezi koly a kolejemi. Energetické nároky na pohon vlaku jsou pak mnohonásobně menší než při použití klasických vagónů. Další velkou výhodou je také nízká hlučnost vlaků. I při rychlosti nad 200 km/h je hluk srovnatelný s nákladním autem pohybujícím se rychlostí 40 km/h. Další vlastnosti: provozní rychlost do 400-500 km/h, bezkontaktní levitace bez opotřebení, technologie vedení a pohonu nezávislá na tření, velké zrychlení, vysoký brzdný výkon, bez kontaktu s vodicí drahou a díky plynulé regulace rychlosti (ne po krocích) je jízda stabilní a pohodlná, bez vykolejení a kolizí, tedy i vysoká bezpečnost, nižší hlučnost ve srovnání s jinými dopravními prostředky pohybujícími se stejnou rychlostí, bez emisí zplodin hoření a jiných znečišťujících látek jak uvnitř vozidla, tak i podél trati, magnetické pole uvnitř vozidla i vně je srovnatelné se zbytkovým geomagnetickým polem, mnohem nižší než např. kolem vysoušeče vlasů, resp. než složky vyskytující se v elektromagnetickém spektru, nízká specifická spotřeba energie a nízké provozní náklady, flexibilní volba trasy vodicí dráhy vzhledem k malým poloměrům zakřivení a vysoké stoupavosti (10 %), minimální územní nároky na vodicí dráhu, vlak pevně obepíná vodicí dráhu (vykolejení je vyloučeno), jak tomu bývá u dvoukolejného provozu s možností obratu, k čelním kolizím dvou vlaků nikdy nedojde, ani kolize zezadu se nikdy nevyskytují, neboť vlak je napájen energii pouze v jednom napájecím úseku. Jsou zde ovšem nemalé energetické nároky na chlazení cívek jak na vlaku, tak na kolejích, což zatím brání jejich většímu rozšíření. Vlaky dosahují až rychlosti 581 km/h. Tratě pro MAGLEV jsou z bezpečnostních důvodů stavěny na mostech, což je dále prodražuje. Nejblíže od ČR je možné vlaky na magnetickém polštáři pozorovat v Dolním Sasku u města Lathen. Německý systém MAGLEVu se nazývá Transrapid. V Číně je možné se „magnetickým“ vlakem svést od roku 2002 na trati spojující centrum Šanghaje a letiště.

22


První komerční projekt v Evropě byl ohlášen v roce 2007 v Mnichově. Vlak zde měl spojovat letiště a centrum Mnichova. V březnu 2008 byl však projekt zastaven z důvodu chybného odhadu nákladů. Původní náklady 1,85 miliard eur se zvýšily až na 3,4 miliardy.

Obr. 23 Levitující vlak Transrapid v Německu Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Transrapid.jpg

23 Obrázek 1 JR-MAGLEV v Japonsku [zdroj http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:JR-Maglev-MLX01-2.jpg]


Obr. 24 JR-MAGLEV v Japonsku Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:JR-Maglev-MLX01-2.jpg

V laboratorních podmínkách lze magnetickou levitaci ukázat levitací setrvačníku s permanentním magnetem a supravodivou podložkou.

Obr. 25 Supravodivá levitace

24


Závěr Workshop seznámí studenty interaktivní formou se zajímavými elektromagnetickými jevy. Pro jejich pochopení a zodpovězení otázek v pracovních listech je nutná znalost alespoň základní teorie. Její shrnutí byl úkol tohoto textu. Postupovali jsme obvyklou posloupností: od výkladu elektrického náboje a elektrostatiky přes proudy a proudové obvody k proudu jako zdroje magnetického pole a jevům v proměnných magnetických polích. Jednotlivé teoretické jevy budou studentům prezentovány na pokusech, některé si budou moci vyzkoušet i sami.

25


Elektrostatika Úkol: Vyzkoušejte jednotlivé způsoby elektrování těles Pomůcky: novodurová tyč, kožešina, skleněná tyč, kůže, Van de Graaffův generátor, elektroskop, polystyren, plechovka, alobalové proužky Postup: Vyzkoušejte třít vybrané dvojice pomůcek a ověřovat pomocí elektroskopu a alobalového proužku a plechovky, jaký je získáván náboj. Otázky: • • • • • •

Popište, co se děje při elektrování. Která dvojice materiálů vytváří největší náboj? Co se stane při přiblížení předmětu a elektroskopu bez fyzického dotyku? V čem je odlišné, pokud se elektroskopu nabitým předmětem fyzicky dotkneme? Odkud se elektrický náboj bere? Co znamená, pokud například skleněnou tyč označíme jako kladně nabitou? Kam „utekl“ opačný náboj?

26


Van de Graafův generátor

Obr. 26 Van de Graaffův generátor Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaff_generator

Úkol: Pozorujte a vysvětlete předváděné pokusy s Van de Graaffovým generátorem. Pomůcky: Van de Graaffův generátor, bublifuk, brčko, vodiče, zátka k vyfukování bublin Otázky: • • • •

Jaký náboj se shromažďuje na kovové kouli generátoru? Jakým pokusem byste ověřili, jaký náboj je „generován“? Po jaké trajektorii se pohybuje nabitá bublina po odtržení od generátoru? Co pozorujete, pokud k elektroskopu, který je nabitý z generátoru přibližujete např. zelektrovanou skleněnou tyč? Vysvětlete.

27


Magická hůlka Úkol: Pozorujte a vysvětlete předváděné pokusy s Magickou „létací“ hůlkou.

s Obr. 27 Magická hůlka

Pomůcky: Magická hůlka Fly Stick Magic Wand, mylarové fólie, elektroskop, váhy Otázky: • • •

Jaký náboj se shromažďuje na papírovém konci hůlky? Jakým pokusem byste ověřili, jaký náboj je „generován“? Jaký náboj nesou bubliny nabité Van de Graaffovým generátorem? Odpuzují se od hůlky, nebo přitahují? Odhadněte (spočtěte) jak velký náboj se nachází na stříbřitém mylarovém proužku? Sílu spočtěte jako sílu dvou bodových odpuzujících se nábojů.

28


Transformátory Úkol: Odpovězte na otázky k předváděným pokusům s transformátory Pomůcky: Cívky, jádra, plechový kroužek nepřerušený, plechový kroužek přerušený,

Obr. 28 Transformátor Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Transform%C3%A1tor

Otázky: • •

• • • •

Co ovlivňuje velikost napětí na sekundární cívce? Hřebík ohřátý průchodem proudu se rozzářil červenou barvou. Odhadněte, jakou teplotu hřebík měl. Teplo uvolněné průchodem proudu lze spočíst jako = 7 ⋅ 9 ⋅ _, nebo = ; ⋅ 9 ⋅ _. Odhadněte, kolik tepla bylo uvolněno při ohřívání hřebíku a zda tato hodnota alespoň řádově odpovídá uvedenému vzorci. Co způsobilo vypuzování kovového kroužku z prostoru sekundární cívky? Proč nebyl přerušený kroužek vypuzován? Jak souvisí transformátory a indukční ohřev, např. na indukčních varných deskách? Jaké vlastnosti musí mít nádobí používané k indukčnímu ohřevu? Můžete ohřívat pokrmy ve skleněných nádobách?

29


Teslův transformátor Úkol: Odpovězte na otázky k předváděným i samostatně zkoušeným pokusům s Teslovým transformátorem Pomůcky: Teslův transformátor, zářivka, žárovka

Otázky: • • • • •

Čím se liší Teslův transformátor od jiných transformátorů? Jaký byl přibližně transformační poměr, je-li výstupní napětí 250 000 V a vstupní 230V? Kolik závitů měla sekundární cívka? Co je skinefekt a jak jsme ho na Testově transformátoru pozorovali? Co je Eliášův oheň? Kde jste ho pozorovali?

30


LITERATURA 1. Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: Fyzika, Prometheus, Praha 2000 2. Fuka, J., Havelka B.: Elektřina a magnetismus 3. Zákon elektromagnetické indukce, http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Z%C3%A1kon_elektromagnetick%C3%A9_ind ukce&oldid=11036571 (naposledy navštíveno 6. 12. 2013). 4. Elektřina, http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Elekt%C5%99ina&oldid=11063211 (naposledy navštíveno 6. 12. 2013). 5. Lepil O., Bednařík, M, Hýblová R., Fyzika II pro střední školy. Praha: Prometheus spol. s. r. o., 2001. ISBN 80-7196-185-X 6. Šanghajský vlak Maglev, http://www.svazdopravy.cz/html/cz/maglev.html (naposledy navštíveno 10. 12. 2013)

31

Oborový workshop pro SŠ FYZIKA

Recommend Documents