FyzWeb  články
Rychloběžné video a elektrický proud2011-03-16 

Rozsvícení žárovky

I tak jednoduchá věc, jakou je obyčejná žárovka, nám může ukázat řadu zajímavých věcí, stačí potmě natočit její rozsvícení. Už na první pohled nás zaujme, že jas žárovky není konstantní, ale kolísá (u zářivky bychom takové chování předpokládali). To znamená, že tepelná kapacita vlákna je příliš malá a množství vyzařované energie příliš velké, takže vlákno mezi jednotlivými periodami výkonu (půlperiodami proudu) vychladne a poté se opět zahřeje.

Po načtení videa do některého z programů na videoanalýzu a změření času můžeme zjistit toto

  • Jedna perioda „světelného kmitu“ žárovky trvá jednu setinu sekundy (je třeba natočit a použít delší úsek, než jen přiložený výstřižek), odpovídá tedy frekvenci elektrického proudu v rozvodné síti 50 Hz, resp. frekvenci pulzů výkonu 100 Hz.
  • Od studeného vlákna do plného jasu žárovky (tohoto konkrétního kusu o příkonu 40 W) je zapotřebí přibližně 36 milisekund, tedy cca. 3,5 periody výkonu. Pro jiné žárovky se samozřejmě může hodnota lišit.
  • Vlákno žárovky se nerozsvěcí rovnoměrně, ale některá místa se zahřejí dřív (u natočeného klipu je to levý kraj vlákna). Z  pozorování lze usoudit, že vlákno nemá všude stejnou tloušťku, ale v místě, kde se nejvíce zahřívá, je jeho průměr z nějakého důvodu menší a odpor tedy větší. Pokud se chceme zabývat v rámci fyziky i tématikou bezpečnosti elektrického proudu, může nám tedy video posloužit i jako názorná ukázka toho, proč jsou nebezpečné špatné spoje kabelů, například v elektrické zásuvce, a mohou být příčinou požáru.

(pozn. red.: toto video inspirovalo Jakuba Jermáře k vytvoření samostatného článku "Proměření náběhu žárovky")


Přepálení odporového drátu

Podobně jako rozsvícení žárovky můžeme zaznamenat na video také zahřátí a přepálení odporového drátu. K demonstračnímu akumulátoru připojíme do zkratu kousek (cca 4 cm) odporového drátu a pozorujeme jeho zahřátí. Od určité doby již nevidíme zjasňování rozžhaveného drátu (dynamický rozsah kamery je omezený), ale protože je pod ním umístěna nehořlavá kovová podložka, která obraz drátu odráží s určitým úbytkem jasu, můžeme v odrazu pozorovat, že intenzita světla dále narůstá. Nakonec dojde k přepálení drátu a jeho rozlomení.

Teorie k tomuto experimentu je zcela stejná jako pro zahřátí žárovky – průchodem velkého elektrického proudu se vodič zahřeje uvolňovaným Jouleovým teplem natolik, že začne svítit. Na rozdíl od žárovky ale je v okolí vodiče přítomen kyslík a tak dojde k oxidaci (hoření) vodiče a jeho přepálení. V záznamu vidíme, že se původně ohebný kov na dvou místech zlomil, z čehož můžeme usoudit právě na změnu struktury v důsledku oxidace.

 

Zkrat

Na konci klipu, ve kterém byl přepálen odporový drát, jsme mohli vidět několik jisker, které vznikly, když se po rozlomení drátu dotkly krokosvorky kovové podložky a nastal zkrat. Dalším zajímavým jevem vhodným k natočení a studiu by mohly být právě tyto jiskry. Přiložené video ukazuje výstřely jisker při zkratu – jedna strana vodiče je připojena k jednomu pólu demonstračního akumulátoru, druhým koncem se dotýkáme opačného pólu.

Jakmile nastane zkrat, vytryskne z místa kontaktu ohňostroj jisker. V místě dotyku dojde k prudkému lokálnímu zvýšení teploty doprovázenému zvýšením objemu. Protože jiskry zanechávají svítící stopy na každém snímku, můžeme studovat jejich pohyb a zjistit, že nejrychlejší z nich letí rychlostmi zhruba kolem 10 m·s-1. V průběhu svého pohybu se rychlost jisker zmenšuje v důsledku odporu vzduchu a s chladnutím klesá jejich jas. Ke konci jsou proto viditelné už jen pomalejší a na pohled silnější jiskry, které jsou tvořeny větším množstvím hmoty a tak v důsledku setrvačnosti získaly nižší rychlost, ale také díky větší tepelné kapacitě pomaleji chladnou.

 

Použitá videa ke stažení

 

Další již zvěřejněné díly seriálu

 

Autory seriálu jsou RNDr. Jan Koupil a RNDr. Vladimír Vícha.


zpět na přehled článků