1. část – videoukázka „Ruhmkorffův transformátor“
Může se stát vzduch za nějakých podmínek vodivým?
Co je to elektrický proud (jev)?
Co musí vzduch obsahovat, aby mohl vést (aby mohl vzniknout elektrický proud)?
Kdy začne procházet proud ionizovaným vzduchem?
Vzduch je vždy alespoň částečně ionizován (obsahuje malé množství částic s elektrickým nábojem) působením ionizátorů - kosmického záření a radioaktivity zemské kůry, ale za běžných podmínek je izolantem (nevede měřitelný proud).
Proč se stane vzduch vodivým (kde se vezme dostatečné množství ionizovaného vzduchu)?
Existují různé typy ionizace. Ve videoukázce se uplatňuje tzv. ionizace nárazem.
Při dostatečně vysokém napětí (zápalné napětí) dochází k ionizace nárazem – elektrony a ionty, které jsou urychlovány elektrickým polem, narážejí při svém pohybu k elektrodám na neutrální molekuly a vyvolávají další ionizaci (předávají jim část své kinetické energie). Počet iontů lavinovitě vzrůstá a nastává samostatný výboj.
Jedním z typů samostatného výboje za atmosférického tlaku je JISKROVÝ VÝBOJ.
Určitě znáte jiskrový výboj z atmosférické elektřiny…
Je jím BLESK – velmi krátce trvající silný elektrický proud, kterým se za bouřky vyrovnává velmi silné napětí (až 109 V) mezi dvěma mraky nebo mezi mrakem a zemí, doprovázený jasným světlem a zvukem – hřměním. (Vzduch se v okolí výboje silně zahřeje a jeho prudké rozpínání způsobuje hluk, hrom.)
K jiskrovému výboji, který trvá krátkou dobu, dochází, když intenzita pole mezi elektrodami dosáhne hodnoty potřebné k lavinovité ionizaci, ale zdroj není schopen trvale dodávat elektrický proud. Přeskok jiskry je doprovázen vznikem zvukové vlny.
Pomůcky: Ruhmkorffův transformátor, akumulátor 6 V, spojovací vodiče
Pokus ukazuje jiskrový výboj.
K získání vysokého napětí (desítek kV) je použit Ruhmkorffův transformátor (viz např. Svoboda M. a kol., Praktikum školních pokusů II, III, Karolinum, Praha 1996). Sekundární vinutí je vyvedeno na elektrody jiskřiště (destička a hrot).
Pozorujte vzniklé jiskry, když zapojíme transformátor (přivedeme na elektrody vysoké napětí). Přeskočení jiskry je opět doprovázeno zvukem – prasknutím.
Vysokou teplotou, která vzniká při výboji, se narušuje povrch elektrod. Tak dochází k poškození, opalování elektrod v přístrojích a zařízeních, protože při vypnutí proudu přeskočí mezi spínacími elektrodami jiskra.
Jiskrový výboj může být také nebezpečný. Jednou elektrodou se může stát člověk – například při blesku nebo v blízkosti troleje pro elektrické lokomotivy, …
2. část – Wagnerovo kladívko
Na videoukázce je transformátor, který je zdrojem poměrně velkého napětí (důkaz jiskry). Jak je možné, že funguje, když je primární cívka připojena ke zdroji stejnosměrného napětí – akumulátoru?
Proč transformátor nefunguje (na sekundární cívce není žádné napětí), když primární cívkou transformátoru prochází konstantní stejnosměrný proud?
Jak dosáhnout toho, aby se na sekundární cívce indukovalo napětí?
(Pozn.: Ruhmkorfův transformátor se zapíná a vypíná otočením komutátoru. Primární obvod je tvořen primární cívkou, akumulátorem a Wagnerovým kladívkem - to se musí vhodně nastavit šroubem. Demonstrátor do kladívka ve videoukázce klepl, což není nebezpečné, protože se jedná o primární obvod, kde je nízké napětí. Mezi elektrodami – destičkou a hrotem – je však vysoké napětí, řádově desítek kV.