FyzWeb  odpovědna

Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!


nalezeno 170 dotazů obsahujících »elektric«

69) Ochrana před dotykem fázového vodiče23. 01. 2004

Dotaz: Není mi zcela jasné, proč se v distribučních trafech (3x400V) uzel vinutí (nulák) musí spojit ze zemí (zakopaná Cu deska). Nebylo by bezpečnější, kdyby zem byla galvanicky oddělena od výstupu trafa? Předešlo by se úrazu proudem dotykem fázového vodiče. Nevím, zda je to z ekonomických důvodů nebo ochrana před bleskem... Nebylo by bezpečnější pro každou domácnost oddělovací trafo, kde by se žádná svorka sekundáru neuzemnila? (Jirka)

Odpověď: S tím „jednopólovým dotykem“ fázového vodiče (označme L1) by to byla pravda pouze do té doby, než by na jiném místě síte došlo (např. v důsledku poruchy) ke spojení některého z ostatních fázových vodičů (L2, L3) resp. středního vodiče (N) se zemí. Pak by se na tomto vodiči (L1) objevilo napětí vůči zemi až 400V resp. 230V. Tato porucha by navíc mohla přežívat při izolovaném uzlu vinutí velmi dlouho, protože nevznikne žádný zkratový proud (neuzavře se obvod), který by přerušil pojistku a tím odpojil vodič s poruchou od zdroje. (Někdy je to však žádoucí - např. v průmyslových sítích (IT), kde je potřeba nepřetržitý chod, i když dojde k poruše izolace na jedné fázi - není to však případ distribučních sítí.)
Spojení uzlu vinutí transformátoru se zemí principielně umožňuje činnost ochrany zemněním (sítě TT) resp. nulováním (sítě TN-S, TN-C) (dnes souhrnně ochrana samočinným odpojením od zdroje) neživých částí elektrických zařízení (např. kovová skříň ledničky, pračky, kostra žehličky...) před nebezpečným dotykovým napětím vůči zemi. Činnost této ochrany znázorňuje přiložený obrázek a následující text: V důsledku poruchy došlo ke spojení fázového vodiče s kostrou přístroje. Díky jejímu spojení přes ochranný vodič (PE) s uzlem vinutí transformátoru dojde okamžitě k přepálení pojistky a tím i k odpojení poškozeného přístroje od sítě. Spojení uzlu vinutí transformátoru (resp. také ochranného vodiče PE v rozvadeči) se zemí zajistí, že na vodivé kostře přístroje nevznikne větší dotykové napětí vůči zemi než je úbytek napětí na ochranném vodiči (PE) při zkratovém proudu. Velikost tohoto dotykového napětí a dobu odpojení spotřebiče pojistkou stanovují normy.

Co se týče toho transformátoru pro domácnost - platí totéž co bylo napsáno pro „velkou síť“. Oddělovací transformátor (1:1) se však používá např. při opravách el. přístrojů, kde by byla větší pravděpodobnost dotyku fázového vodiče. V tomto případě je však na sekundární vinutí transformátoru připojen pouze jeden přístroj.
Další a související informace (např. ochrana pomocí proudových a napěťových chráničů) je možno najít např. v knize Václav Honys: Nová příručka pro zkoušky elektrotechniků 1997-8 (nebo v některém jejím aktualizovaném vydání) nebo na serveru www.elektrika.cz.
(RNDr. Peter Žilavý, Ph.D.)   >>>  

70) Mechanický model napětí, zesilovače a střídavého proudu23. 01. 2004

Dotaz: Prolétl jsem články o elektřině a magnetismu, ale to co jsem hledal, jsem nenašel. Vždy se dovídám dogmata.
1.) Tak např. vždy používáte el. napětí. Do obvodu musíme zavést el. napětí, aby mohl téct proud. Ten ale téct vůbec nemusí.. tomu nerozumím, co je tedy el. napětí, resp. jak si ho představit (a to na molekulární úrovni - pokud tak lze).
2.) V učebnici Elektřina a magnetismus pro střední školy je zakreslen obvod s tranzistorem - obr. "Tranzistorový zesilovač"- podobný lze nalézt i jinde (i ve skriptech elektroniky). Vždy tam je řečeno, že na výstupu je obrácená fáze napětí, ale proč to tak je? Fyzikář mi to vysvětlil tak, že jsem si připadal, jako by mi neodpovídal na otázku - asi jsem jediný, kdo tomu nerozumí. U tohoto obvodu nerozumím ani vstupu, výstupu a podobným pojmům, v knize definovány nejsou.
3.) Další problém je s představou střídavého proudu. Kudy jdou elektrony případně díry? U stejnosměrného je jasně dané, kde je + a kde -, ale střídavý, chvíli jde do obvodu na obě strany + a pak zase -. Byl bych rád, kdyby jste mi pomohli v tom udělat jasno. (Liam)

Odpověď: K 1. otázce: Co je to napětí?
Než napíši obecnou odpověď, popíši něco obdobného v mechanice. Kolem Země je gravitační pole. Když umístím 10 m nad podlahu kilovku, bude v tom místě mít jinou potenciální energii než na podlaze. Rozdíl bude 100 J. Mohli bychom říci, že mezi těmi místy (i když tam žádné kilovky nebudou) je "mechanické napětí" 100 J/kg. Toto "mechanické napětí" charakterizuje ROZDÍL STAVŮ mezi těmito dvěma místy gravitačního pole. Nic "molekulárního" si představit k tomu nedovedu, to co jsem popsal, platí i kdyby kolem Země bylo vakuum. Dosaďte místo Země nabité těleso, místo kilovky nabitou kuličku jednou blíž a jednou dál a opět můžeme říci, že v těchto dvou bodech bude mít nabitá kulička rozdílnou potenciální elektrickou energii, rozdíl těchto energií přepočtený na 1 coulomb, tj. třeba 6 J/C, což je ve voltech 6V. Je to "elektrické napětí" mezi těmito dvěma místy pole. I zde charakterizuje elektrické napětí ROZDÍL STAVŮ mezi dvěma místy elektrického pole. (Svým žákům vždycky říkám, že když ukazují na nějaké napětí, potřebují k tomu dva prsty, aby ukázali ta dvě místa) Nic "molekulárního" si tomu představit opět nedovedu, to co jsem popsal platí i když je to elektrické pole ve vakuu. To napětí mezi dvěma místy vodiče se dá vytvořit různé, připojením článku, pohybem magnetu v okolí, atd.

Ke 2. otázce: Co znamená opačná fáze napětí na vstupu a výstupu zesilovače?
Opět to zkusím s mechanickou analogií. Představte si spojitou nádobu tvaru písmene U s vodou, kde pravé rameno bude mít velký průřez a levé malý, něco jako kropicí konev. Když pustím do konve nějaký "vstupní signál" - v širokém rameni budu například pajtlovat pístem 1 cm dolů a 1 cm nahoru od rovnovážné polohy, bude "mechanické napětí" mezi rovnovážnou polohou a okamžitou polohou kmitat od 0 J/kg do -0,1 J/kg (píst dole) k 0 J/kg (píst při návratu uprostřed) až k +0,1 J/kg (píst nahoře). V sousední úzké rouře (tj. "výstup zesilovače" dejme tomu s plochou průřezu 10krát menší) bude voda kmitat 10 cm nahoru a 10 cm dolů, tj. s vyšším napětím , které bude kolísat nejdřív nahoru od 0 J/kg k + 1 J/kg , potom přes nulu dolů k -1 J/kg atd. Tento zesilovač pracuje s desetinásobným zesílením, vstupní signál má opačnou fázi než výstupní (když jde píst v konvi dolů, stoupá hladina v úzké rouře nahoru a obráceně). Co je vstup, plyne ze znalosti českého jazyka. Vstupem může např. být napětí z mikrofonu, které přivádím na vstupní svorky zesilovače, výstup je napětí, které ze zesilovače přivádím třeba na svorky reproduktorů.

Ke 3. otázce: Jak si představit střídavý proud?
Do třetice s mechanickým modelem. V hadici, ve které jsou oba konce napojeny na vstup a výstup čerpadla, proudí voda stejnosměrně kolem dokola. Teď elektromotorek toho čerpadla budu krmit tak, aby chvíli čerpalo zleva doprava a potom zprava doleva. Vodní proud poteče chvilku doleva, chvilku doprava. Proud bude střídavý, ovšem ne sinusový ale zhruba obdélníkového průběhu. Sinusový průběh vodního proudu bychom mohli v této trubici docílit třeba tak, že bychom čerpadlo odstranili, konce propojili a po kusu hadice jezdili sem tam sinusově (jako při kývání kyvadla) válečkem na nudle. Z mikrofyzikálního pohledu (opět velmi primitivního) na elektrický proud doplňuji, co už jednou v Odpovědně zaznělo.
Opakuji: "Nositele nábojů ve vodičích, tj. elektrony v kovech, ionty v kapalinách a plynech a elektrony a "díry" v polovodičích opravdu cestují, jak je elektrické pole žene, !!!!kolem dokola!!! v uzavřeném obvodu (odstartují najednou). Samozřejmě po sepnutí obvodu se nechovají jako účastníci májového průvodu, kteří udělají vpravo vbok a jdou ukázněně směrem, kterým je žene pole, ale spíše tak jak naznačuji svým žákům modelem: Nositelé nábojů představují hemžící se mravence v mraveništi, kde vytvořím pachové pole tím, že na jednu stravu mraveniště dám lákavý med a na druhou něco smradlavého (otevřu tam třeba lahvičku se čpavkem). Tím mezi těmito dvěma body bude "smradové napětí". Díky smradovému poli hemžení neustane, nebude ale zcela souměrně chaotické (středová rychlost nebude 0), ale bude trošičku převládat směr rychlosti mravenců k medu. Kam pocestují, tj. jaký je směr proudu, když smradové pole vyměním, je snad jasné. Samozřejmě mohu to smradové pole střídat a proud mravenců pak bude střídavý."
Ve vodiči je to chaotické hemžení částic - nosičů náboje velmi velkou rychlostí, závislou na teplotě, ta usměrněná rychlost (složka rychlosti) je ve srovnání s tím strašně prťavá, závislá pro daný vodič mj. na napětí mezi jeho konci.

(M.Rojko)   >>>  

71) Zahřívání rtuti v kovové trubici16. 01. 2004

Dotaz: Zajímala by mně odpověď na následující otázku: kovová trubice je naplněna rtutí, a mechanicky ucpána zátkami. Ve rtuti je el. spirála, příp. jiný zdroj tepla. Trubice je ponořena ve vodě. Při průtoku proudu dojde k zahřátí rtuti a tím jejímu roztažení.Zajímalo by mne, zda je voda schopna odvést vzniklé teplo, nebo dojde k mechanické destrukci trubice. Za odpověď na tento, možná kostrbatý dotaz, předem děkuji. (Luboš)

Odpověď: Tak jak je to popsáno, došlo by ke zkratu, protože rtuť je dobrý vodič elektrického proudu. Pokud by byla topná spirála v nevodivém pouzdře a zahřívaná rtuť byla ve skleněném pouzdře (špatném vodiči tepla s malou tepelnou roztažností), sklo by prasklo. Pokud by rtuť byla v pouzdru dobře tepelně vodivém, voda by to stačila chladit a navíc i pouzdro by se teplem poněkud roztáhlo. Stručně řečeno, výsledek bude záviset na tom, z čeho bude futrál.
(M. Rojko)   >>>  

72) Laser bez rezonátoru12. 01. 2004

Dotaz: V jedné knížce jsem viděl návod, podle kterého lze postavit laser, který dokáže např. zapálit papír. Skládá se jenom z tyčinky ze syntetického rubínu, popř CaWO4 a bleskové xenonové výbojky, která do něj prý "pumpuje" rychlým blikáním energii a tím se vytváří silný laserový paprsek. Je možné, aby něco takového skutečně fungovalo, nebo je to blbost? Děkuji (Danik)

Odpověď: Konstrukce laseru je skutečně ve své podstatě velmi jednoduchá, kromě popisované "tyčky", tedy aktivního prostředí, v němž dochází ke generaci, resp. zesilování světla, a do něhož je dodávána energie zvenku například výbojkou, bývá ještě součástí laseru rezonátor, který je tvořen zpravidla dvěma zrcadly. Ta jsou nastavená kolmo na osu aktivního prostředí, aby světlo mohlo procházet prostředím několikanásobně, a tak se více zesilovat. Jedno ze zrcadel má obvykle nenulovou propustnost, aby část světla mohla vycházet ven z laseru.
Rezonátor je možné sestrojit také tak, že se výstupní plochy krystalů vybrousí a vyleští tak, aby byly rovnoběžné a pokryjí se vhodnými dielektrickými vrstvami. Pokud aktivní prostředí zesiluje světlo opravdu hodně, je skutečně možné sestrojit laser na "jeden průchod", tedy zcela bez rezonátoru. Čili popisovaná konstrukce, jak ji tazatel uvádí, není "blbost".
(Prof. RNDr. Petr Malý, DrSc.)   >>>  

73) Proč je v síti frekvence 50Hz?07. 01. 2004

Dotaz: Zajímalo by mě, proč má elektrická síť frekvenci frávě 50Hz. Jak přišli na to, že to má být zrovna 50Hz, když je to frekvence dost nevýhodná. Například pro trafa při ní vychází velký počet závitů a velké jádro, takže je trafo neúčinné a rozměrné. U tlumivek a kondenzátorů je to podobné. Zde by byla lepší frekvence zhruba několik set Hz. Druhá věc je, že 50Hz je vidět, takže nekvalitní nebo staré žárovky, zářivky a výbojky blikají (pokud není frekvence dokonale sdružena na 100Hz). Také televize při 50Hz má blikavý obraz. Zde by bylo na místě alespoň tak 70 až 90Hz (nebo rovnou 100, aby se to zaokrouhlilo). 50Hz není výhodné ani pro motory (jsou rozměrné) a usměrňovače - opět obrovské kondenzátory. atd. Tak by mě tedy zajímalo, jak se přišlo zrovna na 50Hz? (Dan)

Odpověď: Marně hledám historickou odpověď na otázku, proč má střídavé napětí v Evropě užívané 50Hz a v Americe, v Japonsku a jinde 60 Hz. Průkopníkem střídavého proudu byl Nikola Tesla. Zabýval se točivým magnetickým polem, měl patentovány motory, transformátory a přenos elektrické energie vůbec pomocí střídavého proudu. Přenos elektrické energie po transformaci na vysoké napětí se všeobecně prosadil vzhledem ke snížení ztrát Jouleovým ohřevem i když vytrvalým zastáncem stejnosměrného proudu byl sám Thomas Alva Edison. Nenalezl jsem však nikde zmínku o tom, že by to měl být střídavý proud právě o 50 nebo 60 Hz. Může to souviset s tehdejší běžnou rychlostí otáčení generátorů se 3 cívkami a frekvence pak byla konvenčně zavedena tak, aby se dala dobře realizovat. Nyní s ohledem na propojení energetických soustav je globální možnost změny frekvence nereálná, být by přinášela některé výhody. Lokálně, tam, kde je to výhodné (úsporné zářivky, střídačové napájecí zdroje), se pracuje s vyššími frekvencemi. Pokud by se pro dálkový přenos používaly výrazně vyšší frekvence, vznikaly by problémy s vyzařováním, interferencemi a také s nepřizpůsobením délky vinutí a vlnové délky střídavého proudu.
(Doc. RNDr. Miloš Rotter, CSc.)   >>>