Zápisy do sešitu

Dáme-li těsně pod magnet kousek plného hliníkového plechu, kývání magnetu se velice rychle utlumí. Má-li plech v sobě prořezané otvory, není tlumení zdaleka tak výrazné.

Vysvětlení: Pohybem magnetu nad hliníkovým plechem - vodičem se v něm indukuje proud, jehož magnetické účinky rychle tlumí pohyb magnetu. Proud se uzavírá v podobě malých vírů => vířivé proudy (Foucaltovy proudy). Je-li plech prořezán, víry se uzavírají mnohem hůře a vířivé proudy jsou tedy daleko menší.

DOMÁCÍ ÚKOL: Udělejte si totéž sami s malým magnetem a obráceným hliníkovým ešusem.

Plné nebo prořezané kyvadlo se kýve mezi dvěma pólovými nástavci elektromagnetu, kterým buď prochází nebo neprochází elektrický proud. Výsledky stejné jako u prvního pokusu.

Praktická aplikace: elektromagnetická brzda. Tvořena vodivým kotoučem, který je umístěn mezi pólovými nástavci elektromagnetu. Prochází-li cívkami elektromagnetu proud a kroužek se otáčí, indukují se v něm vířivé proudy a brzdí jeho pohyb. Použití v lokomotivách, tramvajích, trolejbusech, brždění kotoučku elektroměru apod.

Vlastní indukce

Uzavřeme obvod ... žárovka ve větvi s cívkou se rozsvítí později než žárovka ve větvi s rezistorem. Když otevřeme jádro, rozdíl v rychlosti rozsvícení žárovky už je prakticky neznatelný.

Při sepnutí spínače se v cívce indukuje napětí, které v obvodu vyvolává indukovaný proud, který má směr opačný než je směr proudu procházejícího obvodem (podle Lenzova zákona ¤). Proud v obvodu se zvětšuje postupně. Při rozepnutí spínače se indukuje napětí opačného směru a indukovaný proud má stejný směr jako proud v obvodu (obvod se uzavírá přes elektrický oblouk u vypínače) a proud v obvodu neklesne na nulovou hodnotu skokem, ale postupně.


RL obvod	Sepnutí spínače	Rozepnutí spínače
Proud v obvodu při zapnutí a vypnutí proudu

Proud v obvodu bez cívky při zapnutí a vypnutí proudu

DOMÁCÍ ÚKOL: Nakreslete si graf závislosti napětí indukovaného na cívce při zapnutí a vypnutí proudu na čase.

Vlastní indukce ... jev, kdy se při změně proudu vodičem na tomto vodiči indukuje napětí. Proud tekoucí cívkou v ní vytváří magnetické pole, jehož magnetický indukční tok je přímo úměrný proudu cívkou;

Indukčnost mají všechny prvky elektrického obvodu (stejně jako všechny prvky mají jistý elektrický odpor), ale projevuje se zejména u cívek. Typická indukčnost cívek bez jádra ... 10^-6 H až 10^-2 H, u cívek s jádrem až 100 H. Cívky s velkou indukčností ... tlumivky. Používají se v obvodech, kde je nutné na krátký čas získat velké napětí, například u zářivek ¤.

Čím větší je indukčnost tlumivky, tím větší napětí se totiž indukuje na jejích vývodech. Z Faradayova zákona je

a po dosazení za magnetický indukční tok je

Tedy vysvětlení pokusu ¤: Vlastní indukce dvou cívek na uzavřeném jádře je vysoká, proto nárůst proudu ve větvi s cívkami je pomalý a žárovka v této větvi se tak rozsvítí znatelně později. Když odstraníme krátké jádro, indukčnost cívek bude mnohem menší a nárůst proudu při uzavření obvodu mnohem rychlejší, takže obě žárovky začnou svítit téměř současně.

DOMÁCÍ ÚKOL:
1. Rovnoměrnou změnou proudu o 1,5 A za 0,2 s se v cívce indukovalo napětí 30 mV. Jaká je indukčnost cívky?
2. Na cívce o indukčnosti 250 mH bylo po dobu 0,5 s stálé indukované napětí 150 mV. Určete velikost změny proudu v cívce.

Zhášecí obvody cívek

Odstranění el. oblouku u vypínače - připojení kondenzátoru paralelně k vypínači nebo zhášecí obvod s diodou.
Spínač sepnutý - dioda má velký odpor (záv. směr), proud teče cívkou.
Rozepnutí spínače - dioda v prop. směru, proud se uzavírá přes ni.

Při vypnutí se v cívce indukuje napětí. Vůči němu je dioda v propustném směru => obvod se uzavírá přes ni.

Rekuperační dioda

Princip jako u diody ve zhášecím obvodu, místo cívky v obvodu zapojen celý motor.

Indukovaný proud se uzavírá přes diodu a dále prochází motorem => v motoru se zužitkovává energie, která by se jinak měnila v teplo oblouku na kontaktech vypínače.

Použití zejména při pulzní regulaci výkonu - napětí zdroje se mění pravoúhle a mnohokrát za sekundu se zapíná a vypíná, přičemž rekuperační dioda zajišťuje, že proud motorem neklesá na nulu, ale má průběh přibližně trojúhelníkovitý => vyšší účinnost pulzní regulace.

Energie magnetického pole

Energie E_m magnetického pole cívky bez jádra, popřípadě s otevřeným jádrem, je přibližně rovna

Energie elektrického pole

Úloha:

Řešení:
Energie magnetického pole cívky

se přemění na kinetickou energii kroužku a ta na potenciální energii kroužku E_p = mgh v nejvyšším bodě. Stačí dosadit hmotnost kroužku (tj. 25 g) a výšku výstupu (asi 1,5 m) a jsme hotovi - E_p = 0,4 J.

Elektrický proud v plynech

Pokus: 1. vzduchový kondenzátor, nabijeme ho. Připojíme desky k elektroskopu - ukáže výchylku. Dáme mezi desky hořící zápalku => výchylka klesne na nulu => mezi deskami prošel proud - vzduch se stal vložením zapálené sirky vodivým.

2. Kondenzátor připojíme k elektrostatickému zdroji vysokého napětí 0-10 kV a mezi desky dáme svíčku. Obvodem prochází proud, plamen se ohýbá k záporné desce.

Nesamostatný výboj - probíhá jen v přítomnosti ionizátoru (teplo, záření).
VA charakteristika:

Volné ionty a elektrony vznikají a vzájemně rekombinují. Čím je napětí větší, tím rychleji se ionty pohybují a tím méně jich stačí zrekombinovat => platí Ohmův zákon.

Nasycený proud - ionty se pohybují tak rychle, že prakticky nerekombinují - všechny vzniklé dospějí k elektrodám - proud neroste.

Zápalné napětí U_z - rychlost (a energie) elektronů je tak velké, že elektron může ionizovat neutrální molekulu nárazem.. Zvyšuje se počet nosičů náboje - proud roste. Není potřeba žádný ionizátor - samostatný výboj.

Druhy samostatných výbojů v plynech - jiskrový, obloukový a doutnavý výboj, koróna, katodové a kanálové záření.

Pokračování hodiny s italským hostem - stejný text. Téma - jak plyny "vyrábějí" světlo.

Jiskrový výboj

- za normálního tlaku při překročení dielektrické pevnosti daného plynu (př. pro suchý vzduch při int. el. pole asi 3.10⁶ Vm^-1)
- nabiju se, dotknu se vod, kohoutku => jiskra; 1 mm dlouhá jiskra => napětí 3 kV.

V přírodě - blesk. Napětí mezi mrakem a zemí dosahuje až 10⁹ V, bleskovým kanálkem může po dobu tisíciny sekundy téci proud až 10⁵ A.

DOMÁCÍ ÚKOL: Vypočtěte cenu jednoho blesku (s parametry U = 10⁸ V, I = 10⁴ A, t = 5.10^-4 s). Informace o cenách elektrické energie jsou zde ¤.
Řešení je zde.

Obloukový výboj

Pokus - výboj mezi uhlíkovými tyčinkami. Napětí 120 V, tyčinky se dotknou, zahřejí se průchodem proudu a oddálí => obloukový výboj.
- velký proud, nízké napětí, vysoká teplota (3000 K - 5000 K)
- elektrody rychle uhořívají
- intenzivní světlo obsahující ultrafialovou složku (nebezpečné pro zrak!)

Použití - dříve na svícení (zdokonalení obloukové lampy - František Křižík.
- osvětlování budov, majáků, v promítacích přístrojích, světlometech ... - dnes nahrazeny vysokotlakými výbojkami
- sváření. Jednu elektrodu tvoří svařované předměty, druhá elektroda je vlastní "svářečka", kterou drží svářeč v ruce a která je obalena struskotvorným materiálem.

Doutnavý výboj

- za nízkého tlaku (1 Pa - 1000 Pa) => plyn obsahuje méně molekul, ty se méně často srážejí a snadněji získávají energii dostatečnou k ionizaci molekuly, na kterou narazí
- poměrně nízké napětí => výboj v poměrně dlouhé trubici (pokus - napětí asi 30 kV, délka cca. 20 cm)
-malý proud (desítky mA)
- různé plyny svítí různou barvou - spektrum záření charakteristické pro daný plyn
- změna tlaku - změna charakteru výboje

Použití - reklamní trubice - barva závisí na plynu, kterým je trubice plněna.

Zářivky - trubice plněná rtuťovými parami a argonem, v nich doutnavý výboj, ale září v neviditelné ultrafialové oblasti. Záření dopadá na stěny trubice, ty pokryty luminoforem - absorbuje ultrafialové záření a září ve viditelné oblasti.

Koróna

Trsovitý výboj, který vzniká v blízkosti hrotů a hran vodičů s vysokým napětím vůči okolí.

Katodové záření

Když je v katodě otvor a dochází k doutnavému výboji, elektrony vylétávají otvorem ven a tvoří katodové záření.

Podobně, vylétají-li kladné ionty otvorem v anodě, vzniká kanálové záření.

LED (světelná dioda)

- polovodičová dioda, která při průchodu proudu v propustném směru svítí.
- schematická značka LED

- rekombinaci elektronů a děr => uvolnění energie (rovna šířce zakázaného pásu). V normální diodě se projeví jako teplo, u LED jako světlo
- dost široký zakázaný pás - aspoň 1,5 eV.
- barva diody závisí na šířce zak. pásu

- zapojení - vždy do série s ochranným rezistorem -omezuje maximální proud procházející diodou.

Praktické práce:
1. Změřit VA charakteristiku LED
2. Při jakém napětí na LED a procházejícím proudu začíná dioda svítit?

Žárovka

- svítí, protože je horká
- barva vyzařovaného světla závisí na teplotě tělesa (nejméně červená ... kolem 600ºC).

- skládá se ze skleněné baňky, objímky a wolframového vlákna - slabší než lidský vlas, dlouhé asi tři čtvrtiny metru, namotáno ve spirálkách.
- teplota vlákna kolem 2500ºC.
- v baňce není přítomen kyslík => neshoří
- nehospodárná - účinnost tak 4% (zbytek teplo).
- světlo podobné dennímu světlu - příliš nenamáhá zrak

DOMÁCÍ ÚKOL: Na žárovce je napsaný údaj 230 V/100 W. Co to znamená, jaký je odpor vlákna žárovky a jaký proud žárovkou protéká?