Sbírka fyzikálních pokusů

Růžková bleskojistka

Pokus číslo: 900

• Cíl pokusu

  Experiment ukazuje dvě poslední fáze činnosti bleskojistky — výboj mezi růžky bleskojistky a zánik výboje. Experiment současně slouží jako příklad transformace nahoru na vysoké napětí.

• Upozornění

  Pozor na bezpečnost! Při experimentu je nutné dbát velké opatrnosti – při dotyku s holými částmi vedení hrozí smrtelný úraz!

• Teorie

  Transformátor je tvořen primární asekundární cívkou, které jsou nasazeny na společném jádře. Pokud na primární cívku přivedeme střídavé napětí, vytvoří se okolo ní proměnné magnetické pole, díky kterému se bude v sekundární cívce indukovat napětí a (v případě uzavřeného obvodu) poteče v ní proud. Velikost indukovaného sekundárního napětí je dána tzv. transformačním poměrem:

  \[\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1},\tag{1}\]

  kde U je napětí na primární resp. sekundární cívce a N je počet závitů primární resp. sekundární cívky.

  Pokud má sekundární cívka méně závitů než primární, mluvíme o tzv. transformaci dolů, na sekundární cívce se indukuje menší napětí než na primární cívce (tento případ je ukázán v experimentu Indukční pec). Naopak, pokud má sekundární cívka víc závitů než primární, dochází k tzv. transformaci nahoru a na sekundární cívce se indukuje větší napětí než přivádíme na primární cívku.

  V našem případě má primární cívka 600 závitů, sekundární cívka má 12 000 závitů, jedná se tedy o transformaci nahoru. Primární cívku připojíme na síťové napětí 230 V; z poměru počtu závitů plyne, že sekundární napětí bude 20× větší než primární, tj. 20×230 V = 4,6 kV.

  Vzduch je velmi dobrý elektrický izolant (na přeskočení jiskry na vzdálenost 1 cm je za běžných podmínek potřeba napětí mezi elektrodami přibližně 30 kV), mezi růžky bleskojistky proto samostatný výboj nevznikne. K výboji ale dojde, pokud vzduch mezi růžky bleskojistky ionizujeme pomocí plamene svíčky (mluvíme o nesamostatném výboji).

• Růžková bleskojistka

  Elektrody růžkové bleskojistky jsou tvořeny dvěma silnými vodiči, které jsou ve spodní čísti blízko sebe a směrem nahoru se vzdalují (viz obr. 1). Výboj, který mezi elektrodami vznikne, stoupá teplým vzduchem směrem nahoru a v určité vzdálenosti se sám přeruší. Reálné růžkové bleskojistky lze vidět např. na sloupech tramvajového vedení (viz komentář).

  

  V experimentu jsou předváděny poslední dvě fáze činnosti bleskojistky – výboj mezi růžky a zánik výboje. Na rozdíl od reálné situace je v experimentu výboj vyvolán ionizačním činidlem.

• Pomůcky

  • lístkové jádro tvaru „U“ a „I“
  • upínací zařízení
  • cívky 600 a 12 000 závitů
  • 2 Holtzovy svorky s dráty růžkové bleskojistky
  • svíčka a zápalky
  • spojovací vodiče
  • rozdvojka nebo prodlužovací šňůra s vypínačem

  
  

  

• Postup

  1. Sestavte transformátor na uzavřeném jádře, jako primární použijte cívku 600 z., jako sekundární cívku 12 000 z.
  2. Transformátor upněte do upínacího zařízení.
  3. K sekundární cívce připojte Holtzovy svorky s upevněnými dráty růžkové bleskojistky, nejmenší vzdálenost drátů bleskojistky zvolte cca 5 mm.
  4. Primární cívku připojte na síťové napětí 230 V.
  5. Zespodu přibližte k růžkové bleskojistce zapálenou svíčku a pozorujte výboj.

  
  

  

  Pozor na bezpečnost! Na sekundární straně transformátoru je vysoké napětí. Z tohoto důvodu zvolte takové uspořádání pomůcek, abyste měli bleskojistku co nejblíže k sobě, transformátor dále od sebe. Spojení transformátoru a bleskojistky realizujte co nejkratšími vodiči. Dbejte, aby se vodiče na sekundární straně nekřížily a nedotýkaly se stolu ani jiného zařízení.

• Vzorový výsledek

  Vzorové provedení experimentu je vidět na videu:

  V sekundární cívce se indukuje vysoké napětí cca 4,6 kV, mezi růžky bleskojistky však nevznikne samostatný výboj. Výboj zapálíme ionizací vzduchu plamenem svíčky. Výboj vzniklý mezi dráty na nejužším místě bude stoupat vlivem ohřátého vzduchu po drátech vzhůru dokud nedosáhne takové délky, že se přeruší.

• Komentář - růžková bleskojistka v praxi

  V praxi je jeden růžek bleskojistky připojen k venkovnímu elektrickému vedení, druhý je uzemněn. Nejmenší vzdálenost mezi růžky bleskojistky je taková, že výboj při napětí sítě nenastane. Vznikne-li při atmosférickém výboji ve vedení vysokonapěťový impulz (tj. udeří-li do vedení blesk), vznikne mezi růžky bleskojistky výboj, kterým se náboj blesku odvede do země. Napěťový impulz tak zanikne a výboj se přeruší.