Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 Několik experimentů se zvonkovým transformátorem JOSEF HUBEŇÁK Přírodovědecká fakulta UHK Abstrakt Zvonkový transformátor je levným zdrojem malého napětí. Jako oddělovací transformátor má vinutí primární a sekundární bezpečně odděleno a lze jej pod dohledem učitele použít ke skupinové práci žáků základních nebo středních škol. Úprava pro měření není časově ani finančně náročná a v příspěvku jsou navržena měření a motivační experimenty. Nápad, parametry podle výrobce a první měření Shodou okolností se mi na stole ocitlo deset zvonkových transformátorů. Co s nimi? Jako zdroje toho moc neumí nominální hodnoty výstupních napětí jsou jen 3,5 a 8 V. Každý kus byl ještě originálně zabalen a měl i technický list: Parametry podle výrobce Klingeltransformator Tip TR 6-0 Made in Romania Technické údaje: Jmenovité napětí 0 V Výstupní napětí 3, 5 a 8 V Provozní napětí trvalé Transformátor je odolný vůči zkratu na výstupu Krytí IP 4.0. (Chráněno před vniknutím drobných předmětů a nebezpečným dotykem nástrojem > mm, nemá ochranu před vniknutím vody.) První nápad alespoň měřit Fyzik měří, potom věří. Po ruce byl letitý digitální PU 50 a bylo naměřeno: Odpor primárního vinutí R =,3 kω Odpor sekundárního vinutí R = 4,0 Ω Primární napětí U = 38 V Sekundární napětí naprázdno U = 4,58V, U 3 = 8,96V, U 3 = 3,54V Jmenovitá napětí 3 V 5 V 3 svorky 6
Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 Podle výrobce je transformátor odolný proti zkratu na výstupu a tak byly měřeny i zkratové proudy: Zkratový proud sekundáru: I =,0 A, I 3 =,47 A, I 3 =,4 A (Měřeno na rozsahu 0A.) Tady se nabízí první možnost výpočtu. Výstup transformátoru (svorky,3) lze považovat za střídavý zdroj s vnitřní impedancí Z Z i U3 3,54, 88 I,4 3 Úlohu zjednodušíme a za reálnou část impedance budeme považovat odpor vinutí. Pak lze vypočítat vnitřní induktanci tohoto náhradního zdroje Z i R Z toho indukčnost náhradního zdroje f i,88 4,9,9 H 35,6 mh 50 (Měření indukčnosti sekundárního vinutí dá hodnotu vyšší, zde 97 mh. Rozdíl je dán tím, že se v zatíženém transformátoru magnetické indukční toky odečítají enzovo pravidlo.) Měření vstupního proudu na primární straně je z bezpečnostních důvodů pro žáky vyloučeno. Vyučující může změřit vstupní proud pro výstup naprázdno: I,5mA. Zkraty na výstupu značně ovlivní vstupní proud. Vstupní proud pro výstup nakrátko závisí na tom, které ze tří výstupních svorek zkratujeme: 3 V 5 V 3 V 5 V 3 V 5 V I () 77, ma I () 5,mA (3) I 65,5mA Pro proud vypočteme vstupní impedanci transformátoru při výstupu naprázdno. I Pro induktanci primárního vinutí platí: Z U 38 0,7 k 3 I,5 0 () Z R 0,7, k 0,67 k Indukčnost primárního vinutí: (). f 0670 H.50 65,8H Poznámka: Přímé měření indukčnosti digitálním multimetrem METE dává zcela odlišnou hodnotu 4,6 H. Je to dáno principem, který multimetr využívá pro měření indukčnosti. 7
Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 Transformace dolů a pak nahoru S použitím dvou stejných zvonkových transformátorů lze ukázat, že jsou ztrátové. Sekundár prvního transformátoru spojíme se sekundárem druhého a měříme digitálním voltmetrem napětí na primárním vinutí druhého transformátoru: 38 V ~ V 79 V TR TR K původní hodnotě napětí se můžeme jen přiblížit použitím jiných svorek druhého transformátoru: 38V ~ V 08 V TR TR První transformátor má paralelně ke vstupu připojenu žárovku 30 V/5 W a druhý signální doutnavku s předřazeným rezistorem MΩ. Ta má zápalné napětí přibližně 0 V. Amplituda k efektivnímu napětí 79 V nebo 08 V je dostatečná k rozsvícení doutnavky. 8
Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 Zatížený výstup druhého transformátoru žárovkou 30 V, 5 W 38V ~ V TR TR V tomto uspořádání je prokazatelná ztráta při dvojí transformaci: žárovka slabě žhne a digitální voltmetr naměří pouze. Vznik indukovaného napětí K tomu stačí plochá baterie a transformátor s doutnavkou. Odvážní si mohou vyzkoušet dotek na síťové vidlici. Doutnavka spolehlivě zasvítí i s jedním tužkovým článkem. Trpělivý fotograf zachytí i záblesk doutnavky obr.. Obr.. Indukce vyššího napětí. 9
Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 Ukázka s ledkami První sonda: D 70 Ω 3 V~ Bílá ledka je na konci vodiče a pokud ji roztočíme, díky setrvačnosti oka vidíme čárkovaný kruh. Druhá sonda: 70 Ω 3 V~ Usměrňovací dioda zde není a ledka je dvoubarevná se dvěma vývody. V klidu vidíme žlutý svit. Po roztočení je zřejmé střídání červených a zelených záblesků. Odhad kmitočtu sítě Práškovou sírou poprášíme hliníkovou desku. Na ni připojíme jeden kontakt a levou rukou se dotkneme druhého kontaktu na výstupu 3 V~. Ukazováčkem pravé ruky rovnoměrně přejedeme po celé délce hliníkové desky. Za prstem zůstává přerušovaná stopa v sirném poprašku. Obloučky kopírují dotyk prstu s podložkou. Přejet ukazováčkem pravé ruky 3 V~ Dotek levou rukou V třetinách délky desky nakreslíme fixem značky a nacvičíme přejezd prstem za tři sekundy. Spočítáme počet stop za jednu sekundu a dostaneme přibližně 50. Přerušovaná stopa vzniká díky tomu, že zrníčka síry se třením nabíjejí záporně. Detail ukazuje obr.. Pokus není nový. Autor jej zkoušel před půl stoletím podle návodu v časopise Věda a technika mládeži: Drátem spojte s fází v zásuvce zinkový plech posypaný sírou. Stůjte na koberci a jedním prstem 0
Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 Závěr Obr.. Stopa střídavého napětí. Učitelé fyziky snadno najdou další možnosti kvalitativních i kvantitativních experimentů. Nabízí se např. elektrolýza střídavým nebo usměrněným proudem, studium jedno a dvoucestných usměrňovačů, filtrace usměrněného napětí, poslech síťového brumu, zapojení násobiče napětí, měření střední hodnoty usměrněného napětí atd. Cena je opravdu přijatelná zvonkový transformátor pořídíte do 400 Kč a ostatní drobnosti najdete v šuplíku.