Lenzův zákon – fyzikální pomůcka „Prstýnku hop!“

Experiment s vystřelováním hliníkového kroužku z dlouhého jádra cívky pravidelně patří k těm divácky atraktivnějším pokusům nejen při hodinách fyziky, ale i různých „whau-akcích“ pro veřejnost. Když jsme si na naší škole řekli, že si jej chceme také postavit, zjistili jsme, že v nabídce profesionálních fyzikálních pomůcek není a návodů na stavbu jsme na internetu také moc „nevygooglili“.

Kdesi jsem slyšel, že lze tento experiment nejen používat pro efektní demonstraci Lenzova zákona, ale i jako experimentální výpočet účinnosti. Ze známé kapacity použitého kondenzátoru a napětí jeho nabití lze určit základní energii soustavy. Z hmotnosti kroužku a výšky jeho „výstřelu“ lze pak určit velikost energie přeměněné na „užitečnou formu“. Podíl těchto dvou hodnot pak určuje hledanou účinnost zařízení.

Ať již chcete použít tento experiment, který pracovně nazýváme „Prstýnku hop!“, pro jakýkoliv účel, nezbývá nám nic jiného, než si potřebnou pomůcku opět prostě vyrobit. Z několika videí se záznamem tohoto a podobných experimentů a hlavně s pomocí příspěvku docentů Karla Raunera a Miroslava Randy ve sborníku z Veletrhů nápadů učitelů fyziky jsme nakonec navrhli a sestavili následující zapojení (viz schéma, níže). Netvrdíme, že je toto zapojení dogma. Uvádíme ho zde tak, jak jej zatím ve škole používáme. Sami uvidíte, že hodnoty několika použitých součástek jsou uvedeny poměrně ve velkém rozmezí v závislosti na požadovaných parametrech.

Schéma a princip zapojení

Základem zapojení je kondenzátor, který se relativně pomalu nabije a posléze prudce vybije přec cívku s dlouhým feromagnetickým jádrem, na kterém je navlečen hliníkový prstenec. Pochopitelně díky Lenzovu zákonu se po prudkém nárůstu magnetismu v cívce indukuje v hliníkovém kroužku proud, který působí proti změně, která jej vyvolala. Kroužek se tedy magneticky odpuzuje a vyletí z jádra cívky do vzduchu. Aby byla výška „výskoku“ co nejvyšší, je třeba použít kondenzátor s relativně větší kapacitou. V našem experimentu jsme zvolili 220 μF, ale bylo by možné použít i větší. S tímto kondenzátorem dosahujeme výšky asi 20 až 30 cm dle stupně nabití kondenzátoru. Kondenzátor nabíjíme ze síťového napětí, takže je nutné zvolit kondenzátor minimálně na napětí asi 400 V. (POZOR! Kondenzátory se obecně nabíjejí na špičkové napětí, tedy kondenzátor na napětí 250 V zde rozhodně nestačí!)

Nabíjení kondenzátoru probíhá přes diodový usměrňovač a nabíjecí rezistor. Nabíjecí kondenzátor při sepnutí přepínače do polohy I (viz schéma) je zapojen sériově k nabíjenému kondenzátoru a omezuje maximální nabíjecí proud. Pokud bychom bez tohoto rezistoru připojili zcela vybitý kondenzátor zrovna v okamžiku napěťové amplitudy napájecího napětí, tekl by obvodem poměrně velký špičkový proud, který by mohl kondenzátor poškodit. Hodnota nabíjecího kondenzátoru je zvolena poněkud benevolentně 5–100 Ω. Pochopitelně čím vyšší hodnota tohoto rezistoru, tím se bude kondenzátor nabíjet bezpečněji, ale o to pomaleji. Každopádně je potřeba tento rezistor zvolit v drátovém provedení, nejlépe v zalité podobě. To nejlépe splňují 5W výkonové rezistory zalité v keramickém obalu. Nejde zde ani tolik o výkon, jako spíše o napěťovou izolaci. Přeci jen pracujeme s napětím 230 V, takže nějaké malé nízkovýkonové uhlíkové rezistory nepřipadají do úvahy.

Obvod kondenzátoru je ještě doplněn o indikační doutnavku, která signalizuje nabití kondenzátoru. Jde o zcela běžnou doutnavku, která se používá do vypínačů. Její zápalné napětí je cca 60–70 V. Aby se tato doutnavka rozsvěcela až při dosažení napětí asi 200 V na kondenzátoru, je doutnavka včetně svého sériového rezistoru zapojena přes dělič napětí vytvořeného z trimru. Tento rezistor děliče napětí zároveň slouží jako určitý vybíjecí rezistor kondenzátoru, neboť není žádoucí, aby mohl na kondenzátoru větší kapacity zůstat nějaký zbytkový náboj. Velikost odporu tohoto trimru je opět v poměrně velkém rozmezí. Pro rozsvícení doutnavky není třeba velkého proudu. Originální předřadný rezistor doutnavky je 100 kΩ, takže by trimr mohl být řádově podobný. Proud doutnavkou pak řádově odpovídá jednotkám miliampér, což je na doutnavku asi i zbytečně moc. Takže lze velikost odporu trimru volit až někam k hodnotě 1 MΩ. Opět je třeba dodat, že je dobré zvolit konstrukční provedení použitého trimr takové, aby odolalo napětí okolo 300 V.

Nastavení rozsvěcení doutnavky při nabíjení je třeba vyzkoušet a nastavit vhodný kompromis mezi potřebným svitem doutnavky a dosaženého napětí. Obvykle se ale při experimentu, než sledování svitu doutnavky, spíše jen počká určitou vyzkoušenou dobu při nabíjení (poloha vypínače I) a pak se přepne přes polohy 0 do polohy II, kdy se kondenzátor vybije přes cívku.

Konstrukční provedení

Jak už bylo několikrát naznačeno, pracuje se v tomto experimentu se síťovým napětím 230 V a ještě je v zapojení poměrně velký kondenzátor. Raději se ani neptejte, co na takovou pomůcku řekne váš školní bezpečnostní technik! Při stavbě této pomůcky je potřeba opravdu dbát na bezpečnost a dodržovat vhodné izolační vzdálenosti. V našem provedení jsme dokázali kondenzátor společně s napájecím usměrňovačem, signalizační doutnavkou a třípolohovým tlačítkem (s nulou uprostřed) vtěsnat do dvou elektromontážních krabic pro povrchovou montáž vypínače.  Jedna krabice slouží jako víčko s doutnavkou a přepínačem, druhá pro uchycení plošného spoje se součástkami – viz následující obrázek. Pochopitelně různým 3D-krabičkářům, kteří si vždy musí na 3D tisklárně vytisknout tu svou (originální) krabičku, se meze nekladou!

Závěr

V samotném závěru si ještě jednou dovolíme připomenout případné nebezpečí, které plyne z použití síťového napětí. Nejen, že je třeba dbát zvýšené opatrnosti při návrhu a stavbě. Je zde třeba dávat si pozor při samotné manipulaci se zařízením a při samotném pokusu. V našem pokusu je použita běžná třistazávitová školní cívka, která se připojuje přes banánky. Výstupem naší „krabičky s kondenzátorem“ je tedy dvojice banánků, na kterých si při trochu neopatrnosti lze sáhnout na síťové napětí. Jak vidíme například při vytažení banánku z cívky na následujícím obrázku.

Určitě doporučujeme pro tento experiment obětovat jednu školní cívku a připojit ji do experimentu napevno a spojení řádně zaizolovat! A pochopitelně v žádném případě k tomuto experimentu nepouštět studenty, které by mohlo bůhvíco napadnout. Nápady jako: „Hele, podrž tyhle dva banánky…“ jsou opravdu VELMI hloupým nápadem! Uvědomme si, že v nabitém kondenzátoru se nejen skrývá napětí 300 V, ale především energie kolem 10 J 💀. Jak rádi a často připomínáme našim studentům, to je energie, která by běžný plátek sekané vyzvedla do výšky třetího patra.

Pokud si právě říkáte, tak proč zde uvádíme takovýto děsivý experiment, rádi bychom upozornili, že pokud se celá aparatura udělá dobře a bezpečně, jde o bezpečný a efektní experiment. Takže pokud máte možnost si výše uvedenou aparaturu vyrobit (nebo nechat vyrobit) tak, aby byla bezpečná, určitě ji doporučujeme. Jen je opravdu třeba si dávat při podobných experimentech pozor a uvědomit, že fyzikální zákony jsou jediné zákony, které ani v Čechách neokecáte.