Dla młodszych 
 
Płynie, płynie prąd
Moje laboratorium fizyczne
Melin
Opisywane doświadczenie jest doświadczeniem przeznaczonym dla młodszych fizyków, ale może być także przygotowane i przeprowadzone przez starczych uczniów którzy stawiają pierwsze kroki wchodząc w fizykę doświadczalną. Aby je wykonać, będziemy musieli odwiedzić sklep elektroniczny, lub sięgnąć po elementy z odzysku. Konieczne będzie także samodzielne przygotowanie niektórych elementów.

Ani przepływu prądu elektrycznego ani napięcia nie możemy zobaczyć. Możemy zobaczyć jedynie skutki tego przepływu lub efekty związane z różnicą potencjału. Drucik przez który płynie prąd będzie się rozgrzewał aż zacznie świecić by w końcu się przepalić1. Przewód w którym płynie prąd wytwarza pole magnetyczne które jest w stanie zmienić położenie igły kompasu – a więc jest w stanie oddziaływać magnetycznie. Oddawana energia płynącego w złączu PN prądu, wzbudza atomy, które wracając do podstawowego stanu energetycznego – emitują światło. Dzięki oddziaływaniu elektrostatycznemu, ładunek elektryczny może być magazynowany, a wraz z nim – energia. Różnice potencjałów mogą w najróżniejszy sposób wpływać na właściwości substancji zmieniając rozmiar, przewodność czy właściwości optyczne2.

Zjawiska wywołane przepływem prądu lub gromadzeniem ładunku elektrycznego można zobaczyć i usłyszeć. W przypadku prądu stałego – możemy nawet zmierzyć jego wartość. W przypadku prądu zmiennego, możemy jego zmiany zobaczyć – jeśli są odpowiednio wolne, lub w przypadku szybszych – usłyszeć. Potrzebne będzie nam do tego kilka przyrządów:

  • Niewielki głośnik o oporności 8 omów i dowolnej mocy
  • Model silniczka elektrycznego: niewielka zwojnica omawiana już przy okazji silniczków elektrycznych z naszej magicznej walizki, kilka magnesów neodymowych i dwa spinacze.
  • Bateria paluszkowa
  • Trzy odcinki przewodów – najlepiej zakończonych „krokodylkami”
  • Niewielki transformatorek nawinięty na rdzeniu toroidalnym
  • Drobne przedmioty montażowe – plastelina lub gumki do mazania na statyw, drobne magnesy do przyczepienia przewodów do baterii

Podłączając głośniczek bezpośrednio do baterii, usłyszymy pojedyncze stuknięcie, wywołane ruchem membrany. Kolejne stuknięcie usłyszymy, gdy głośnik odłączymy od napięcia. Musimy odpowiednio dobrać napięcie baterii oraz moc głośnika, żeby go nie przepalić. Moc – to iloczyn przyłożonego napięcia oraz natężenie płynącego prądu, za wartość tego prądu zależy od napięcia oraz oporności obwodu. Dla głośnika o oporności 8 omów i mocy 1 wat, maksymalne napięcie jakie możemy do niego przyłożyć – to około 2,8 woltów, przy czym moc rośnie z kwadratem przyłożonego napięcia. Przy 12 woltach moc jaka wydzieli się na głośniki – będzie wynosić aż 18 watów.

Jeśli będziemy przerywali przepływ prądu, będziemy mogli poruszać membraną głośnika który będzie wydawał dźwięk zależny od częstotliwości tych zmian. Jako przerywacza możemy użyć modelu silnika elektrycznego opisywanego już na łamach Nowego Olimpu przy okazji prezentacji doświadczeń magicznej walizki. Jednak tu, zamiast trzymać całość w rękach, wirnik umieścimy na stojakach zrobionych z grudek plasteliny lun gumek do mazania w które wbijemy rozgięte spinacze.

 

Wirnik przygotujemy nawijając kilkanaście zwojów drutu nawojowego średnicy około 0.5mm. Jeśli takiego nie mamy, możemy użyć jakiegokolwiek cienkiego drutu w izolacji. Jeśli drut jest cieńszy – lepiej nawinąć więcej zwojów, tak by wirnik był stosunkowo sztywny. Nie musimy nawijać zwojnicy na czymś okrągłym, bo po zdjęciu i prowizorycznym przewiązaniu drutem, można ja uformować. Tak przygotowaną ramkę – zwojnicę owijamy nitką którą na końcu związujemy. Możemy także ramkę owinąć taśmą izolacyjną.

Wyprowadzania zwojnicy doprowadzamy i lutujemy do półosi zrobionych z grubego drutu nieizolowanego. Pamiętajmy by pod ten drut podłożyć kawałki taśmy izolacyjnej, po w czasie jego zaginania i dopasowywania łatwo jest uszkodzić izolację drutu tworzącego zwojnicę i doprowadzić do zwarć między zwojami. Na koniec półosie na połowie obwodu malujemy lakierem do paznokci, tak by ramka obracając się na podpórkach do których doprowadzono prąd, dotykała na przemian nieizolowaną i izolowaną częścią zamykając i otwierając obwód.

 

Prąd do wirnika doprowadzimy kawałkami przewodów. Baterię możemy zamontować z specjalnym koszyku, który zapewnia dobry kontakt z jej elektrodami. Możemy też, jako elementów przytrzymujących przewody – użyć niewielkich magnesów neodymowych. Które przyczepią się zarówno do baterii, jak i do krokodylków kończących przewody.

Po sprawdzeniu czy model silnika działa, pora na włączenie w szereg z silnikiem – głośnika. I niestety nasz silnik przestaje działać. Próby użycia większych napięć, mogą dorowadzić do przepalenia głośnika, choć przy zasilaniu z 12 woltów – silnik jako tako się obracał a z głośnika dało się słyszeć dość szybko powtarzane trzaski.

 

Problemem jest tu duża oporność głośnika który ogranicza wielkość prądu płynącego przez wirnik. Nasz model silnika ma niewielką sprawność i pracuje przy sporych prądach. Aby zmniejszyć oporność głośnika widziana od strony obwodu, możemy użyć transformatora, który dodatkowo nie pozwoli na przepływ stałego prądu przez głośnik. Transformator pozwala na „transformowanie” prądu zmiennego. Prąd stały powoduje jedynie stałe namagnesowanie rdzenia a stałe pole magnetyczne nie indukuje prądu w uzwojeniu pierwotnym.

 

Transformator teki przygotujemy samodzielnie nawijając dwa uzwojenia na toroidalnym rdzeniu ferrytowym o średnicy 20 – 30 mm. Rdzeń taki możemy kupić, ale możemy też użyć gotowego dławika z zasilacza impulsowego (na przykład z uszkodzonego zasilacza komputerowego). W przypadku gotowego dławika jedno uzwojenie jest już nawinięte i musimy nawinąć drugie uzwojenie – kilka zwojów izolowanego drutu. Ilość zwojów nie jest krytyczna. Transformatorze widocznym na zdjęciu – uzwojenie głośnikowe liczy 35 zwojów, a uzwojenie włączane w obwód – 7 zwojów drutu nawojowego 0.5mm w emalii. 3

 

Po włączeniu głośnika przez transformator, silniczek znów możemy zasilać z baterii paluszkowej o napięciu 1,5 wolta.

 

Możemy także poeksperymentować z miniaturowymi silniczkami elektrycznymi, ale te produkowane fabrycznie nie zapewniają tak dużych skoków pobieranego prądu i uzyskiwany dźwięk będzie co prawda wyższy i bardziej stabilny ale o wiele cichszy.


1
 do tego doświadczenia możemy użyć drucika wyciągniętego z druciaka – metalowego zmywaka do naczyń. To najłatwiej dostępny drut oporowy
2
 odpowiednio – piezokryształy stosowane w sterowaniu ostrzami mikroskopów skaningowych, tranzystory polowe tworzące układy wielkiej stali integracji i ciekłe kryształy zmieniające polaryzację przepuszczanego światła stosowane w wyświetlaczach graficznych.
3
 można użyć dławików z zasilaczy impulsowych – na przykład z uszkodzonych zasilaczy komputerowych. Można użyć istniejące uzwojenie jako uzwojenia wtórnego – podłączonego do głośnika. Uzwojenie pierwotne dowiniemy nawijając kilka zwojów izolowanego drutu.
 
Opinie
 
Facebook
 
  
3295 wyświetleń

numer 10/2017
2017-10-08

Od redakcji
Dla młodszych
Fizyka
Język
Literatura
Polityka
Rozmaitości

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net