Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Motivační experiment v nauce o dielektrických materiálech

    Nauka o dielektrických materiálech neskýtá mnoho možností k sestavení motivačního experimentu. Jako zajímavé považují studenti tvorbu elektrických výbojů a jisker. Elektrickou jiskru můžeme do jisté míry považovat za průraz dielektrika. K motivaci studentů je tedy možné využít experimenty spojené s elektrickou pevností. Silné elektrické výboje můžeme vytvořit složitějšími přístroji (Teslův transformátor), pro tvorbu výbojů slabších lze využít Wimshurstovy indukční elektriky. Pro experiment vytvoříme jednoduchý přípravek (Obr. 1), který bude tvořen nevodivým tělem s dvěma vodivými pásky. Šířku pásků volíme mezi 2 až 3 cm. Vzdálenost pásků pak maximálně 1 cm.
Pripravek pro demonstraci elektricke pevnosti
Obr. 1 - Přípravek pro demonstraci elektrické pevnosti
    Vývody z plechových pásků spojíme s konduktory indukční elektriky. Po roztočení kotoučů elektriky dojde k přeskoku jiskry mezi oběma pásky.
Pripravek s umistenym praskemRozleteny prasek
Obr. 2 - Přípravek s umístěným plavuňovým práškem            Obr. 3 - Přípravek během demonstrace
    Experiment spočívá v zakrytí mezery mezi pásky plavuňovým práškem (Obr. 2). Při roztočení indukční elektriky pak přeskakuje jiskra pod plavuňovým práškem. Tiché přeskoky jiskry víří prášek, který je tak jemný, že výsledný efekt připomíná kouř (Obr. 3). Výsledkem je pak demonstrace mechanického působení jiskry při průrazu dielektrika. Demonstrovaná situace je analogií například průrazu dielektrika při nevhodném zapojení kondenzátoru. Po několikátém přeskoku se vytvoří kanálek, který spojuje oba pásky a již nedochází k přeskokům. Tento jev simuluje degradaci dielektrika v kondenzátoru, který tímto vodivým spojením elektrod přestává plnit svoji funkci. Experiment můžeme opakovat jednoduchým prohrnutím prášku, které naruší vzniklý kanálek. Efektivnější verze experimentu využívá k roztáčení kotoučů indukční elektriky elektromotoru. Pokud indukční elektriku studentům zakryjeme, můžeme experiment využít jako problémovou úlohu [1].
    Další možností demonstrace technické aplikace dielektrických materiálů je experiment zaměřený na elektrolytický kondenzátor. Zcela zásadním pravidlem při využití tohoto kondenzátoru je dodržení polarity kondenzátoru v obvodu. Pokud dojde k přepólování, v kondenzátoru se znehodnotí dielektrická vrstva a plyny vzniklé během tohoto procesu mohou kondenzátor roztrhnout. Právě tento proces využijeme k demonstraci, která je svou podstatou spíše motivační.
    Pro experiment je třeba vytvořit jednoduchý přípravek (Obr. 4). Tvorbě přípravku je nutné věnovat dostatečnou pečlivost, protože exploze elektrolytického kondenzátoru může být relativně silná. Osvědčila se nádoba z tvrzeného skla opatřená plastovým víčkem. Do víčka je třeba vyvrtat několik otvorů - dva z těchto otvorů jsou určeny pro přívody elektrického proudu, zbytek otvorů umožní expanzi vzniklých plynů. Do otvorů se umístí přívodní svorky a z těchto svorek se vedou silnější vodiče tak, aby bylo možné umístit kondenzátor přibližně do středu nádoby (Obr. 5). Běžné kondenzátory obsahují ventil, kterým jsou plyny odvedeny. Některé typy jsou konstrukčně řešeny tak, aby došlo k prasknutí stěny kondenzátoru a tímto otvorem plyny unikly. Pro zvýšení efektu experimentu je vhodné s využitím sekundového lepidla zalepit tato místa na kondenzátoru. Od této chvíle je kondenzátor značně nebezpečný a hrozí, že při explozi některé jeho části odletí velmi vysokou rychlostí. Do obvodu jej tedy zapojujeme pouze v připravené uzavřené nádobě, kdy odlétající části nemohou způsobit zranění. Dále je třeba si uvědomit, že nemůžeme přesně určit okamžik exploze, a proto je třeba k zapojenému kondenzátoru přistupovat tak, jako by měl kdykoliv explodovat. Experiment by neměl být prováděn samotnými studenty. Exploze kondenzátoru je doprovázena silným zápachem (Obr. 6), a tak skleněnou nádobu těsně po explozi umístíme za okno. Přesné chemické složení elektrolytu uvnitř kondenzátoru většina výrobců tají. Pokud se při manipulaci s nádobou potřísníme elektrolytem, je třeba daná místa okamžitě omýt tekoucí vodou.
Pripravek0Pripravek s kondenzatorem
Obr. 4 - Přípravek pro demonstraci exploze        Obr. 5 - Přípravek s umístěným kondenzátorem
Pro demonstraci byl použit elektrolytický kondenzátor o provozním napětí 25V a kapacitě C=200µF. Ke kondenzátoru byl s opačnou polaritou připojen stabilizovaný zdroj Tesla BP 2422 s výstupním napětím U=24V a výstupním proudem I=2A, K explozi došlo 35 sekund po zapojení obvodu.
Exploze elektrolytickeho kondenzatoruDetail kondenzatoru po explozi
Obr. 6 - Nádoba těsně po explozi kondenzátoru            Obr. 7 - Detail kondenzátoru po explozi
    Po explozi kondenzátoru není vhodné se jednotlivých částí dotýkat (Obr. 7). Kondenzátor uvolníme ze svorek a dále s ním nakládáme jako s nebezpečným odpadem.
    Záznam experimentu si můžete přehrát níže.



Literatura:
[1] Bilimovič, F.B.: Fyzikální kvizy. Moskva: Mir, 1981. 176 s.