2019 július 24 - szerda

2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

Az itt következő sorokban az első kezdetleges ívkisüléses kísérleteinkről olvashatsz, melyet István és Én, Tibor ketten végeztünk.

A kísérletek elvégzésében a gyakorlati tapasztalatszerzésen kívül a jelalakok vizsgálata is célunk volt, mivel az Interneten sehol nem találtunk pontos mérési adatokat. A kísérletezők csak a bemeneti áramokat mérték, ha egyáltalán mértek valamit, bár a legtöbben még azt se tették, hanem megelégedtek vizuális megfigyelésekkel és elméleti találgatásokkal.

A kapcsolás pontos rajzát nem tudjuk megadni, mivel a kísérleti nyúl szerepét egy lengyel piacon vásárolt ionizáló töltötte be. Ezzel már megismerkedhettél itt. Mikor Józsefet megkértem, hogy végezzen pár mérést a bemeneten és a kimeneten, akkor válaszként postán elküldte az ionizálót, hogy végezzek olyan méréseket rajta, amilyeneket csak akarok. Küldött hozzá állítható szikraközt, kondikat és izzót is, ezért nekünk már semmilyen munkánk nem volt az összerakással, kezdhettük a méréseket.

A méréseket digitális és analóg szkópokkal végeztük, ezeket István hozta. Köszönjük mind az ionizálót, mind pedig a műszereket!

Az ionizáló kapcsolásának ismert részleteit a következő ábra mutatja.

Kisul1 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

1. ábra. Az ionizáló ismert részletei

Mint látjuk, az ionizáló táplálása a 220 V-os hálózatról történik. A K kapcsoló segítségével az Uki feszültség értékét felezhetjük meg. A C kondenzátor értéke 631 pF / 1000 V, a terhelés szerepét pedig egy 6 V / 0,6 W-os kerékpárizzó töltötte be. A szikraköz távolságát állíthattuk, de a kisülés létrejöttéhez 900 V-nál 1 mm vagy annál kisebb távolságra kellett lennie egymástól az anódnak és a katódnak.

Az itt ismertetésre kerülő kísérleteket nem ebben a sorrendben végeztük, de az ismertetésük így tűnt logikusabbnak.

I. kísérletsor

1. kísérlet

A kísérlet célja a kondenzátoron megfigyelhető feszültséggörbe alakjának tanulmányozása.

Ehhez a kísérlethez az analóg szkópot kötöttük a kondenzátor kapcsaira. A szkóp azonban olyan terhelő ellenállásként jelent meg az áramkörben, amin keresztül a kondenzátor árama átfolyhatott. Ez természetesen megakadályozta az ívkisülést, hiszen az áram a szkóp bemeneti ellenállásán folyt keresztül, nem pedig a sokkal nagyobb ellenállású levegőn. Ezért ekkor nem történt kisülés. A következő ábra a szkóp bemeneti ellenállásának “bekötését” mutatja.

Kisul3 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

2. ábra. A szkóp bemeneti ellenállásának hatása a kondenzátorra

Mint a 2. ábrán láthatjuk, a C kondenzátorral párhuzamosan kötött szkóp bemeneti ellenállásán folyó áram (I2) megakadályozza, hogy a kondenzátorban elegendő töltés halmozódjon fel az ívkisüléshez. Ezért I1 értéke nulla.

A szkópon mért feszültségértékek a K kapcsoló állásától függően 450 V, illetve 900 V egyenfeszültség volt.

2. kísérlet

A kísérlet célja az ívkisülésen megjelenő feszültséggörbe alakjának tanulmányozása.

Ehhez a kísérlethez szintén az analóg szkópot kötöttük a szikraköz kapcsaira. A szkóp azonban olyan terhelő ellenállásként jelent meg itt is, amin keresztül a kondenzátor árama átfolyhatott. Ez természetesen ismét megakadályozta az ívkisülést, hiszen az áram a szkóp bemeneti ellenállásán folyt keresztül, nem pedig a sokkal nagyobb ellenállású levegőn. Ezért ekkor ismét nem történt kisülés. A következő ábra a szkóp bemeneti ellenállásának “bekötését” mutatja.

Kisul4 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

3. ábra. A szkóp bemeneti ellenállásának hatása a szikraközre

Mint a 3. ábrán láthatjuk, a szikraközzel párhuzamosan kötött szkóp bemeneti ellenállásán folyó áram (I2) megakadályozza, hogy a szikraközön keresztül a kondenzátor árama kisülhessen. Ezért I1 értéke ismét nulla.

3. kísérlet

A kísérlet célja a terhelő ellenálláson, azaz az izzólámpán megjelenő feszültséggörbe alakjának tanulmányozása.

Ehhez a kísérlethez szintén az analóg szkópot kötöttük az izzóval párhuzamosan. Ennél a kísérletnél a szkóp izzónál jóval nagyobb bemeneti ellenállása már nem akadályozta az ívkisülést, és így a mérést sem.

Kisul5 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

4. ábra. A szkóp bekötése a 3. kísérletnél

A jel csak kis feszültségű méréshatárnál jelent meg, amit a következő ábrán tekinthetsz meg.

Kisul2 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

5. ábra. Az izzón mérhető feszültséggörbe alakja

Az 5. ábrán két feszültségértéket láthatunk: U1-et és U2-t. U1 értéke a szikraköz elektródáinak távolságától függően 1 V és 2 V között változott, U2 pedig 4-6 V közötti értékeket vett fel.

A kisülés periódusideje 40 ms volt, a kisülés ideje pedig 13 ms.

Az 5. ábrán egyértelműen látszik, hogy ez a jelalak a kondenzátor kisülésének tipikus jelalakja. Azt is észrevehetjük, hogy a terhelésen mért jel nem tartalmazza a C kondenzátor feltöltési szakaszát. Ez érthető is, hiszen a feltöltés alatt a szikraköz szakadást okoz a terhelés áramkörében, így ott nem jelenik meg a kondenzátor feszültsége egészen a kisülés kezdeti pillanatáig.

Vegyük észre azt is, hogy a kondenzátor feltöltésekor kialakuló 900 V-os potenciál helyett csak kb 6 V-os csúcsról indul a kisülés. De miért? Hova tűnt a maradék 894 V?

Erre majd a kísérletek elemzésénél térünk ki.

4. kísérlet

A kísérlet célja a szikraköz távolságának és a kisülés gyakoriságának megfigyelése. Ehhez az állítható szikraközt változtatva fülre/szemre határoztuk meg a kisülés gyakoriságát, majd pedig szkópos mérésekkel ellenőriztük a tapasztalati megfigyeléseinket.

Eredmény:

A szikraköz csökkentésével a kisülés gyakorisága növekedett, viszont a lámpa kisüléskor megfigyelhető fényereje csökkent. Ezt támasztotta alá a szkópos mérés is, amit a következő ábrasoron láthatunk.

Kisul2b 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

6a. ábra. A szikraköz kb. 1,5 mm

Kisul2a 2.4.14.5.1. Kísérletek ívkisüléssel 1

6b. ábra. A szikraköz kb. 0,7 mm

A 6a. és 6b. ábrákból kitűnik, hogy a kisebb szikraköz gyakoribb kisülést eredményez. Ez érthető, mivel a kisebb szikraköznél már alacsonyabb feszültség esetén létrejön az ívkisülés. Mivel alacsonyabb feszültségre töltődik a kondenzátor, ezért a terhelésen mérhető U2 értéke is kisebb, ami értelemszerűen kisebb fényerőt eredményez az izzóban.

A másik megfigyelés, miszerint kisebb szikraköznél gyakoribb a kisülés, szintén érthető, hiszen a kondenzátor hamarabb éri el a kisüléshez szükséges kisebb feszültséget, így nem csak a kisülési feszültség, hanem a kisülés peiódusideje is lecsökken.

5. kísérlet

A kísérlet célja az ívkisüléskor kialakuló plazma mágneses energiájának a vizsgálata.

Ez nem egy betervezett kísérlet volt, hanem “csak” a szikraköz szigetelt nyelű fogóval történő változtatásakor megfigyelt jelenségen alapult: Mikor a fogót a katód felé közelítettük, kb. 1 mm-re a katódtól a fogóban egy enyhe, a kisülés frekvenciájának megfelelő remegést tapasztaltunk. Ez a remegés a plazma pulzáló mágneses terének az indirekt kimutatása.

Érdekes tapasztalat volt, hogy ez a mágneses pulzálás viszont nem alakult ki az anód mentén.

Szemmel megfigyelve úgy tűnik, hogy a katód mentén nagyobb a foton sűrűség, az anód felé haladva mintegy kúp formájában szűkül a plazma ív. Ez is alátámasztja azt, hogy a katódról kilépve az energia nagy része fénnyé, hővé és az elektromágneses spektrum más sávjaiban is megjelenő energiává alakul, még mielőtt elérné az anódot. Ezért tapasztaltuk a mágneses hatást csak a katódnál.

6. kísérlet

A kísérlet célja a kondenzátoron megjelenő tényleges feszültség meghatározása.

Mint az 1. kísérletnél láttuk, a kondenzátoron mérhető feszültség a K kapcsoló állásától függően 450 V és 900 V. Mikor azonban József (aki az ionizálót küldte) elolvasta a kísérleteket, felvetette azt a lehetőséget, hogy a szkóp 1 MW-os ellenállása is még nagy terhelés lehet az ionizálónak és a kondenzátoron megjelenő terheletlen feszültség jóval nagyobb a mért értékeknél.

Ennek tisztázására leforrasztottam az állítható szikraközt és csak a vezetékek közelítésével igyekeztem meghatározni azt a maximális távolságot, amelynél még kialakul a szikraköz. A távolságot a pontosság érdekében vonalzóval mértem. Azt tapasztaltam, hogy a 900 V-os üzemmódban a leghosszabb ív 7 mm volt.

Ez kb. 7000 V-ot jelent, szemben a mért 900 V-tal.

De azt is figyelembe kell vennünk, hogy a fenti kísérleteknél a szikraköz csak 0,8 – 1 mm volt, így a kondenzátor maximálisian 800-1000 V-ra tudott csak feltöltődni, így a továbbiakban a mért 900 V-ot elfogadhatónak vehetjük.

Kiértékelés:

    1. A fenti kísérletek alapján elvégezhetünk pár számítást.Kezdjük a kondenzátorban tárolt energia kiszámításával. A kondenzátor kapacitása 631 pF, a rajta lévő feszültség 900 V. Ezek szerint a kisülés pillanatában tárolt energia:

      Ec = 0,5 * C * U2 = 0,5 * 631 * 10-12 F * 9002 V = 0,000255555 J = 255,5 mJ

      Mivel a kisülés 13 ms alatt történt meg, ezért a kondenzátor teljesítménye:

      Pc = W / t = Ec / t = 0,00025515 J / 0,013 s = 0,0196 W = 19,6 mW

      Következő lépésként határozzuk meg az izzólámpán megjelenő teljesítményt. Ehhez először az izzó ellenállását kell megkapnunk. Mivel ismerjük az izzó paramétereit, ezért az ellenállás kiszámítása nem jelent problémát.

      Ri = U2 / P = 62 V / 0,6 W = 60 W

      Az ellenállás és a feszültség ismeretében kiszámolhatjuk az izzó teljesítményét a kisülés ideje alatt:

      Pi = Ui2 / Ri = (0,37 * 6)2 V / 60 W = 0,08214 W = 82,14 mW

      Ezek szerint a kondenzátor a kisülés alatt leadott 19,6 mW teljesítményt, ez létrehozta az ívkisülést és vele a plazmát, amely az izzónak átadott 82,14 mW villamos teljesítményt.

      A kondenzátor és az izzó közötti energiakülönbség szerint az ívkisülés hatásfoka:

      h = Pki / Pbe = Pi / Pc = 82,14 mW / 19,6 mW = 4,19 = 419 %

  • Emlékezzünk vissza a 3. kísérlet végén feltett kérdésre (lásd itt). Hová tűnik a kondenzátor feszültsége?

    Az első lehetséges válasz az, hogy talán nem is töltődik fel a kondenzátor 900 V-ra, hiszen a kisülések már kisebb feszültségeken is létrejöhetnek. De 6 V-on? Ez nem valószínű. Tapasztalati érték, hogy minden 1000 V kb. 1 mm-es szikraköz növekedést eredményez, tehát 5000 V kisül már 5 mm-es szikraköznél, de 1000 V csak 1 mm vagy annál kisebb távolságon indítaná be a kisülést. 6 V-os kisüléshez a szikraköz távolságának 0,006 mm körülinek kellene lennie vagy kisebbnek. A mi esetünkben viszont ez 1 mm körüli volt. 6 V nem sül ki 1 mm-es szikraközön.

 

Ez az 1 mm/1000 V-os tapasztalati érték normál légköri nyomásra, normál levegő összetételre és nedvességtartalomra értendő, ami a kísérletek során fenn is állt.

Ezek szerint a feszültségesés oka az, hogy a hiányzó feszültség (kb. 894 V) az ionizáció beindítására és a plazma gerjesztésére fordítódik, miközben a plazma energiájának csak egy kis töredéke jut az izzószálba villamos energia formájában.

Azt is figyelembe kell vennünk, hogy a plazma ebben az esetben egy feszültség-áram átalakítóként viselkedik, de 100 %-nál jóval nagyobb hatásfokon.

A feszültségesést megakadályozhatjuk valószínűleg azzal, hogy növeljük a fogyasztó – jelen esetben az izzólámpa – ellenállását, vagy pedig növeljük a kondenzátor gerjesztő áramát. Ennek igazolásához azonban további kísérletekre van szükség. Természetesen ha visszaemlékszünk arra, hogy Chernetsky professzor az ívkisüléses kísérleteiben 5 db 220 V-os izzólámpát kötött sorba terhelésnek, és mindegyik teljes fényerővel világított, miközben az izzók által felhasznált energia ötszöröse volt a bemeneti áramforrás leadott teljesítményének, akkor már bizonyítottnak vehetjük, hogy valóban meg kell növelnünk a gerjesztő áramot a feszültségesés elkerülése érdekében.

Óhatatlanul felmerül a kérdés, hogy ez mind szép és jó, de vajon mennyi energiát vesz fel az ionizáló a 220 V-os bemeneten?

Erre a kérdésre a következő kísérletsor adja meg a választ, melyet itt olvashatsz.

Megjegyzés:

A kísérletek során egy idő után tönkrement mind az analóg, mind pedig a digitális szkóp, mert a nagyfeszültség megtalálta bennük a külön bejáratú útjait. Ezért nincsenek szkópos ábrák a kísérletekről. A szkópok meghibásodása annak az óvintézkedésnek az ellenére történt, hogy földeletlenül csatlakoztak a hálózathoz. A földeletlen állapot mellesleg azt is eredményezte, hogy a megjelenő kóboráramok “csípőssé” tették az analóg szkóp méréshatár váltását, ezért csak gumikesztyűbe bújva tudtunk hozzányúlni a műszerhez.

A nagyfeszültség miatt légy óvatos a kísérletek során mind a saját, mind pedig a szkópod érdekében!!

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás