Indukce anebo pokus století
18. 2. 2011
Zařízení, které uchovává energii v magnetickém poli, se nazývá induktor (cívka) – jednoduché, a přitom důležité zařízení. Je tak jednoduché, že si ho vyrobíme sami doma, pouze pomocí několika nástrojů ze skříňky na nářadí našeho tatínka. Pokud budeme mít dvě cívky, které jsou spojené s magnetickým polem, pak si vytvoříme základní součást každého přístroje poháněného elektrickým proudem. Přidejte se k Michaelovi a uvidíte, jak jednoduché nápady vedou k technologiím, které mohou změnit svět.
Michael: Jako vědce mě fascinuje, jak jednoduché myšlenky mohou vést k technologiím, které změní svět.
Tereza: Mě jako ženu to taky fascinuje. Prosím tě, podívej se třeba pilník. Víš, co všechno to změnilo?
Michael: Terinko, já jsem měl na mysli asi něco jiného. Třeba tohle.
Filip: Rok 1821 přinesl do Londýna tři vzrušující události. Tou první byla zpráva o smrti císaře Napoleona, tou druhou samozřejmě korunovace krále Jiřího IV. Tou třetí byla elektřina.
Tereza: V Itálii totiž právě vynalezli baterii. A tak nejrůznější pokusy s elektřinou zkoušeli vědci po celém světě. Jenže té podivné elektrické síle přesto nikdo nerozuměl.
Filip: Tady je jeden takový pokus z té doby.
Tereza: Je to zvláštní. Když necháte vodičem procházet elektrický proud a v blízkosti umístíte kompas, jeho střelka se vychýlí kolmo k ose vodiče.
Filip: A je to tady. Pro jistotu schematicky: Do vodiče pouštíme proud. Střelka kompasu, která až dosud byla s osou vodiče rovnoběžná, se náhle otočí o 90 stupňů – kolmo k vodiči.
Michael: Tak byl poprvé pozorován vliv elektřiny na magnet.
Tereza: Ano, do té doby si totiž učenci mysleli, že tyto dvě síly – magnetismus a elektřina – existují zcela nezávisle na sobě. Úplně samostatně.
Michael: Toto byl vůbec první důkaz, že tyto dvě síly jsou nějak propojeny.
Tereza: Zatím zcela nevysvětlitelně.
Filip: Vědci byli bezradní. Jak to, že když se elektrická síla pohybuje vodičem v tomto směru, střelka kompasu směřuje jinam?
Tereza: To znamená, ne rovnoběžně.
Michael: Elektřina putuje tudy. Kompas ukazuje tam – kolmo. Jak tedy působí jedno na druhé?
Tereza: Ty, není to rozbité?
Filip: Největší vědecké kapacity té doby, členové Královské společnosti v Londýně, byly ohromeny. Pro tohle neměl vysvětlení nikdo z nich.
Michael: It was a young apprentice, a self-educated son of a blacksmith, who was to eventually provide an answer.
Tím, kdo nakonec přinesl odpověď, byl mladý učeň, samouk, syn kováře.
Tereza: Jmenoval se Michael. Ovšem Michael Faraday.
Tereza: Michael Faraday. Říká se, že podobně jako Einstein dokázal věci vidět jinak než my, obyčejní lidé. Uměl myslet obrazně, měl neuvěřitelnou schopnost porozumět svým experimentům, pochopit, co se během nich odehrává, a pojmenovat neviditelné.
Filip: Faraday provedl další pokus. Elektrický vodič, kterým procházel proud, umístil tentokrát do svislé polohy. Kolem něj pak postupně – systematicky – pokládal kompasy.
Tereza: Podle tehdejšího chápání všechny síly směřovaly v přímých siločarách. Faraday však přemýšlel jinak.
Filip: Představil si, že elektrický vodič obklopovaly neviditelné siločáry. Také z magnetu vycházejí podobné siločáry. Když je zachytí elektrický proud, střelka kompasu se vychýlí, podobně jako vlajka ve větru.
Michael: So Faraday had shown that by changing electric field one could generate a magnetic field. And to prove this point he performed this next experiment.
Faraday tedy ukázal, že změnou elektrického pole se vybudí pole magnetické. Aby to dokázal, provedl následující pokus.
All you need is an iron nail, screw and some enamel coated copper wire. Because it is enamel coated, we’re going to have to carefully with a knife remove the end.
Potřebujete jen železný hřebík, šroub a trochu smaltem potaženého měděného drátu. Protože je smaltovaný, musíme jej nožem opatrně odizolovat.
This is the bit that requires the patience. We need to wrap the wire carefully around screw.
Tahle část vyžaduje trpělivost. Drát musíme opatrně omotat kolem šroubu.
The closer the turns are together, the stronger the electromagnetic force we’re going to achieve.
Čím blíže jsou závity, tím silnější elektromagnetickou sílu získáme.
I need my power supply.
Potřebuji zdroj energie.
Filip: Jak zdroj postačí devítivoltová baterie. Na její kladný pól napojíme první kabel.
Michael: Small iron nails.
Železné hřebíčky.
Filip: A druhý kabel na záporný pól baterie. A teď sledujte.
Michael: By passing the electric current wrapped around the iron nail we have induced a magnetic field. We have formed an electromagnet.
Když drátem, omotaným kolem železného hřebíku, protéká elektrický proud, indukujeme magnetické pole. Vytvořili jsme elektromagnet.
If I cut away the power supply the magnet’s gone.
Když přeruším proud, magnet je pryč.
But Faraday’s great leap of imagination was that he turned the entire experiment on its head. Instead of an electrified wire causing a movement in a magnet …
Faradayův velký dar představivosti byl v tom, že postavil celý experiment vzhůru nohama. Místo aby drát s proudem vyvolal pohyb v magnetu,…
Tereza: Faraday přemýšlel, zda dokáže opak: tedy pomocí statického magnetu rozpohybovat volně visící drát, kterým procházel elektrický proud. Tohle byl pokus století a jeden z vůbec nejdůležitějších objevů! Je to objev elektrického motoru.
Filip: Když zvětšíte maličký Faradayův magnet a pár stejných ještě přidáte, a když rtuť nahradíte dráty, získáte princip pohonu, na němž fungují všechny točící se elektrické přístroje.
Tereza: Královna Viktorie stejně jako řada politiků tehdy pochybovala o významu Faradayovy práce. A jak jim Faraday odpověděl?
Michael: One day Sir, you will be able to tax it.
Jednou to bude moci zdanit, pane.
Filip: Faraday tak odstartoval to, co Einstein později nazval Velkou revolucí.
Tereza: Představte si, že toto je jen jeden z mnoha plodů Faradayovy práce.
Michael: An electricity generator.
Tereza: A právě takové generátory vyrábějí elektrickou energii pro naše domácnosti. Takže my se můžeme dívat na televizi a hrát na počítači a nemusíme držet černou hodinku.
Michael: A je dobré si uvědomit,
that it is all electricity generators – not just these water turbines, but wind turbines, steam turbines, turbines driven by the combustion of fossil fuels or nuclear fission, they are all based on the same principle as set out by Faraday.
že všechny elektrické generátory – ne jen tyto vodní turbíny, ale i turbíny větrné, parní, turbíny poháněné spalováním fosilních paliv, nebo rozpadem atomů, všechny jsou založeny na tomtéž principu, který vymyslel Faraday.
Filip: Nechte se inspirovat Faradayovým průkopnickým výzkumem a postavte si malý jednoduchý generátor proudu. Stačí čtveřice permanentních magnetů a hřebík.
Tereza: Na oboustrannou lepicí pásku přilepíme dva kousíčky lepenky. Ty zajistí štěrbinu pro hřebík – to bude osa generátoru.
Filip: Tady je rotor našeho generátoru. Ke zhotovení statoru potřebujeme pruh lepenky. Ten si nalomíme, aby se lépe ohýbal do tvaru tohoto hranolu.
Tereza: Na větších stranách hranolu si jednoduše v průsečíku úhlopříček najdeme místo, kudy povede osa rotoru.
Filip: Tedy – kudy prostrčíme hřebík. Kostru statoru slepíme a připravíme si měděný drátek. Ten náš měl dvě desetiny milimetru a byl smaltovaný – tedy izolovaný!
Tereza: Jeho konec s asi dvaceti volnými centimetry přilepíme ke statoru a motáme.
Filip: Namotat musíme 300 závitů, které vytvoří cívku statoru.
Tereza: Plamenem opálíme izolaci drátku na obou koncích, k nimž připojíme oba vývody světelné diody.
Filip: Nejlepší je tato červená, stačí jí nejnižší napětí.
Tereza: Statorem prostrčíme hřebík a z obou stran k němu přilepíme magnety rotoru. Hotovo!
Filip: Okamžik napětí – funguje!
Michael: And that´s it! A vision, an idea, and a world-changing technology.
A je to! Vize, nápad a technologie, která mění svět.
Tereza: Po Faradayovi samozřejmě nastoupila dlouhá řada vědců a inženýrů, kteří dále zlepšovali a zdokonalovali jeho práci. Až jsme stanuli na prahu technologií dneška.
Michael: A co když to bude právě někdo z vás, kdo překročí tento práh a otevře cestu technologiím budoucnosti?
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough