А.Г.НОВАК,
лицей № 6, г. Тольятти

Модели дуги Петрова и свечи Яблочкова

Работа с мощной дуговой лампой заводского производства требует достаточно высокой инженерной квалификации демонстратора, иначе часто перегорают балластные сопротивления и источники тока. Такую лампу вполне можно заменить самодельными моделями – «мини-дугой» Петрова и «мини-свечой» Яблочкова, которые эффектны в демонстрации, не боятся коротких замыканий и, будучи закрыты оконным или электроламповым стеклом, позволяют учащимся рассмотреть их устройство.

Высоковольтный трансформатор

Для начала необходимо сделать высоковольтный источник тока с большим внутренним сопротивлением. Его делаем из дроссельной катушки и школьного универсального трансформатора (УТ). Число витков дроссельной катушки превышает в 3,6 раза число витков сетевой катушки УТ, поэтому, включив дроссельную катушку в качестве вторичной обмотки УТ и меняя с помощью лабораторного автотрансформатора напряжение на первичной обмотке УТ от 0 до 250 В, на выходе можно получить напряжение до 250 В 3,6 = 900 В.

Замкнём выходную цепь полученного трансформатора на реостат сопротивлением не менее 1000 Ом, выдерживающий силу тока 0,4 А. Последовательно с реостатом включим миллиамперметр (0–400 мА). Постепенно уменьшая сопротивление реостата, убеждаемся в том, что ток короткого замыкания вторичной цепи не превышает 400 мА и не вызывает перегрева обмоток трансформатора. Этот результат полезно использовать при изучении темы «Трансформатор» (продемонстрировать работу УТ с различными коэффициентами трансформации, в том числе и в режиме короткого замыкания при напряжении 220 В в первичной цепи).

Возникает вопрос: нельзя ли подключать нагрузку малого сопротивления непосредственно к выходу УТ? Другими словами, можно ли замыкать накоротко его низковольтные обмотки, если первичная обмотка подключена к сети 220 В? Используя реостат и амперметр, убеждаемся, что режим короткого замыкания в этих случаях недопустим. Теперь ставим аналогичный опыт с дроссельной катушкой. Выясняем, что дроссельная катушка, обладая значительным индуктивным сопротивлением, не боится коротких замыканий.

Модели дуги Петрова и свечи Яблочкова

Для изготовления модели электрической дуги Петрова требуются тонкие, прочные, плохо проводящие тепло проводники. Подходят стержни для карандашей, прокалённые в течение нескольких минут в вытяжном шкафу химкабинета или на открытом воздухе. Стержни закрепляем горизонтально в отверстиях в стойке. Они очень хрупкие, поэтому на концы надеваем мягкую проволочную оплётку (например, от экранированных монтажных проводов) и прижимаем сверху болтами. В качестве источника тока можно взять самодельный описанный выше трансформатор, выпрямитель ВС 24М, вышедший из употребления автотрансформатор для киноаппаратов и т.п.

Теперь можно ставить опыты по изучению теплового и светового действий тока. Стержни накрываем рассеивателем света или каким-нибудь стеклянным колпаком и подключаем к источнику тока.

Модель дуги Петрова или стерженьковой лампы Лодыгина

Собственно, у нас получилась модель стерженьковой лампы накаливания Лодыгина. Такие лампы требовали больших токов. Кроме того, вставала проблема впаивания толстых электродов в защитные стеклянные колбы. Эта проблема была блестяще решена Т.-А.Эдисоном, который заменил толстые стержни тонкими длинными нитями, которые разогревались в вакууме в результате пропускания малого тока.

Итак, два стержня разогреваем электрическим током. В месте неплотного контакта они сначала искрят, и учащиеся наблюдают, как плохой, искрящий контакт электрической цепи превращается в яркий дуговой разряд. Именно это явление часто становится причиной разрушения колб ламп, а то и пожара. Через несколько минут электроды выгорают, расстояние между ними становится слишком большим, дуга гаснет. Возникает проблема: как продлить горение дуги? Сближать стержни (вручную или автоматически) – в некотором роде решение, но далеко не лучшее.

Начинаются поиски «свечи Яблочкова». После обсуждения показываем действующую модель «электрической свечи». Её нетрудно изготовить из плоского медного провода 10  2 мм, применяемого в обмотках сварочных трансформаторов.

Изготавливаем пружинящие медные контакты. Два отрезка указанного провода длиной приблизительно по 7 см складываем вместе широкими сторонами и закрепляем вертикально в тисках. Посередине сборки высверливаем (или выпиливаем надфилем) вертикальные канавки (глубиной около 1 мм и длиной 12 мм) под круглые стержни, которые мы будем зажимать между контактами. Сгибаем оба отрезка под прямым углом и закрепляем их болтами на толстой фанере с зазором 4 мм. В зазор вставляем тонкое покровное стекло. Полученную пару пружинящих контактов подсоединяем к клеммам, от которых идут провода к источнику тока.

Прокалённые стержни покрываем вязким раствором каолина, оставляя чистыми концы длиной около 15 мм для соединения с контактами. Каолиновое покрытие наносим кисточкой несколько раз до получения ровного слоя толщиной около 1 мм, каждый раз оставляя просыхать. Через несколько часов стержни закрепляем в пружинящих контактах, подключаем их к трансформатору и «поджигаем» с помощью заточенного карандаша (на карандаш для изоляции надеваем плотный кембрик, резиновую трубку или изоленту).

Можно сделать более простой вариант. Возьмём перегоревшую лампу накаливания (150 Вт), в которой сохранились целыми токовводы. Освобождаемся от колбы и стеклянного штабика с крючками. На никелевых токовводах закрепляем покрытые каолином стержни. Полученную «свечу» вкручиваем в патрон – модель готова к работе. После зажигания такую свечу можно закрыть колбой от той же лампы.

Источник постоянного тока

Источник переменного напряжения 0900 В легко превратить в источник регулируемого постоянного напряжения 01000 В, подключив к выводам вторичной обмотки трансформатора диодный мостик с простейшим конденсаторным фильтром. С помощью такого источника можно проверять, при каком напряжении зажигаются лампы дневного света, как работает электрометр в качестве электростатического вольтметра, поставить опыт-иллюстрацию к дискуссии о том, кто являлся первооткрывателем взаимодействия между проводником с током и магнитной стрелкой – итальянец Романьози или датчанин Эрстед. Моделируем опыт Романьози: закрепляем на одном полюсе источника постоянного напряжения алюминиевую пластину, а возле неё на расстоянии около 5 мм располагаем вращающуюся на острие магнитную стрелку. Постепенно повышая напряжение источника, обнаруживаем электростатическое взаимодействие пластины и магнитной стрелки (притяжение и последующее отталкивание). Соотечественник Романьози, историк науки М.Льоцци, полагает, что тот в лучшем случае мог наблюдать электростатическое взаимодействие одного из полюсов незамкнутого вольтова столба с намагниченной иглой на подвесе.