7.37. Hétköznapi elektromosságtan

A kísérletek célja 

Hétköznapokban gyakran előforduló elektromos eszközök megismerése

a) Fázis, fázisceruza

Szükséges anyagok, eszközök

• 230 V konnektor
• Fázisceruza
• Hálózati elosztó kapcsolóval (hosszabbító vezetékkel)

Leírás

Egy konnektor két kivezetése („lyuk”) közül csak az egyik van feszültség alatt, ez az ún. fázisvezeték. A másik vezetékben a földhöz képest nincs feszültség, ezt nulla vezetéknek nevezzük. A manapság használt konnektorokban van még földelésérintkező is, amely hibás működés esetén elvezeti a fölös töltéseket, így védve a felhasználót.

Hogy egy konnektor feszültség alatt van-e, egy ún. fázisceruzával ellenőrizhető. Az eszköz első látásra csavarhúzónak tűnik, ám műanyag nyelébe egy nagy ellenállást és miniatűr gázkisülési csövet (ún. glimmlámpa) építettek, sorba kötve. A soros tag egyik vége a csavarhúzó résszel, másik vége a nyél végén kiképzett fém lezárócsavarral érintkezik. A csavarhúzós részt a 230 V‑hoz (a fázishoz) érintve és a fém zárócsavart kezünkkel érintve, testünk csekély átvezetését kihasználva a hálózati feszültség egy része (kb. 100V) megjelent a glimmlámpa két vége között, s az vöröses színben felfénylik. 

Vigyázat!

Fázisceruzával sajnos sosem lehetünk teljesen biztosak, hogy a vizsgált eszköz tényleg feszültségmentes. Előfordulhat, hogy az eszközön és a vizsgáló személyen valamilyen okból nem folyik át az áram a földbe, ekkor a glimmlámpa nem világít. A konnektorba mindig csak a fázisceruzát dugja bele, más tárgyat ne, és figyeljen arra, hogy a másik végét mérésnél megérintse, de más fém részhez ne érjen!

Feladatok

• Ellenőrizze egy fázisceruza segítségével, hogy melyik lyuk a fázis egy tetszőleges helyiségben. Ellenőrizzük, hogy szabványos-e! Szokás szerint (igényes munka esetén) bal oldalon kell a fázisnak lenni.
• Egy kapcsolós elosztót dugjon be egy ismert fázis-nulla elosztású konnektorba. Vizsgálja meg az elosztót ki- és bekapcsolt állapotban a fázisceruzával! Miután megvizsgálta az elosztót, fordítsa meg annak dugalját a konnektorban és ismételje meg a vizsgálatot! Mit állíthatunk az elosztó kapcsolójának működéséről: mindkét szálat (fázis és nulla) megszakítja a kapcsoló, vagy csak az egyiket a kettő közül?

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Hibás működés esetén miért a földelésen folyik inkább az áram, mint egy emberen keresztül? Adjon középiskolai szintű választ!
• Mekkora a fázis és a nulla között mérhető maximális feszültség értéke? Mit jelent a konnektorban levő váltófeszültség effektív értéke?
• Milyen anyagból készült cipőt viselve fordulhat elő, hogy a fázisceruza hibásan nem jelez feszültséget?
• Normál működés esetén maximum mekkora áram folyik át rajtunk, ha a glimmlámpa felvillan? (Az előtét ellenállás értéke 250kΩ, a vizsgáló személy ellenállásától eltekinthetünk.)
• Hogyan működik az ún. érintés nélküli fázisceruza?

b) Kismegszakító 

Szükséges eszközök

• Tápegység (nagy, kb. 5A áramerőséget bíró)
• 2A névleges maximális áramerősségű kismegszakító (C típusú)
• Vezetékek
• 10A méréshatárú áramerősségmérő
• Változtatható ellenállás (11 ohm, 5A)

Leírás

Készítsünk egy soros kapcsolást az alábbi elemekből: tápegység (4 V váltófeszültséggel), 11 ohmos tolóellenállás (középállásban), kismegszakító, áramerősségmérő műszer (10 A méréshatás, váltóáram), a következő ábrának megfelelően.

A fázisceruzával csavarozza be a kábelek banándugóját a kismegszakító érintkező csatlakozójába. Fokozatosan, lassan állítsa a tolóellenállás értékét egyre kisebbre, így növelve az átfolyó áram erősségét.

Feladat

• Állítsa össze az áramkört és növelje lassan (néha 5-10 másodperces szünetet tartva), a készüléken az áramerősséget 2A à 3A à 4A stb. értékekre, míg a kismegszakító megszakítja az áramkört. Mekkora áramerősségnél oldott ki a megszakító?

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• A kísérletben elvégzett lassú áramerősség-növelésekor az áram mely hatására, illetve a kismegszakító mely alkatrésze hatására kapcsolt le a biztosíték? 
• Magyarázza meg, miért lehetséges, hogy a kísérlet egyenárammal is működne az amúgy váltóáramra tervezett kismegszakító esetében!

Módszertani kiegészítések

• Bár mindennap számtalanszor használjuk az elektromos berendezéseinket, túl sokszor nem gondolunk utána működésüknek. Emellett – fizikatanárként – hasznosnak tűnik, hogy a hálózatban bekövetkező esetleges hiba esetére, főleg a lehetséges balesetek elkerülése céljából, rendelkezzünk a szükséges minimális alapismeretekkel. Ezen kísérletek egyik célja annak bemutatása, hogy egyszerű eszközökkel, minimális ismeretekkel és kellő odafigyeléssel teljesen biztonságosan dolgozhatunk váltóárammal a fizikaórákon is.
• Viszonylag kis – kb. 30 mA áramerősségű – áramok is már nagyon veszélyesek lehetnek. A biztonságos használathoz éppen ezért a már alacsony áramerősségű szivárgó áram esetén is biztonsági kioldó, ún. FI-relé (áramvédelmi relé) használata javasolt.

Azonban nem szivárgó áramok (pl. rövidzárak) is előállhatnak, melyek jelentős (15+ A) áramerősségűek, így puszta hőtermelésükkel is veszélyesek a falban futó vezetékekre és csatlakozásaikra, vagy a hibásan működő fogyasztókra, s okozhatnak rossz esetben akár tüzet is. A túl nagy áramok ellen védekezhetünk olvadó biztosítékokkal, melyekben egy vékony vezetőszál túl nagy áram esetén egyszerűen elolvad, így szakítva meg az áramkört. Az ilyen biztosítékok használata egyszerű, de költséges lehet, és persze időigényes is, ha épp nincs elérhető tartalék biztosíték.

Éppen ezért a háztartásokban elterjedtebb az ún. automata biztosíték vagy kismegszakító, melyek túláram esetén leoldanak, de ha megszűntetjük a túláram okát – pl. mikrohullámú sütő, vízforraló és mosógép együttes vagy egy hibás, zárlatos eszköz (rövidzár) használatát –, akkor újra visszakapcsolható az áramkör.

A kismegszakító működési elvét az alábbi ábrákon szemléltethetjük. Kismegszakító felépítése: a villanyórából jövő fázist a kábel csatlakozókra kell kötni, majd onnan továbbvezetni a háztartás felé. A kapcsolóval zárjuk az áramkört (azaz helyezzük áram alá a fogyasztókat), mely túláram esetén nyitja az áramkört.

Rövidzár / zárlatos fogyasztó esetén nagyon nagy áram (30+ A) folyhat. Ilyenkor a kapcsolóval párhuzamosan kötött áramkörben levő elektromágnes magához vonzza az ankert, ami a kapcsolót elforgatva nyitja az áramkört.

Túlterhelés esetén (típustól függően 5A, 10A 15A esetén) a bimetál szalag felmelegszik, elgörbül, elforgatja a kapcsolót, mely nyitja az áramkört.

Megjegyzés

A kismegszakítók különböző karakterisztikákkal rendelkeznek. Például egy „B” karakterisztikával rendelkező túláram-védelmi készülék esetében a késleltetés nélküli elektromágneses gyors kioldó a névleges áram 3-5-szörösére van állítva. Vagyis egy B10-es kismegszakító esetében azt fogja jelenteni, hogy a késleltetés nélküli pillanatkioldó 30A és 50A közötti tartományban fog megszólalni. Jellemzően ohm-os fogyasztók túláram védelmére alkalmazhatóak, mint például elektromos tűzhely, hőtárolós vízmelegítő vagy elektromos fűtőkészülékek stb. Egy „C” karakterisztikával rendelkező kismegszakító késleltetés nélküli gyors kioldója a névleges áram érték 5-10-szerese, melyeket olyan esetben szoktak bekötni, mikor a fogyasztó normál működés esetén is rövid ideig nagy áramot használ (pl. indukciós tűzhely).