FIRKA-műhely 5.: Ellenállások önmelegedése fizikus szemmel

FIRKA-műhely beszámoló

Tudjuk, hogy a meleg ellenállás is pont ugyanúgy néz ki, mint a hideg, ... csak más a fogása.

.

2021. december 16-án, 18 órától került sor az 5. FIRKA-műhely előadásra. (Az előadás visszanézhető itt.)

Dr. Simon Alpár, a BBTE Magyar Fizika Intézetének docense, az Ellenállások önmelegedése fizikus szemmel című bemutatójában egy -  a kísérleti fizika vizsgálati témaköréből származó -  egyszerű kísérlet segítségével mutatta be, milyen is a fizikus szemével látni és érteni mindazt, amit egy laikus a "bekapcsoltuk, s leégett" tőmondatban letudna.
Már az előadás első perceiben megtudtuk, hogy a fogalmak tisztázása elengedhetetlen bármilyen jelenség tudományos igénnyel történő vizsgálata esetén. A magyar nyelvben az ellenállás megnevezéssel nem csupán a leggyakrabban előforduló áramköri alkatelemet, mint tárgyat illetjük, hanem a rezisztencia néven ismert elektromos ellenállást, mint fizikai mennyiséget is így nevezzük. Figyelni kell a precíz fogalomhasználatra. 

Az előadás címében is megjelenő önmelegedés pedig arra az ellenállás belsejében végbemenő melegedési folyamatra utal, mely nem külső tényező hatására jön létre. Az ellenállások esetében ezt a jelenséget a Joule-Lenz-törvény írja le. (Q=I2Rt). Tudni kell, hogy az ellenállás az áramerősség szabályozás során nem tárol sem töltést, sem elektromos, vagy mágneses energiát, csupán a felvett elektromos teljesítmény egy részét alakítja át hővé és ezt sugárzással adja át a környezetének (diszipálja). Ezen elv alapján működnek a mindennapjaink során használt háztartási eszközök, szerszámok némelyike, pl. a villanybojler, a főzőlap, a vasaló, a forrasztópáka, vagy a hajszárító. Előfordulnak olyan esetek, amikor ez a hőhatás meghaladja a megengedett mértéket, ami már probléma lehet. Hogy ezt megelőzzük, ismernünk kell a hőmérsékletet az ellenállás (majdnem) minden pontjában, és tudnunk kell hogy ez miként változik az idő és/vagy az áramerősség függvényében. Ehhez pedig kísérletezni és mérni kell!

Az előadás során ismertetett laborkísérlet erre a törekvésre irányult.

Multiméterek, szabályozható feszültségforrás felhasználásával történtek a kezdeti megfigyelések, kísérletezések.

13

Ha a kísérlet során vizsgált ellenállást laikus szemmel néznénk, aligha tudnánk nyomon követni a folyamatot.

4

Egy hőkamera használatával már kimutatható az ellenállás hősugárzásának infravörös tartományban végbemenő változása és mértéke, azonban ez utóbbi pontos követésére már a hőkamera képe sem elégséges. Hogy pontosabb mérési eredményeket kapjunk, szükséges volt a vizsgált ellenállásra  hőszenzorokat rögzíteni.

Mikrokontroller vezérelte mérések sorozata során, az ellenállás felületének különböző pontjaira rögzített hőmérséklet-szenzorok segítségével pontos mérési eredményekhez juthatunk, melyeket a valós idejű grafikus megjelenítés révén már részletesebben lehetet analizálni. 

6

A  fenti képen a kísérlet során használt, több mint 5 cm hosszúságú ellenállás látható, melyről eltávolították a külső szigetelő réteget.

78

A kísérlet összeállítása az alábbi képen látható: 

9

Az Arduino mikrokontroller segítségével a szenzorok mérési értékei grafikusan is megjeleníthetőek. Ezeken egyenként nyomon követhetők a szenzorok mérési értékei. Jól látható az ellenállásban zajló - az áram bekapcsolása és kikapcsolása közt végbemenő - hőmérsékletváltozás. A görbékről leolvasható, hogy az 1. és 7. szenzorok, melyek a végekre voltak rögzítve, a bekapcsolást követően picit később mértek hőmérsékletemelkedést, illetve a kikapcsoláskor csökkenést, ellentétben a többi szenzorral. 

101112

A beszámoló elején linkelt YouTube-videót követve, érthetővé válnak a kísérlet különböző momentumai közti összefüggések. Olyan részletek derülnek ki, melyek létezéséről nem lenne tudomásunk, ha nem a kísérleti fizika eszközeivel igyekeznénk a témát körül járni.

A bemutatott videófelvételből láthatóvá vált, hogy áram hatására az ellenállás a közepétől kiindulva a végei fele kezd el melegedni, majd az áram kikapcsolása után a lehűlési folyamat fordított sorrendben zajlik (végektől a felhevűltebb közép rész felé).

A mérési eredmények igazolták, hogy bár a melegedés nagyon gyorsan következik be, az ellenállás középső része előbb melegedik, mint a végei. Elegendő hosszú idő elteltével hőegyensúly és állandó hőmérséklet figyelhető meg. Nagy áramerősség esetén extrém hőhatás is létrejöhet, visszafordíthatatlan károkat okozva az ellenállás szerkezetében.

13

Kétségtelen, hogy fontos kutatni, megismerni az ellenállások önmelegedési folyamatát. Érdekes lenne vizsgálni, hogy például milyen folyamatok játszódnak le akkor, amikor a villamos energiamennyiséget nagyon rövid impulzusok során adjuk át az ellenállásnak.

Dr. Simon Alpár előadása egy látványos iskolapéldája volt annak, hogy a legegyszerűbbnek tűnő, szinte már  evidenciaként kezelt folyamatok mögött, érdekes, s néha meglepő sajátosságok rejtőznek, olyasmik, melyek vizsgálata még napjainkban is igazi kihívást jelent a fizikusok számára.