i
i
“Strnad-top” — 2010/6/16 — 13:06 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 17 (1989/1990)
Številka 3
Strani 168–171
Janez Strnad:
TOKOVNI TOP
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/17/982-Strnad.pdf
c© 1989 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
FIZIKR o • 'r', .. .. : >~
-' ~ - ,.., :;....) " ~. 1 ''.. ',",,1-' . ,;'1~
TOKOVNI TOP
Kmalu bo minilo sto sedemdeset let , kar je Hans Christian Oersted opazil, da
deluje vodnik s tokom na magnetnico. Samo dober teden zatem, ko je slišal za
Oerstedovo odkritje, je Andre Marie Arnpere spoznal, da delujeta vodnika s to-
kom drug na drugega . Med vzporednima vodni koma s tokovoma v ist i smeri
deluje privlačna sila, med vodnikoma s tokovoma v nasprotnih smereh pa od-
bojna sila. V naslednjih letih je Ampšre zavzeto delal poskuse in marsikaj
odkril. Med napravami, ki jih je pri tem uporabljal, je bil tudi tokovni top. Ko-
vinska prečka, ki je pravokotna na vzporedna vodnika in z njima sestavlja sk le-
njen električni krog, se pospešeno giblje proč od izvira. Za poskuse je pripraven
podkvast bakren vodnik, ki se giblje po žlebovih z živim srebrom (slika 1) . Ta -
ko dosežemo, da se prečka giblje brez velikega upora in je stik med deli kroga
dober. Poskuse s tokovnim topom so delali in opisovali tudi drugi fiziki, med
njim i James Clerk Maxwell, ki je leta 1873 objavil temeljno delo o električnem
in magnetnem polju - Razpravo o elektriki in magnetizmu.
Delovanja tokovnega topa v osnovi ni težko razumeti. Okoli vodnika s to-
kom nastane magnetno polje s krožnimi silnicami. Njihovo smer določa s svo -
jim vrtenjem desni vijak, ki leze v smer toka (slika 2) . To magnetno polje deluje
na prečko med vodni koma , po kateri teče tok, s silo navzven. Smer sile ma -
gnetnega polja na vodnik s tokom določimo lahko takole : palec desne roke
postavimo v smer toka, kazalec v smer magnetnega polja, sredinec pa kaže v
smeri sile . Sila na prečko deluje v enaki smeri, tudi ko obrnemo smer toka .
Podrobno pa sile na prečko v tokovnem topu v splošnem ni mogoče izra -
čunati. Prečka leži v ravnini , v kateri se konča tok po vzporednih vodnikih in v
kateri je polje precej zapleteno. Gibanje prečke je še teže izračunati, ker se ne-
nehno spreminja električni upor kroga in je treba upoštevat i tudi inducirano
napetost na preč ki pri gibanju po magnetnem polju . Geometrijsko je položaj
tako nepregleden , da je zelo težko zapisati osnovno ena čbo, ki podaja tok po
krogu, in ena čbo za gibanje prečke. Poleg tega sta obe enačbi tesno povezani .
Samo za zelo preprosto obliko kroga, ko nadomestimo žice z zelo širokimi t ra-
~
F~,~ ~~
Sl~ka 1. Tokovni top. kak ršnega je upora- ~
bl jal A .M . Amper pred skoraj 170 let i. L -~
169
kovi, je mogoče najti za posebne primere razmeroma preproste rešitve.
Tokovni top je zanimiv za fizike, ki se ukvarjajo s teorijo električnega in
magnetnega polja, in za tiste, ki delajo poskuse. Z vprašanjem, kako izračuna­
mo silo togega električnega kroga na drug tak krog ali na del drugega kroga ali
na del istega kroga, so se ukvarjali fiziki od Arnpera preko Maxwella do dana-
šnjih fizikov. Pomemben delež je prispeval leta 1869 tudi Jožef Stefan z raz-
pravo O osnovnih enačbah elektrodinamike. Vprašanje imamo lahko za rešeno
za primer, ko so vsi deli kroga in krogi popolnoma togi in mirujejo drug glede
na drugega . Vprašanje, kako je pri krogu z gibljivimi deli, pa vznemirja fizike
še dandanes: pri tem vsi niso enakega mnenja. Na težave, ki jih pri tem sreču­
jejo, smo že namignili pri tokovnem topu, saj sodi ta med kroge z gibljivimi deli.
Opišimo nekaj poskusov s tokovnimi topovi. Te poskuse delajo nekateri
zato, da bi bolje razumeli teorijske osnove, druge pa zanima uporaba tokovnih
topov . Pri poskusih uporabljajo kot nekdaj živosrebrni stik (slika 3) ali pa ko -
Slika 2. Silnice v polju ravnega vodnika s
tokom (železni opilki) in polje dveh ravnih
vodnikov, ki v tokovnem topu deluje s silo
na prečko; če obrnemo smer toka, se smer
sile ne spremeni .
8 iz r a vn in e 0 v r avn i n o
+
/ Il J .'"
1 I B 1 1
* 8 8 8 8 0 0 0
-1
&Sila
170
Slika 3. Tokovni top z živim srebrom,
kakršnega uporablja P. Graneau na tehni-
čni visoki šoli Massachusettsa.
vinsko prečko položijo med ploščata vodnika. Poskuse delajo tudi s prečko iz
plastične snovi, na katero položijo na zadnji strani kovinsko žičko. Žička izpa-
ri, ko vključijo tok, in v nastali kovinski pari nastane električni lok. Ta poganja
prečko pred seboj kot morski val poganja deskarja. Najteže je doseči v zelo
kratkem času dovolj velik tok in ga nato še kratek čas vzdrževati.
Že pred slabimi dvajsetimi leti so zgradili tokovni top na univerzi vavstral-
ski Canberri. Kot dinamostroj z majhnim uporom so uporabili tako imenovani
unipolarni generator. Ploščat kovinski valj so hitro zavrteli okoli geometrijske
osi v magnetnem polju, ki je vzporedno s to osjo. Dinamostroj je pognal velik
tok po krogu, brž ko je bil ta sklenjen. Sklenil ga je pomožni tokovni top. Velik
aluminijasti induktor je deloval kot kratkotrajno skladišče magnetne energije in
kot posrednik toka velikemu tokovnemu topu. Energija je dosegla 500 milijo-
Slika 4 . Veliki tokovni top z univerze v
Canberri : glavni tokovni top GT, prečka
iz plastične snovi - izstrelek P, žička,
pogosto iz tantala, Ž, pomožni tokovni
top, PT in prečka tega topa kot stikalo PP,
magnetno polje B, vrteča se plošča unipo-
larnega generatorja G, aluminijasti indu-
ktor za prenos toka A. Generator doseže
največ 1.6 milijona amperov, induktor v
povprečju čez kratek čas 0.5 milijona
amperov.