Jacob's Ladder (Jakobov rebrík)


       Je to jednoduchý experiment stúpajúceho elektrického oblúku zdola nahor po elektródach tvaru V. Na experiment je potrebný akýkoľvek mäkký, či prúdovo limitovaný VN zdroj (AC/DC) s dostatočným výkonom niekoľko stoviek W. Malo výkonné VN zdroje sú problematické kvôli slabému oblúku, čiže (ne)vznikajúcej plazme, oblúk nemusí pekne stúpať až nahor, ale tiež sú niekedy použiteľné ak nie je dostupné nič lepšie (nutnosť precíznejších a rovnejších elektród). Ako už z fotiek vidieť, sú to 2 drôty (elektródy) vytvarované do písmena V. Pri spodku sú elektródy blízko pri sebe s medzerou primeranou veľkosti napätia použitého VN zdroja a pomaly sa odďaľujú až nahor. Pochopiteľne spodok je riešený vhodne vysoko nad podložkou, aby neostal oblúk dole a „nenalepil“ sa na spodok podložky rebríka (ešte lepšie, ak podložka je len drevo). Vhodná výška a uhol elektród závisia od použitého VN zdroja, výkonu a napätia. Tiež je ideálne použiť na elektródy dostatočne hrubý a pevný materiál (pásoviny, hrubé zváračské drôty...), ktorý sa nebude taviť, priveľmi opaľovať, prehýnať a kývať od stúpajúceho oblúku. V najmenšej medzere dole sa zapáli oblúk a stúpa nahor až sa v kritickom mieste, teda v kritickej dĺžke oblúka pretrhne. Plazma zaniká a zároveň sa hneď zapaľuje nový oblúk dole a celý proces sa takto opakuje. Zaujímavé je tiež použiť rôzne materiály elektród pre rôzne zafarbenie plazmy oblúka - meď, hliník, železo... Vysoká teplota plazmy (tisíce °C) taví kov a potom horia pary kovu, ktoré zafarbujú plazmu výboja.

Princíp Jakobovho rebríka
       Princíp Jakobovho rebríka je jednoduchý, v oblúku vzniká ionizáciou horúca plazma (tisíce °C), ktorá ohrieva okolitý vzduch a ten aj s oblúkom a plazmou stúpajú vždy nahor. Dostal som sa tiež k názorom, že je to vďaka elektromagnetickému poľu, elektrodynamickým silám resp. magnetickým vyfukovaním oblúka smerom nahor a pod., ale ak by tu bol elektromagnetický princíp, potom by to nezáviselo od polohy vodičov, stačí však rebrík otočiť naopak alebo dať vodorovne a nič sa šíriť po vodičoch nebude. Pričom elektromagnetické pole sme nezmenili, čiže príčina je jedine v hustote plazmy oblúka, teda jeho teplote (preto aj tá podmienka dostatočne výkonného zdroja pre vznik plazmy). Isté sú tam aj iné sily (Lorentzova), ale sú zanedbateľne malé v takýchto „bežných“ rebríkoch. Neviem si predstaviť, ako také malé elektromagnetické pole, ktoré tam vzniká niečo vytláča. Jedine teoretický áno, ale v realite vplyv hustoty oblúku, čiže jeho teploty je mnohonásobne väčší. Ak má niekto iný názor aj s vysvetlením a odôvodnením tak sem s ním inak je to vďaka vysokej teplote plazmy oblúku.

Update (30.4.2019):
       Konečne som sa dostal k odborným informáciám z knihy Techniky vysokého napätia o tejto problematike a hlavne aj ku konkrétnym číslam. O horiacom oblúku, jeho správaní a zvláštnostiach chovania je tam toho na niekoľko strán, tak len stručne. Elektrodynamické sily na oblúk majú vplyv, háčik je však ten, že do 300A sa ešte elektrodynamické sily v oblúku neprejavujú a značne prejavovať sa začínajú až od 500A vyššie, kedy je oblúk viac naťahovaný, deformovaný, začína sa krútiť a prípadne ide do boku po vodorovnom vedení. Ale to sa bavíme o prúdoch nad 500A až hore nad 1000A. Do 300A tu nie je v podstate žiadny vplyv na oblúk a hrá tu rolu len vysoká teplota plazmy a prúdiaci horúci vzduch nahor.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder

Použiteľné VN zdroje
       Použiteľné VN zdroje sú v podstate akékoľvek striedavé (VF/50Hz) alebo jednosmerné, ktoré majú dostatočný výkon ideálne v stovkách W a je možné ich skratovať. Nejaké mäkké zdroje VN alebo tvrdé s limitáciou prúdu. Čo sa týka napätia tak povedzme aspoň 8kV a viac. Primalé napätie je problematické pretože je nutné dať veľmi blízko k sebe elektródy pri spodku rebríka. Kvôli čomu pravdaže bude oblúk odmietať stúpať nahor a ostane tam taviť elektródy. Preto je nutná určitá minimálna vzdialenosť elektród pri spodku rebríka a tým aj určitá výška napätia. Alebo to riešiť ručným zapaľovaním, či videl som už aj riešenia s rezistorom na zapálenie oblúka.

       Dobrým príkladom je tu MOT (Microwawe oven transformer) transformátor z mikrovlnnej rúry, kde je len 2,1-2,3kV čo je veľmi málo, lepšie je spojiť aspoň 2 MOTy do série, ale aj tak je to stále málo. Potom je nutné zapaľovať oblúk ručne pri väčšej vzdialenosti elektród, aby po zapálení oblúku stúpal nahor, ale to už nie je celkom ono aj keď neskôr som s MOTmi spravil perfektný veľký Jakobov rebrík, no zapaľoval som výboj ručne. Viac informácií o MOTe nájdete tu.

       Veľmi dobrý je ZVS driver pre VN transformátory z TV a CRT monitorov. Keďže so zväčšujúcim sa oblúkom rastie výkon a ešte viac hrubne a predlžuje sa plazma výboja, čo je nesmierna výhoda pre tento experiment. Pravdaže aj rôzne iné budiče pre VN transformátory z TV a CRT s dostatočným výkonom, ale ZVS driver vyhráva jednoduchosťou a parametrami. Schéma a viac informácií o ZVS Driveru nájdete tu.

       Potom VN transformátory z neónových reklám tzv. NST (Neon Sign Transformer) sú výborné a vhodné na tento experiment, ktoré je však u nás problematické zohnať. Je to rozptylový transformátor, čiže dostatočne mäkký bez nutnosti limitácie prúdu s dostatočným napätím cca 6-12kV pri 50Hz. Môže pracovať trvale v stave nakrátko. Ideálny, ako stvorený pre Jacob’s Ladder bežných, nie extrémnych rozmerov. Viac informácií o NST nájdete tu.

       Posledné by som ešte spomenul PTN (prístrojové transformátory napätia – meracie transformátory), čo už je ešte väčší extrém a oveľa nebezpečnejšie, ako použitie MOTu. Napätie podľa typu PTN zvyčajne najbežnejšie 22kV. Primár 22kV a sekundár 100V pre meracie prístroje vo VN rozvodniach. Výkon podľa štítku 500-600VA, ale PTN sú dosť predimenzované, ako výkonovo tak napäťovo, výkonovo hlavne tie staršie a pri novších by som viac veril izolácií. Viac informácií o PTN nájdete tu.


Fotky jednotlivých Jakobových rebríkov s rôznými VN zdrojmi:

ZVS Driver, 30kV DC, filtrácia
       Jacob’s ladder spravený so ZVS Driverom s IHVT CRT monitora pri príkone 500W, napätie 30kV, filtrácia 40mF. Vidieť tu celkom pekne kontinuálny oblúk, ako stúpa zdola nahor a je celý priestor vyplnený plazmou.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder - zboku Jacob's Ladder




ZVS Driver, 30kV DC, bez filtrácie
       Opäť rovnaký zdroj a VN transformátor, ale tentoraz odpojená filtrácia. Krásne vidieť v plazme, ako je prerušovaná 100Hz napájaním ZVS Driveru. Fotoaparát sníma s dlhšou expozíciou a ako sa v čase presúva oblúk nahor je snímaný a vidieť jeho priebeh v čase, ako zhasína a zosilňuje oblúk/plazma. Použitý zdroj VN je jednosmerný - je vidieť mierny rozdiel opaľovania elektród pri lepšom pohľade na prvú fotku.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder

Push-Pull budič s VCO 4046, 25kV DC
       Toto už je Jakobov rebrík robený o par rokov neskôr po predošlých fotkách vyššie. Fotené zrkadlovkou Nikon D3200 a svetelným objektívom NIKKOR 35mm f/1.8 s dlhou expozíciou. Všetky fotky sú fotené pri ISO 100, prvá fotka s expozíciou 1s, clonou f/3.5 a posledná 0,62s a clona f/2. Ostatné fotky sú s vyššími clonami, aby lepšie vynikla plazma, resp. medzery v plazme. Tie vznikajú nedostatočnou pripojenou filtráciou, čiže vidieť tam 100Hz, ako zhasína výboj. Zdroj je Push-Pull budič s VCO 4046 a IHVT transformátorom z TV - 25kV DC pri príkone budiča 600W. Tu už vidieť podstatne lepšie správanie sa oblúka pri DC napätí, ako sa viac opaľuje jedna strana elektródy. Na ľavo je zem (PE) a v pravo +25kV.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder

Push-Pull budič s VCO 4046, 18kV AC
       Znova všetko rovnaké, ako v predošlom prípade. Jediná zmena je v použití striedavého VN transformátora z TV bez diódy. Napätie je tu 18kV AC. Pekne vidieť rozdielne sa správanie oblúka a opaľovanie elektród v porovnaní s použitím DC napätia. Jedine pozor tu, uzemnená je tu opačná elektróda na PE – ta na pravo. Tiež si všimnite časti plazmy na elektróde zafarbenej do žlta, to je sodík zo soli od spotených rúk, ako som sa toho dotýkal a upravoval drôty.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder

2x PTN v sérií, 60kV 50Hz (84,6kVp)
       Veľký Jakobov rebrík vysoký 90cm kŕmený dvoma PTN v sérií pri 60kV 50Hz. Regulujem to veľkým 2,5kVA autotransformátorom a prúd je obmedzený dvoma MOTmi paralelne so skratovanými sekundármi, ako tlmivky. Nie ideálne riešenie, ale krátkodobý účel to plní dobre. PTN (prístrojový transformátor napätia) sú od ABB dvojpólovo izolované na 22kV, krátkodobo z jedného ťahám 30kV a obe sú v sérii s uzemneným stredom čiže 2x 30kV proti sebe. Výsledná špičková hodnota napätia medzi PTN je 84,6kVp. Viac o PTN tu v druhom článku tu.

       Čas expozície je tu 2s pri ISO-100 a clony okolo f/4 – f/5. Fotené s D3200, NIKKOR 35mm f/1.8. Tu je po priblížení fotiek krásne vidieť správanie sa oblúku/plazmy pri 50Hz, ako prechádza nulou a tiež, ako sa mení polarita každým oblúčikom rebríka. Najlepšie je to vidieť pri spodku rebríka.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder




1x MOT + 3uF
       Veľký Jacob’s ladder spravený s jedným MOTom, ktorý som robil ešte dávno. Na fotkách ho nie je vidieť, ale je tam len 1 MOT + 3uF kondenzátory a na elektródy (zváracie drôty). Fotky sú len z videa a spodné dva fotené starým mobilom, ale nechávam to tu, ako som mal v pôvodnom článku. Napätie 2,1 - 2,2kV pri 50Hz.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder
Jacob's Ladder Jacob's Ladder






30. 4. 2019
4x MOT + 2,5uF pripojené medzi 2 fázy na 400V
       Zatiaľ najvýkonnejší 13kVA Jakobov rebrík so štyrmi MOTmi zapojenými sériovo-paralelne. MOTy som zapojil pre veľký odber na 400V medzi 2 fázy. MOTy zapájam na priamo bez tlmivky, odber prúdu na 400V je do 32A. Krátkodobo to MOTy vydržia. Výboj zapaľujem ručne. Viac o tomto zdroji s MOTmi v inom článku tu aj s ďalšími fotkami výbojov a schémou zapojenia MOTov. V oblúku výboja je až 5,23A ! Oblúk je veľmi jasný, pozerám sa do toho cez slnečné okuliare. Fotené je to so zrkadlovkou s časom expozície 2s na ISO-100 a clonou f/22. Viac stmaviť fotka už nejde, jedine s použitím ND filtra a čas expozície musím zachovať, ak chcem výboj zdola až nahor.

Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder
Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder Jacob's Ladder




© copyright 2010 - 2019   |   Jakub Tejiščák   -   tesla.kubo(zavináč)gmail.com