Fázisceruza

A $230\ \mathrm{V}$‑os elektromos hálózatban használatos konnektornak két mélyen ülő csatlakozója van. Ezek közül az egyikhez az úgynevezett fázisvezeték kapcsolódik, amelyen a földhöz képest $230\ \mathrm{V}$‑os effektív feszültséget mérhetünk. A másikhoz az úgynevezett nullavezeték van kötve, ez a földdel ekvipotenciális. A manapság használt konnektorokban még két szabadon kiálló földelésérintkező is van, amelyhez a berendezések védőföldelése csatlakozhat. Az eszközök hibás működése esetén ezeken át távozik a többlettöltés a földbe, így védik a felhasználót. Azt, hogy egy konnektor melyik csatlakozója a fázis, egy úgynevezett fáziskeresővel, más néven fázisceruzával állapíthatjuk meg. Az eszköz első látásra csavarhúzónak tűnik, ám műanyag nyelébe egy legalább $250\ \mathrm{k}\Omega$ nagyságú ellenállást és vele sorba kötve egy miniatűr neon gázkisülési csövet (ún. ködfénylámpát, más néven glimmlámpát) építenek. Az ellenállás a csavarhúzó résszel, a ködfénylámpa a nyél végén kiképzett fém lezárócsavarral érintkezik. Ha a csavarhúzós részt a $230\ \mathrm{V}$‑os fázis‑csatlakozóhoz illesztjük, és a fém zárócsavart kezünkkel megérintjük, a testünkön keresztül elektromos összeköttetést teremtünk a földdel. A fázisceruza ellenállása olyan nagy, hogy a testünkön átfolyó igen kicsi áramot meg sem érezzük. Ám ilyenkor a ködfénylámpára elég nagy feszültség (körülbelül $100\ \mathrm{V}$) jut, aminek a hatására világítani kezd. Ha a fázisceruzát az előzőekhez hasonlóan a nullavezeték csatlakozójához érintjük, nem láthatunk felvillanást, hiszen a ködfénylámpa nem kap feszültséget.



Vigyázat! Fázisceruzával sajnos sosem tudjuk teljes biztonsággal eldönteni, hogy a vizsgált eszköz tényleg feszültségmentes‑e. Előfordulhat, hogy a glimmlámpa valamilyen okból nem világít, például leesett és megsérült, stb.

a) Ismertesse a potenciál és a feszültség fogalmát!

b) Mekkora a „fázis” és a „nulla” között mérhető maximális feszültség értéke? Mit jelent a konnektorban levő váltófeszültség effektív értéke?

c) Jellemezze a soros kapcsolást feszültség és áramerősség szempontjából!

d) Normál működés esetén maximálisan mekkora áram folyhat át rajtunk, ha a glimmlámpa felvillan?

e) Ha szigetelt cipőt viselünk, a fázis és a talaj között az elektromos kontaktus megszakad. A lámpa mégis világít, ha a vizsgált csatlakozó váltófeszültség alatt van, ám egyenfeszültség esetén sötét marad. Mi a jelenség magyarázata?

a) A feszültség és a potenciál fogalmának meghatározása:

2 + 2 pont

Két pont közötti feszültség az a munka, amit az elektromos tér egy egységnyi töltésen végez, miközben az az egyik pontból a másikba elmozdul.

Egy pont potenciálja az egy választott referenciaponthoz (nulla ponthoz) képest mérhető feszültsége.

b) A maximális feszültség meghatározása és az effektív feszültség fogalmának ismertetése:

2 + 2 pont

A konnektorban mérhető maximális feszültség körülbelül $325\ \mathrm{V}$.

Az effektív feszültség az az egyenfeszültség, ami ugyanazon az ohmikus ellenálláson ugyanannyi idő alatt ugyanannyi elektromos munkát végez, mint a váltófeszültség időbeli átlagban.

c) A soros kapcsolás jellemzése feszültség és áramerősség szempontjából:

4 pont
(bontható)

A soros kapcsolásnál a fogyasztókon átfolyó áram erőssége azonos (2 pont), míg a rajtuk eső feszültség egyenesen arányos az ellenállások nagyságával (2 pont).

d) Az átfolyó áram meghatározása:

4 pont
(bontható)

Ha a ködfénylámpa nem világít, az ellenállása nagyon nagy, ám amint beindul a kisülés, az ellenállás értéke nagyon lecsökken.

Mivel az előtét ellenállás, ami a fázisceruzában van, $R=250\ \mathrm{k}\Omega $ (1 pont), azaz az áramkörbe kötött soros eredő ellenállás nem lehet kisebb, mint $250\ \mathrm{k}\Omega $,

ezért a fázisceruzán átfolyó áram effektív értéke nem lehet nagyobb, mint $I=\displaystyle \frac{\ U}{R}=0,92\ \mathrm{mA}$

(képlet + számítás, 2 + 1 pont).

e) A jelenség magyarázata:

2 pont

A cipőtalpával szigetelt ember a jelenség szempontjából úgy viselkedik, mint egy kondenzátor egyik fegyverzete, amely az egyenáramot megszakítja, de a váltóáramot nem.

Összesen: 18 pont