Elementy obwodów elektrycznychspis treści

Przygotowanie zastawu elementów do prowadzenia pokazów doświadczeń z dziedziny przepływu prądu elektrycznego jest dość proste. Pewnym problemem mogą być ceny przyrządów pomiarowych, jednak większość doświadczeń może być wykonana przy użyciu dwu mierników uniwersalnych. Przy większej liczbie – można się pogubić, chyba że przygotowujemy kompletne obwody w postaci tablic zawierających wszystkie elementy. Niestety układy takie nie pozwalają na samodzielne eksperymentowanie.

Jako mierniki można zastosować dowolne mierniki uniwersalne – cena nie gra tu roli. W zasadzie im tańsze – tym mniej będzie szkoda jeśli coś przekombinujemy.

Przy doświadczeniach, często potrzebujemy dość dużych prądów. Typowe dostępne zasilacze nie mogą ich dostarczyć, dlatego zdecydowano się na użycie akumulatora ołowiowego. Można zastosować dowolny stary akumulator od samochodu lub kupić do pracowni akumulator od skutera. Akumulator taki może dawać krótkotrwały prąd do 20A. Większe prądy mogą go uszkodzić, lecz nawet uszkodzony może nam służyć kilka lat choć częściej trzeba go ładować.

Spis elementów

Element cena szt. dostępność
Przewody w izolacji (linka miedziana). Różne kolory izolacji1-5 zł10 msklep elektroniczny elektryczny,
Drut miedziany 1.5 mm21,50 zł1 mSklep elektryczny lub market budowlany
Wtyczki bananowe1 – 3 zł40 szt.Sklepy elektroniczne
Krokodylki2-3 zł10 szt.-,,-
Końcówka – widełki2-3 zł2 szt.-,,-
Gniazda bananowe1-2 zł20 szt.-,,-
Oprawka do miniaturowej żarówki2,50 zł1 szt.-,,-
Żarówki miniaturowe na różne napięcia 1 zł5-10 szt.-,,-
Pasek pleksi o szerokości 5 cm i grubości 4mm5 zł1 mFirmy reklamowe
Nóżki samoprzylepne0,4040 szt.Firmy reklamowe lub markety budowlane
Żarówki samochodowe8-10 zł1 zestawStacja benzynowa lub supermarket
Elektrolit do akumulatora10 zł100 mlSklep z akumulatorami
Akumulator od skutera (12V 4 Ah)45 zł1 szt.-,,-
Drut oporowy (kilka krótszych odcinków – mogą być różne0,20-2 zł30mZ odzysku lub na allegro
Blacha miedziana0,2 mm12 złKilka skrawków Sklep modelarski
Blacha cynkowa-Kilka skrawkówZe starej baterii płaskiej
Klamerki1 złKilka szt.Sklep AGD
Chusteczki higieniczne0,401 op.Kiosk

Przewody

Dobrze jest przygotować przewody które będą odporne na eksperymenty z dużymi prądami i nie będą się plątać. Najlepiej przygotować sobie zestaw przewodów o różnej długości i różnym kolorze izolacji. Najbardziej godne polecenia są przewody pomiarowe – linka miedziana w izolacji silikonowej. Kable takie są dość drogie jednak bardzo trwałe. Nie ma natomiast specjalnego sensu kupowanie wtyczek bananowych po 6-10 zł jeśli możemy nabyć wtyczki w cenie około 50-80 groszy za sztukę.

Do laboratorium warto przygotować sobie około 20 przewodów zakończonych z obu stron wtyczkami bananowymi. Pamiętany, ze często trzeba podłączyć do jednego gniazda wiele wtyczek. Najlepiej więc kupować wtyczki które mają otwór spełniający rolę gniazda do którego można podłączyć kolejną wtyczkę. Montaż wtyczek bananowych jest na tyle prosty że nie ma sensu go omawiać.

Warto przygotować kilka krótkich przewodów (maksymalnie 15cm). Większość układów nie wymaga długich połączeń a plączące się na stole kable skutecznie zaciemniają układ połączeń i utrudniają przygotowanie doświadczeń

Rys.1. Zestaw przewodów. Warto zainwestować w dobre przewodowy, natomiast wtyczki bananowe dobrej jakości są bardzo drogie i nie warto ich kupować do pracowni. Zestaw uzupełniają krokodylki pozwalające podłączyć niemal wszystko

Dwa przewody powinny być jednostronnie zakończone w taki sposób by można je było łatwo mocować do akumulatora zapewniając dobry kontakt. W przypadku akumulatora od skutera – będą to widełki. Jeśli będziemy używali akumulatora samochodowego – wygodnie jest przygotować sobie do niego klemy z przykręconymi na stałe gniazdami bananowymi.

Nie należy także zapominać o krokodylkach które można założyć na wtyczkę bananową. Zestaw około 10 sztuk pozwoli na podłączanie niemal wszystkiego.

Elementy obwodów

Elementy z których budujemy obwód najwygodniej zamontować na kawałkach pleksi. W zestawie przygotowanym przez autora elementy zmontowane zostały na kawałkach pleksi o wymiarach 50x100mm i grubości 3-4mm. W płytce takiej montujemy dwa gniazda bananowe do których lutujemy wybrany element. Jeśli wymaga on także mechanicznego zamocowania, można doprowadzić prąd grubym miedzianym drutem, który zapewni stabilny montaż oraz doprowadzi prąd do elementu.

Do płytek od spodu przyklejamy samoprzylepne nóżki które zapobiegają przesuwaniu się elementów w czasie demonstracji. Jest to szczególnie istotne, gdy jako zasilania używamy akumulatora samochodowego które może dać prąd sięgający nawet ponad tysiąca amperów co może prowadzić do pożaru w przypadku zwarcia. Nawet akumulator od skutera pozwala na uzyskanie łuku elektrycznego o znacznej temperaturze.

Żarówki

Żarówki samochodowe można po prostu przylutować do wyprowadzeń gniazd bananowych używając kawałków grubego drutu miedzianego. Warto przygotować sobie trzy żarówki samochodowa na napięcie 12 V – dwie żarówki o mocy 5W (w zestawie zapasowych żarówek znajdują się zazwyczaj żarówki do oświetlenia tablicy rejestracyjnej oraz żarówka światła pozycyjnego o takiej mocy. Dodatkowo warto przygotować jedną żarówkę o większej mocy – na przykład żarówkę 21 W od migacza.

Warto także przygotować jedną lub dwie oprawki na miniaturowe żaróweczki od latarki. Żaróweczka tak może służyć jako odbiornik prądu a nawet jako bezpiecznik. Warto także pobawić się różnymi warunkami w jakich pracują żarówki.

Rys. 2. Żarówki przygotowane do łączenia w obwody prezentowane w czasie lekcji. Żarówki są przylutowane do wyprowadzeń gniazd bananowych.

UWAGA: Nie powinno się używać żarówek przy demonstrowaniu prawa Oma. Żarówki mają różną oporność w zależności od temperatury włókna. Im większa temperatura – tym większy opór. Do demonstracji oporu lepiej przygotować gotowe oporniki o oporach 20-50 omów i mocy 1-2 W (mniejsze mogą się po prostu przepalić). Najlepiej jednak samodzielnie przygotować opornik z drutu oporowego a najlepiej z kilku rodzajów drutu by przy okazji móc omówić zależność oporu od rodzaju i wymiarów przewodnika.

Grzałka

Do wyznaczania pracy prądu elektrycznego przydatna jest grzałka. Grzałkę możemy przygotować nawijając około metra drutu oporowego na kawałek rurki z PCV. Długość drutu oporowego zależy od tego jaki drut uda nam się zdobyć. Gotowa grzałka powinna mieć oporność mniej więcej 10 omów co pozwala, przy podłączeniu do akumulatora, na uzyskanie mocy około 10-15 watów. W przypadku drutu o dużej oporności – można nawinąć kilka uzwojeń i połączyć je równolegle. Jeśli dysponujemy silnym akumulatorem – oporność grzałki można odpowiednio zmniejszyć. Warto jednak pamiętać by nie przekroczyć wartości prądu jaki możemy mierzyć miernikami które mamy do dyspozycji.

Budując grzałkę dobrze jest zapewnić na tyle duży opór by drut nie przepalał się po podłączeniu do akumulatora. Z drugiej strony jeśli opór jest zbyt duży wzrost temperatury ogrzewanej wody będzie bardzo mały i trudno będzie cokolwiek policzyć.

Rys. 3. Grzałka z drutu oporowego przydatna do eksperymentalnego wyznaczania energii prądu elektrycznego. Po umieszczeniu w naczyniu z wodą możemy Mierzyc wzrost temperatury pod wpływem przepływającego prądu

Rurkę z nawiniętym drutem mocujemy do płytki z pleksi do na której zmontowane są dwa gniazda bananowe na dwu kawałkach grubego drutu miedzianego. Drut z jednej strony można przylutować do kontaktów gniazdek bananowych a z drugiej – przyklejamy klejem epoksydowym do rurki z nawiniętym drutem. Druty powinny być na tyle długie by grzałka była zanurzona w wodzie tuż nad dnem szklanki. Aby wzmocnić cała konstrukcję warto dodać pasek pleksi w połowie długości drutów podtrzymujących grzałkę. Drut oporowy lutujemy (jeśli to możliwe) lub przykręcamy do gniazd bananowych.

Stojak do elektrolizy i budowy ogniw

Prosty stojak do demonstrowania elektrolizy oraz zjawiska wytwarzania prądu w ogniwach chemicznych można przygotować z kawałka pleksi i dwóch krokodylków.

Po wywierceniu otworów w kawałku pleksi wkładamy w nie uchwyty krokodylków i przyklejamy klejem epoksydowym. Końcówki krokodylków w otworach służą za gniazdka do podłączenia przewodów. Umieszczając w szczękach krokodylków kawałki metalu i zanurzając je w szklance z elektrolitem, możemy badać napięcia jakie wytwarzają różne pary metali. Jeżeli w obu krokodylkach umieścimy ten sam rodzaj metalu prąd nie będzie generowany, ale możemy używać naszego przyrządu do przeprowadzania elektrolizy lub jako opornik o regulowanym oporze: im większa powierzchnia elektrod zanurzona jest w elektrolicie – tym mniejszy jest opór przy przepływie prądu.

Rys. 4. Stojak do mocowania kawałków blaszki które mają być zanurzone w elektrolicie wykonany z kawałka pleksi oraz dwóch krokodylków. Poziom elektrolitu nie powinien się gać krokodylków a jedynie elementów które w nich umieszczamy. Przy użyciu dwu różnych rodzajów metalu otrzymujemy ogniwo.

Opornik drutowy

Ponieważ opór żarówek zależy od ich temperatury a więc i od prądu jaki przez nie płynie, do ilustracji prawa Oma warto przygotować sobie opornik drutowy który przy prądach na poziomie 0,5-0,8 A nie będzie się specjalnie rozgrzewał. Jednak zamiast pojedynczego opornika drutowego proponuję przygotować od razu kaskadę odcinków połączonych szeregowo co pozwoli na pokazanie zależności oporu od długości przewodnika.

Rys 5. Schemat połączeń drutu oporowego na oporniku drutowym oraz przykład połączenia szeregowego i równoległego. Jeśli dysponujemy różnymi rodzajami drutu warto 2-3 sekcie wykonać z drutu innego rodzaju.

Na płytę z pleksi o długości 55 – 60 cm montujemy po cztery gniazda bananowe z każdej strony. Między gniazdami rozpinamy drut, prowadząc w sumie 7 odcinków drutu, tak by łącząc źródło napięcia do dwu dowolnych gniazd – otrzymać opornik mający od jednej do siedmiu sekcji drutu oporowego.

Rys. 6. Przykładowy opornik drutowy przydatny przy demonstrowaniu prawa Oma oraz zależności oporu od długości przewodnia składający się z siedmiu sekcji wykonanych z drutu tego samego rodzaju.

Takie połączenia pozwolą nam bez problemu korzystać zarówno z sekcji połączonych szeregowo jak i równolegle – wystarczy połączyć dwa sąsiednie gniazda, by uzyskać równoległe połączenie oporów. Przy bardziej skomplikowanych połączeniach możemy otrzymać oporniki połączone szeregowo-równolegle.

Włącznik

Do budowy obwodów w których obwód jest włączany przez osobę prowadzącą doświadczenia służy włącznik. Można użyć gotowego włącznika, jednak bardziej obrazowy będzie włącznik przygotowany samodzielnie tak, by uczniowie mogli zobaczyć kiedy obwód jest zamknięty i skojarzyli go ze zwarciem końcówek włącznika.

Włącznik możemy przygotować – podobnie jak inne elementy obwodu – na płytce z pleksi z zamontowanymi dwoma gniazdami bananowymi. Do końcówek gniazd lutujemy kawałki blaszki uformowane tak by normalnie nie stykały się, lecz by mogły się zatknąć pod wpływem niewielkiego nacisku. Jeszcze lepiej, jeśli blaszki będą mogły o siebie zaczepiać – tak by mieć możliwość włączania prądu na stałe. Jeśli dysponujemy większą ilością wolnego czasu możemy przygotować włącznik podobny do starych włączników heblowych, jednak do prostych demonstracji zamykania i otwierania obwodu – wystarczy nam najprostszy włącznik. W przypadku włączania na dłużej – lepiej po prostu połączyć obwód przewodem.

Rys. 7. Włącznik przygotowany z dwóch odcinków blaszki, Można użyć blaszki od baterii płaskiej.

Tak przygotowany włącznik pozwala na łączenie niewielkich prądów. Przy dużych prądach możemy zobaczyć efekt działania wysokich prądów w momencie łączenia i rozłączania. Jeśli chcemy te efekty pokazać na lekcjach – dobrze jest przygotować sobie większą ilość blaszek stykowych.

Bateria

Umieszczając kawałki blachy miedzianej oraz cynkowej w elektrolicie, możemy uzyskać ogniwo o napięciu około 0,9V. Ogniwo takie ma za małe napięcie by można było doprowadzić do żarzenia żaróweczkę. Ma też niestety małą wydajność prądową i zaświecenia żarówki niskonapięciowej – która zazwyczaj wymaga prądu około 300mA, jest niemożliwe.

Rys. 8. Ogniwo przygotowane z dwu kawałków blachy. Bibuła dzieląca dwa rodzaje metalu nasączona jest elektrolitem (tu – roztworem kwasu siarkowego)

Aby pokazać działanie ogniwa, lepiej będzie przygotować baterie ogniw które mogą posłużyć do zasilania diody świecącej (wymagającej napięcia 1,4 – 2,4V i prądu około 10mA). Przygotowanie kilku zacisków do elektrolizy nie jest celowe. Prościej pomiędzy arkusiki blachy włożyć kawałek chusteczki lub papieru toaletowego i nasączyć go roztworem kwasy siarkowego.

Aby całość się nam nie rozłożyła – można blaszki spiąć klamerką do wieszania bielizny. Wygięcie jednego końca blaszek pozwoli poukładać ogniwa jedno na drugim oraz podłączyć przewód zasilający diodę świecącą przy pomocy krokodylków.

Tak otrzymana bateria może świecić długie godziny. Pamiętajmy tylko by poszczególne ogniwa stykały się tylko wyprowadzeniami a nie na przykład nasączonymi elektrolitem chusteczkami. Pamiętajmy także, że używany roztwór kwasu siarkowego jest żrący i o ile pobrudzenie nim rąk zazwyczaj prowadzi tylko do podrażnienia, do krople elektrolitu które kapną na ubranie wypalają w nim wyjątkowo skutecznie dziury (pojawiające się zazwyczaj dopiero następnego dnia).