Dydaktyka 
 
Obwody elektryczne
przedstawienie/demonstracja
WGan
Prezentowany scenariusz powstał jako propozycja wystąpienia na przeglądzie „Nauki Przyrodnicze na Scenie”. W trakcie pracy nad przedstawieniem, tekst był później wielokrotnie zmieniany i przerabiany.

Czytelnikom przedstawiamy formę wyjściową do samodzielnego dopracowania.

Założenia

  • Połączenie żarówki z baterią pojedynczym przewodem nie powoduje że żarówka działa (Schemat 1.A)
  • Obwód musi być zamknięty - wtedy żarówka działa (Schemat 1.B). Obwód możemy przerywać wyłącznikiem (Schemat 1.C)
  • Możemy spotkać różne elementy obwodów elektrycznych, na przykład brzęczyki (Schemat 2.A) i elektromagnesy (Schemat 2.B), oporniki (Schemat 2.C)
  • Prąd płynie przez określony punkt obwodu, napięcie panuje między dwoma punktami. (Schemat 2.D). Gdy zmienimy napięcie – zmieni się także wartość prądu. (Schemat 2.E)
  • Elementy obwodu możemy do zasiania podłączyć równolegle (Schemat 3.A). Napięcia doprowadzone to każdego elementu są równe napięciu zasilania. Odbiorniki można niezależnie włączać.
  • Prąd w takim obwodzie (Schemat 3.B) jest sumą prądów płynących przez poszczególne odbiorniki (Schemat 3.C)
  • To nic innego jak pierwsze prawo Kirchoffa – suma prądów w każdym węźle wynosi 0 (Schemat 3.D)
  • Odbiorniki możemy tez połączyć szeregowo (Schemat 4.A)
  • Przy takim połączeniu wartość prądu jest stała w całym obwodzie (Schemat 4.B..C) Odbiorników nie możemy niezależnie wyłączać. Przerwanie obwodu wyłącza wszystkie.
  • Napięcie na źródle zasilania (Schemat 5.A) jest równe sumie napięć na poszczególnych elementach obwodu (Schemat 5.B..C)
  • Drugie prawo Kirchoffa stanowi że suma napięć liczona po obwodzie zamkniętym jest równa zero (Schemat 5.D.)
  • Odbiorniki mogą mieć różną moc (Schemat 6.A) co oznacza różny prąd.
  • Prąd jednego z odbiorników możemy go ograniczyć opornikiem (Schemat 6.B)
  • Przyłączeniu większej liczby odbiorników prąd może być bardzo duży – lepiej stosować bezpieczniki (włączany szeregowo) które przepalają się rozłączając obwód gdy prąd stanie się zbyt duży. (Schemat 7.)
  • A co jeśli połączymy szeregowo dwie różne żarówki? Dlaczego świeci tylko ta o mniejszej mocy? (Schemat 8.)

 
Tezy do zapamiętania:

  • Prąd płynie przez określony punkt obwodu, napięcie panuje między dwoma punktami.
  • Wartość prądu w obwodzie jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia.
  • Ilość pobieranego prądu jest w praktyce określana przez moc urządzenia i napięcie jakim powinno być zasilane. P=UI, I=P/U.
  • W obwodzie równoległym napięcie jest takie samo na wszystkich odbiornikach. Prądy się sumują.
  • W obwodzie szeregowym prąd jest stały (ograniczany przesz wszystkie odbiorniki)

 

 

Elementy obwodów

  • Akumulator ołowiowy żelowy 4, 6, 8V, 4..5Ah (lub więcej). Prąd maksymalny – około 20A. Zespół przełączników pozwalający na zmianę napięcia.
  • Żarówka samochodowa 5W/12V (świata pozycyjne) /R=30Ω; I=0.4A/
  • Żarówka samochodowa 21W/12V (światła stopu, migacze) /R=7Ω; I=1,8A/
  • Żarówka samochodowa 35W/12V (światła mijania, drogowe) /R=4Ω; I=3A/
  • Opornik 6Ω / 75W
  • Opornik 15Ω / 30W
  • Bezpiecznik 10A
  • Elektromagnes (4,5 Ω)
  • Klakson motocyklowy – (bierze poniżej 1 A przy napięciu 12V)

 

 

Scenariusz

/Na podłodze siedzi dziewczynka. Wokół porozkładane ksiązki i zeszyty. Jest wieczór. Dziewczynka uczy się do sprawdzianu powtarzając na głos definicje czytane z książek i zeszytów./

DZIEWCZYNKA: Bateria jest chemicznym źródłem siły elektromotorycznej. /i W trakcie czytania pojawia się drugi głos który mówi ten sam tekst – głos baterii Na skutych reakcji chemicznych dwóch metali o różnych elektroujemnościach zanurzonych w elektrolicie, pozwala uzyskać stałą różnicę potencjałów. /Bateria milknie, dziewczynka mówi coraz bardziej zmęczonym i sennym głosem. Tym razem wraz z nią mówi inny głos – to opornik/ W obwodzie zamkniętym elektrony przyspieszane polem elektrycznym rozpraszane są na defektach sieci krystalicznej przekazując energię atomom sieci. Ograniczając ruchliwość nośników ładunku zmniejszam ich strumień…

/Dziewczynka zasypia. Światło przygasa. W okolicach głowy dziewczynki wyłania się z mroku żarówka/

ŻARÓWKA1: Powinnam zaświecić, żeby miała jakiś pomysł. Tak jest przynajmniej na filmach i rysunkach. Ale co zrobić żebym mogła zaświecić? Potrzebna jest wysoka temperatura uzyskana na skutek rozpraszania energii kinetycznej elektronów przewodnictwa na nierównomiernościach i drganiach sieci w metalu. Potrzebuję prądu…

/Pochodzi bateria/

BATERIA: Potrzebujesz energii? Energia chemiczna pozwala na wytworzenie różnicy potencjałów na elektrodach wykonanych z dwóch materiałów o różnej elektroujemności zanurzonych w elektrolicie z którym mogą reagować. Reakcja wytwarza różnicę potencjałów i przy której wygasa do momentu zamknięcia obwodu. Takie reakcje mogą być odwracalne – jak w akumulatorze lub nieodwracalne. /Żarówka bierze baterię za rękę/

ŻARÓWKA1: Nic się nie dzieje. Nic nie czuję. Coś nie widzę tej energii.

BATERIA: Mamy po dwie elektrody. Trzeba połączyć obie.

ŻARÓWKA: To co innego. Któregokolwiek bieguna przestanę się trzymać – gasnę. Prąd musi płynąć. Ty tylko pompujesz elektrony, Baterio. Wszystkie które cię opuszczają – wracają, po drodze tracąc swoją energię.

/Dziewczynce w telefonie włączają się wibracje, Do baterii i żarówki podchodzi brzęczyk/

BRZĘCZYK: Daj spróbować. /Brzęczyk dzwoni/ ŻARÓWKA: Cicho bo ją obudzisz!

ELEKTROMAGES: Dajcie I mnie spróbować. /podłącza się do baterii/

ELEKTROMAGES: Mmmmm. /Wyciąga rękę przed siebie (jest spięty z baterią krokodylkiem)/ Do mnie! /Na scenę z widowni wbiega gwóźdź i przytula się do elektromagnesu.

ELEKTROMAGES: Ty, dobre!. Pole magnetyczne poruszających się elektronów może indukować pole magnetyczne w ferromagnetykach. /Elektromagnes się rozłącza, gwóźdź pada zrozpaczony na ziemię/.

ŻARÓWKA1: Na schematach w książce rysowane są oporniki. Jest tu jakiś opornik? /Wchodzi opornik i podłącza się do baterii. Nic się nie dzieje/

ŻARÓWKA1: Ty nic nie robisz?

OPORNIK: /krótko:/ Stawiam czynny opór. /a po chwili milczenia by każdy zastanowił się co tak naprawdę robi/ Pytasz: Co jeszcze? Nic. Nic specjalnego nie robię. Jestem wyidealizowanym odbiornikiem prądu, który energię elektryczną zamienia jedynie w ciepło. Każdy z was jest opornikiem tylko tego głośno nie mówi. Grzałka to opornik o małym oporze.. Ty żarówko – jesteś grzałką której nikt nie zabiera ciepła więc rozgrzewasz się tak, że aż świecisz. Ty elektromagnesie – też masz swoją oporność, chociaż w większej części – jest to opór urojony.

BRZECZYK: Ale jak sprawdzić czy coś się dzieje w obwodzie?

AMPEROMIERZ: Jak chcecie zobaczyć czy płynie prąd, służę pomocą. Mogę powiedzieć jaki ładunek przepływa w obwodzie./Włącza się szeregowo/ Proszę, prąd wynosi około 2,1 ampera

BATERIA: Jak to około?

AMPEROMIERZ: Wiesz, każdy miernik ma swoją dokładność. Ja mogę powiedzieć z dokładnością do 0,1 ampera.

OPORNIK: A wiesz, że Ty też stawiasz opór.

AMPEROMIERZ: Tak, ale bardzo mały, więc nie narzekaj. Możemy sprawdzić czy nie dostajesz mniejszego napięcia. Woltomierz!

/Wchodzi woltomierz. Sprawdza napięcie na oporniku/

WOLTOMIERZ: Napięcie jest OK. 12,8 woltów.

OPORNIK: To by się zgadzało. Mam sześć omów.

ŻARÓWKA1: A jakby Ci zmienić napięcie? Baterio? Dasz rade?

BATERIA: Jasne, jako bateria mam kilka ogniw, jak niektóre wyłączę albo dołączę inne, będziecie mieli inne napięcia. Proszę bardzo, możemy zacząć o czterech woltów.

/Bateria przełącza napięcia, woltomierz i amperomierz odczytują wartości natężenia i napięcia na ekranie punkty pomiarowe układają się w linię prostą/

ŻARÓWKA1: Ty to masz nerwy. Ja nie wytrzymuję tak dobrze napięcia. No i opór też mogę mieć różny.

/Obok łóżka dziewczynki telefon komórkowy znów dzwoni. Tym razem wibruje i świeci. Do baterii podłącza się jednocześnie brzęczyk i żarówka./

BATERIA: A wiecie, że do źródła napięcia można podłączyć kilka odbiorników jednocześnie.

/Do baterii podłączają się równolegle żarówka i brzęczyk/

BATERIA. Czuję się nieco bardziej obciążona.

ŻARÓWKA1: A ja nie czuję żadnej zmiany. Prąd jak prąd. W końcu dostaje takie samo napięcie.

BRZĘCZYK: Ja też nic więcej nie czuję. Ale jak chcesz to prąd możemy zmierzyć. Amperomierz!

/Amperomierz włącza się szeregowo z żarówka potem z brzęczykiem/

AMPEROMIERZ: Żarówka pobiera prąd XXX A. /przełącza się na brzęczyk/ a brzęczyk YYY A. A z baterii pobieracie /przełącza się tak by być połączonym szeregowo z baterią/ - ZZZ A czyli tyle ile wynosi suma prądów. Ale to przecież oczywiste, bo prąd to ilość ładunku przepływającego w jednostce czasu, a żadne z was tego ładunku ani nie magazynuje ani się nie pozbywa.

BATERIA: A czy nie możecie się połączyć tak by płynął przez was ten sam ładunek? Jakbyście się połączyli szeregowo – nie byłabym tak obciążona.

/Elementy przełączają się w obwód szeregowy. Bateria oddycha z ulgą./

BATERIA: Tak jest w wiele lepiej.

ŻARÓWKA1: Ale tylko tobie. Mi słabo. Coś jest nie tak z tym prądem.

/Amperomierz włącza się w różne miejsca obwodu/

AMPEROMIERZ: To dlatego, że prąd jest mniejszy niż poprzednio.

ŻARÓWKA1: Ale ja nie czuję napięcia. Przynajmniej nie takiego jak poprzednio.

BRZĘCZYK: Może rozładowaliśmy już baterię. Tylko woltomierz może postawić diagnozę.

/Wchodzi woltomierz i podłącza się do baterii/

WOLTOMIERZ: Napięcie jest w porządku. Nie widzę problemu z zasilaniem

ŻARÓWKA1: Ale mi słabo. Zobacz jakie zapięcie mnie zasila.

/Woltomierz sprawdza napięcie na żarówce łącząc się z nią równolegle./

WOLTOMIERZ: Faktycznie wygląda to słabo. Napięcie na żarówce jest niższe niż na baterii. Zmierzmy jeszcze napięcie na brzęczyku.

/Woltomierz mierzy napięcie/

WOLTOMIERZ: I wszystko jasne. Prąd Łynie przez was taki sam, ale napięcie się podzieliło, dlatego nie działacie poprawnie. Przy połączeniu szeregowym napięcie zasilające jest równe sumie napięć! BATERIA: Ale wtedy zużywają więcej energii.

/Wchodzi druga żarówka i wraz z pierwszą łączą się równolegle/

ŻARÓWKA2: Jak jesteśmy obie połączone do baterii, to możemy świecić pełnym światem. To dlatego w instalacjach elektrycznych najczęściej odbiorniki łączą się równolegle.

ŻARÓWKA1: Ale dlaczego Ty świecisz jaśniej?

ŻARÓWKA2: Mam mniejszy opór, płynie przeze mnie większy prąd. Ma się tą moc!

ŻARÓWKA1: To niesprawiedliwe, Teraz wypadam blado.

OPORNIK: Prąd można ograniczyć. Wystarczy włączyć szeregowo z żarówką opornik i już świeci słabiej.

ELEKTROMAGNES: Hej, podłączmy się wszyscy na raz do baterii. Ciekawe czy wytrzyma.

BATERIA: To nie jest dobry pomysł tak się bezpośrednio łączyć. Źródła prądu też mają swoje ograniczenia. Możecie się podłączyć jak się zabezpieczymy. Bezpieczniku!

BEZPIECZNIK: Nie puszczę więcej niż 10 amperów. To powinnaś wytrzymać.

ŻARÓWKA3: Odbiorniki prądu wszystkich typów, łączcie się.

/Poszczególne elementy obwodu łączą się równolegle jeden po drugim, amperomierz włączony szeregowo z bezpiecznikiem pokazuje rosnący prąd, po dołączeniu ostatniego elementu, Bezpiecznik puszcza połączeniu i pada na podłogę robi się ciemno

Dziewczynka budzi się i patrzy na ksiązki. Przeciera oczy/

DZIEWCZYNKA: A jeśli połączylibyśmy szeregowo dwie żarówki różnych mocy, to… /Żarówka 1 i 3 łączą się szeregowo z baterią. Świeci tylko jedna./

DZIEWCZYNKA: /śmiejąc się/ No tak to oczywiste! /Zwraca się do publiczności/ A czy wy wiecie dlaczego jedna z żarówek nie działa?

/Koniec/

Uwagi

W proponowanej formie ilość kwestii poszczególnych odbiorników prądu nie jest wyważona. W trakcie prób należy sprawdzić które odbiorniki można wymieniać na poszczególnych schematach tak by całość działała i pozamieniać autorów poszczególnych wypowiedzi. Chyba że tak jest OK.

 
Opinie
 
Facebook
 
  
29867 wyświetleń

numer 10/2016
2016-10-01

Od redakcji
Aktualności
Ekonomia
Felieton
Literatura
Matematyka
Psychologia
Rozmaitości

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net