Všeobecné informácie o elektrických obvodoch

Mnoho ľudí sa bojí elektriny. To je čiastočne oprávnené. Ak však správne zaobchádzate s elektrinou a používate príslušné vybavenie, nemusíte sa ničoho obávať. Nasledujúci text vysvetľuje, ktoré zariadenia môžete bez váhania používať. Zavádza tiež základné informácie, ktoré sú dôležité pre bezpečné používanie elektrickej energie.

Ktoré zariadenia sú vhodné na výučbu?

Zdroje napätia a prúdu

Na hodinách sú v zásade povolené elektrické obvody za žiadnych okolností pripojený k elektrickej zásuvke. Napätie v zásuvke je 230 voltov (alebo 400 voltov v trojfázovej zásuvke) a je životu nebezpečný. Takéto vysoké napätie je možné bezpečne používať v každodennom živote iba s príslušnými ochrannými opatreniami (pozri „Elektrické systémy - elektrické systémy v dome“). Ak je v triede zavedený elektrický obvod, tieto ochranné opatrenia sa spravidla nedajú dodržať, takže sa musia použiť vhodné zdroje napätia.

Vhodné sú zdroje napätia, ktoré poskytujú takzvané ochranné veľmi nízke napätie so spoľahlivým oddelením. Pri pokusoch študentov nesmie byť prekročené napätie 25 voltov striedavého napätia alebo 60 voltov jednosmerného napätia [1].

Medzi vhodné zdroje napätia patria batérie alebo akumulátory (nabíjateľné batérie) s menovitým napätím [2] 1,5 V, 4,5 V alebo 9 V. Batérie a nabíjateľné batérie sú tiež veľmi vhodné, pretože predstavujú odkaz na každodenný život študentov. . Medzi vhodné zdroje napätia patria aj napájacie zdroje, ktoré vydávajú zodpovedajúcim spôsobom nízke napätie. Je vhodné využiť ponuku známych výrobcov učebných materiálov. Výhodou je, že na týchto zariadeniach je možné nastaviť rôzne napätie.

Svietidlá, odpory, .

Svietidlá fungujú dobre na zostavenie jednoduchého obvodu. Pri žiarovkách je vidieť vplyv elektriny viditeľné robiť. Navyše, svietiaca (alebo nesvietiaca, slabá alebo silno svietiaca) žiarovka sa dá ľahko nakresliť, keď sa má obvod skopírovať do zošita alebo na pracovný hárok.

Obrázok 1: Malá žiarovka (vľavo); Svetelná mapa na použitie v nepájivom poli (vpravo)

Uistite sa, že žiarovky, ktoré chcete použiť, sú tiež pripojené k „správnemu“ zdroju napätia. Svietidlo, ktoré bolo skonštruované tak, aby fungovalo na 12 V, svietilo iba veľmi slabo alebo vôbec nie na napätie 1,5 V. A žiarovka, ktorá je navrhnutá na prevádzku pri 1,5 V, sa veľmi pravdepodobne pokazí, ak ju pripojíte „na 12 V“.

Rezistory (napr. Doskové dosky, pozri obr. 2) premieňajú elektrickú energiu na vnútornú (teplo). V takom prípade sú vedomosti alebo skúsenosti ukotvené v pamäti prostredníctvom haptického vnímania. „Teplý odpor“ však nie je také ľahké nakresliť.

Obrázok 2: Rezistor na použitie v nepájivej doske: vľavo bez a vpravo s krytom

Pretože rezistory - podobne ako žiarovky - sú určené iba pre určité maximálne napätie, je potrebné tu dbať na to, aby toto napätie nebolo prekročené. Pretože maximálne napätie nie je zvyčajne uvedené na rezistoroch, ale maximálny výkon, je potrebné príslušné zodpovedajúce maximálne napätie určiť pomocou malého výpočtu [3]. Namiesto výpočtu môžete tiež rezistor pripojiť k nastaviteľnému zdroju napätia, pomaly zvyšovať napätie a cítiť, ako sa rezistor zahrieva. Nebezpečenstvo: Rezistor preto nesmie byť v uzavretom kryte.

Samozrejme, okrem žiaroviek a rezistorov alebo namiesto nich môžu byť v obvodoch použité ďalšie spotrebiče: napríklad bzučiak alebo malá motorická vrtuľa atď.

Káble a vodiče

V zásade sú všetky (kovové) vodiče vhodné na stavbu jednoduchých elektrických obvodov. Mali by ste sa však vyhnúť dlhým tenkým drôtom. Vo väčšine prípadov sa drôty považujú za ideálne, to znamená bez odporu a vodivosti. Pri dlhých tenkých drôtoch je však odpor pomerne vysoký. Výsledkom je, že žiarovka sa nemusí rozsvietiť, pretože klesá príliš veľa napätia na drôtovom odpore.

Obrázok 3: Kábel (vľavo) a mostíky (vpravo)

Prefabrikované laboratórne káble pre školy majú tú výhodu, že zástrčky sa hodia do príslušných zásuvných dosiek, spínačov alebo zásuviek žiaroviek.

Existujú aj mosty pre prkénko na krájanie, pomocou ktorých sa dajú „vyrobiť“ drôtené spojenia na doske. Výhodou týchto komponentov je, že obvod vyzerá viac podobne ako základná schéma zapojenia. Drôty z železiarstva sú lacnejšie.

Prepínače, nepájivé pole, .

Výrobcovia učebných materiálov ponúkajú rôzne súpravy materiálov, ktorých prvky - spínače, zásuvné dosky s mostami atď. - zapadajú do seba.

Obrázok 4: Nepálený panel s mostíkmi a žiarovkou. Zdroj napätia je pripojený pomocou laboratórnych káblov.

Podľa cieľa lekcie však môžete okruh zostaviť aj inak, napríklad tým, že si pomôžete okolo domu. Týmto spôsobom môžu byť obvody uzavreté špendlíkmi na otvorených koncoch drôtov. Je len dôležité, aby ste svojim študentom objasnili, že to možno urobiť iba počas experimentov v škole alebo iba so zdrojmi nízkeho napätia. Nepájivé pole má výhodu v tom, že zapojenie je veľmi podobné schéme zapojenia. Toto podporuje sieťovanie abstraktnej schémy zapojenia s nastavením testu.

Obrázok 5: Jednoduchý obvod s batériou, sponkami na papier, medenými vodičmi a žiarovkou

Dôležité pojmy a výrazy

Používajte správny technický jazyk

V teórii elektriny existuje technický jazyk, ktorý má zabezpečiť, aby boli technické vzťahy vyjadrené presne a čo najjasnejšie. Ak sa odborný jazyk používa správne, môže tiež pomôcť vyhnúť sa mylným predstavám alebo ich vyvrátiť.

Apel na učiteľov, ktorí sa na hodinách venujú téme elektriny

Skúste sami použiť správny technický jazyk. Slúžite ako vzor pre študentov a nesprávnym technickým jazykom by ste mohli spôsobiť veľké ťažkosti s učením v ďalšej školskej kariére vašich študentov.
Osvojte si vo svojej triede kľúčové technické výrazy a precvičte so študentmi základné výrazy.

Najdôležitejšie pojmy a výrazy v skratke

elektrina

Výraz: Prúd tečie.
Prúd je počítanie nábojov, ktoré prechádzajú meracím bodom v určitom čase. Cieľ si môžete vizualizovať v maratóne, kde za určité časové obdobie spočítate, koľko bežcov prešlo cieľom. V tejto chvíli nedostanete žiadne informácie o rýchlosti - na jej meranie by ste potrebovali minimálne dva meracie body. V tejto chvíli je možné konštatovať: Čím viac bežcov prebehne cieľovou páskou v určitom časovom období, tým väčší bude „prúd bežca“. To isté platí pre elektrický prúd: čím viac nábojov prechádza cez merací bod, tým väčší je prúd (sila prúdu).

napätie

Vyjadrenie: Napätie je niečím spôsobené (napr. V bodoch, na vodičoch alebo na rezistoroch).
Napätie možno chápať ako druh úsilia o vyrovnanie nábojov. Ak v jednom bode dôjde k nevyváženému pomeru poplatkov - t. J. K prekročeniu kladných alebo záporných poplatkov - a nie v inom bode, je potrebné vyvinúť úsilie na vyrovnanie poplatkov. Napätie je to, čo uvádza pohyb náboja do rovnováhy; pozri analógiu vodného stĺpca.

energie

Výraz: Energia sa prenáša (prepravuje), prevádza alebo znehodnocuje.
V elektrických obvodoch sa energia prenáša alebo transportuje zo zdroja (zdroj napätia v testovacom zariadení) cez elektrické vedenie k spotrebiteľovi. Tam sa prevádza na iné formy energie (napr. Na vnútornú energiu [otepľovanie prostredia], svetelnú alebo kinetickú energiu). Pretože opačný proces, napríklad premena kinetickej energie na elektrickú, neprebieha sám (je to možné, iba ak energiu znova použijete), nazýva sa tento proces aj odpis energie.

odpor

Odpor je abstraktný konštrukt. Rezistor je veličina, ktorá obmedzuje prúd pri určenom napätí. Čím väčší je odpor (t. J. Čo obmedzuje prúd), tým menší je prúd.
Komponent, ktorý slúži iba na tento účel (obmedzuje prúd), sa tiež nazýva rezistor. V tomto prípade tento pojem nie je abstraktný, ale popisuje komponent.

Obrázok 6: Rôzne odpory

Paralelné pripojenie

Vyjadrenie: Súčasti (napr. Rezistory, žiarovky alebo spínače) môžu byť navzájom spojené paralelne. Jeden hovorí o paralelnom spojení dvoch komponentov.
Ak sú dva komponenty usporiadané navzájom paralelne a ich konce alebo spojenia na tej istej strane sú navzájom elektricky spojené, hovorí sa o paralelnom zapojení. Toto paralelné pripojenie je možné integrovať do obvodu (pozri obr. 7).
Príklad: Spotrebitelia v domácnosti (žiarovky, kuchynské spotrebiče, televízory, sušiče vlasov atď.) Sú navzájom prepojení paralelne. Jednoduchým dôvodom je to, že iba tak je možné zaručiť, že napätie 230 V bude k dispozícii všetkým. Ak by bolo do série zapojených niekoľko zariadení, museli by zdieľať 230 voltové napätie; každé zariadenie by malo k dispozícii iba nižšie napätie.

Obrázok 7: Paralelné pripojenie dvoch žiaroviek na nepájivej doske

Obrázok 7a: Paralelné pripojenie dvoch žiaroviek

Séria alebo sériové pripojenie

Vyjadrenie: Súčasti (napr. Rezistory, žiarovky alebo spínače) môžu byť navzájom spojené do série. Jeden hovorí o sériovom prepojení dvoch komponentov.
Pojem sériové pripojenie sa používa ako synonymum pre sériové pripojenie, ale výraz „séria“ je dnes jasnejším a bežnejším výrazom.
Príklad: Rozprávkové svetlá pozostávajú z mnohých žiaroviek, ktoré vyžadujú napätie oveľa nižšie ako 230 V. Pri rozprávkových svetlách bez predradníka (napr. Transformátor) sú žiarovky zapojené do série tak, že je medzi ne rozdelené napätie. S 23 žiarovkami v sérii by každá žiarovka mala napätie 10 V.

Obrázok 8: Sériové pripojenie dvoch žiaroviek na nepájivej doske

Obrázok 8a: Sériové pripojenie dvoch žiaroviek

Čo funguje a čo nie?

Na hodinách základnej školy je dobré nechať študentov robiť malé experimenty, aby sami zistili, čo funguje a čo nie. Najjednoduchší spôsob, ako to urobiť, je zostaviť malý obvod pozostávajúci z batérie a žiarovky. Ak otvoríte tento obvod v jednom bode a vložíte príslušný objekt, môžete skontrolovať, či ide o vodič alebo nie. Nasleduje početné položky vhodné pre tieto experimenty.

Kovy

Kovy sú všeobecne dobré vodiče. Existujú lepšie a horšie kovové vodiče, ale to sa nedá preukázať tu uvedenou štruktúrou.
Príklady na vyskúšanie:
- Spinka na papier
- klinec
- špendlík
- iné kovové povrchy (sponky, sponky atď.)
Obmedzenia v (pedagogickej) praxi:
- Niektoré drôty sú pokryté tenkou, často priehľadnou vrstvou laku. Ak chcete použiť také drôty ako vodiče, musí sa na koncoch odstrániť vrstva laku, pretože to má izolačný účinok.
- Kovy môžu oxidovať. Výsledná vrstva oxidu by sa mala odstrániť podobným spôsobom ako smalt na drôtoch.

Plasty

Väčšina plastov je dobrých izolátorov. Neprinášajú takmer žiadnu elektrinu.
Príklady na vyskúšanie:
- stud
- Plstené pero
- Plastové puzdro
- Fľaša pre domácich miláčikov

Obrázok 9: Sklenené izolátory na vedeniach vysokého napätia
(Zdroj: Crossbill,
Wikimedia Commons, artlibre)

Keramika a sklo

Keramika sa tiež často používa ako izolátor. Izolátory na vysokonapäťových vedeniach sú príkladom každý deň.
Príklady na vyskúšanie:
- Pohár alebo tanier
- kvetináč
- Pohár na pitie
- sklenená fľaša

Suché drevo vedie veľmi zle (takmer vôbec)
Ak drevo zvlhne, zvýši sa jeho vodivosť
Príklady na vyskúšanie:
- špáradlo
- Kebabový špíz
- Pobočka
- Drevené pravítko
- farbičky

Elektrický obvod

Elektrický obvod sa vždy skladá zo zdroja prúdu alebo napätia a rôznych prvkov, ktoré sú navzájom spojené tak, že sa vytvorí vodivý „kruh“; jeden preto hovorí o uzavretom okruhu.

Najjednoduchší obvod pozostáva z batérie (zdroj napätia) a drôtu, ktorý spája dva póly batérie. Takýto obvod však predstavuje jeden Skrat Pretože odpor drôtu je veľmi malý, je prúd v prípade skratu veľmi vysoký [4]; drôt sa zahrieva.

Z tohto dôvodu by mal byť do obvodu zabudovaný spotrebiteľ (napr. Žiarovka alebo motor). Spotrebiteľ má väčší odpor, a tým obmedzuje prúd. Najjednoduchší („zmysluplný“) okruh preto pozostáva z:

batéria,
Spotrebitelia,
dva vodiče, ktoré každý spájajú jeden pól batérie s jedným pripojením spotrebiteľa.

Obrázok 10: Jednoduchý obvod

Tento jednoduchý obvod je možné rozšíriť o ďalšie spotrebiče, ale aj o ďalšie zdroje napätia alebo prúdu alebo spínače. Tieto potom musia byť zapojené do série alebo paralelne.

Obrázok 11: Príklady ďalších obvodov (pre zväčšenie kliknite na obrázok)
a) Sériové pripojenie s dvoma batériami - žiarovky svietia jasnejšie ako pri jednoduchom sériovom zapojení z obr. 8a (napätie a prúd sú tu dvakrát väčšie).
b) Sériové pripojenie s tromi batériami - žiarovky svietia ešte jasnejšie (napätie a sila prúdu sú tu trikrát väčšie ako pri jednoduchom sériovom zapojení na obr. 8a).
c) Sériové pripojenie s tromi batériami, z ktorých dve sa navzájom „rušia“, pretože dva záporné póly alebo dva kladné póly sú navzájom spojené. Žiarovky svietia rovnako jasne ako pri jednoduchom sériovom zapojení na obr. 8a (napätie a prúd sú v obidvoch prípadoch rovnaké).
d) Sériové pripojenie s dvoma batériami, ktorých záporné póly sú navzájom spojené. Žiarovky vôbec nesvietia (napätie a prúd sú nulové).
e) Obvod s dvoma paralelne zapojenými batériami - lampa svieti rovnako jasne ako v jednoduchom okruhu iba s jednou batériou (obr. 10). Napätie a prúd sú v obidvoch prípadoch rovnaké.

Poznámky pod čiarou

1: Skratky DC a AC sa často používajú pre jednosmerné a striedavé napätie. Stoja za jednosmerný prúd (= Jednosmerný prúd) a striedavý prúd (= Striedavý prúd).

2: Menovité napätie je hodnota napätia špecifikovaná výrobcom, ktorú poskytuje batéria alebo akumulátor pri normálnej prevádzke.

3: Prostredníctvom vzťahov „sa výkon rovná napätiu krát prúd“ (P = U I) a „napätie sa rovná odporu krát prúd“ (U = R I), pre napätie platí: U = √ (PR) (Napätie sa rovná druhej odmocnine výkonu krát odpor).

4: Pretože napätie batérie je konštantné, vyplýva to zo vzorca U = R I, že pri malom odpore je prúd veľký.