Informații generale despre circuitele electrice
Mulți oameni se tem de electricitate. Acest lucru este parțial justificat. Cu toate acestea, dacă manipulați electricitatea în mod corespunzător și utilizați echipamentul adecvat, nu aveți de ce să vă faceți griji. Următorul text explică ce dispozitive puteți utiliza fără ezitare. De asemenea, introduce câteva elemente de bază care sunt importante pentru utilizarea în siguranță a energiei electrice.
Ce dispozitive sunt potrivite pentru predare?
Tensiune și surse de curent
Practic, circuitele electrice sunt permise în lecții sub nici o forma conectat la o priză electrică. Tensiunea la priză este de 230 volți (sau 400 volți la o priză trifazată) și este care pune viața în pericol. Astfel de tensiuni ridicate pot fi utilizate în siguranță numai în viața de zi cu zi cu măsuri de protecție adecvate (a se vedea „Sisteme electrice - sisteme electrice în casă”). Dacă un circuit electric este instalat în clasă, aceste măsuri de protecție nu pot fi de obicei respectate, astfel încât trebuie utilizate surse de tensiune adecvate.
Sunt adecvate sursele de tensiune care asigură așa-numita tensiune extra-scăzută de protecție cu separare fiabilă. Pentru experimentele studenților, nu trebuie depășită o tensiune alternativă de 25 volți sau o tensiune directă de 60 volți [1].
Sursele de tensiune adecvate includ baterii sau acumulatori (baterii reîncărcabile) cu tensiuni nominale [2] de 1,5 V, 4,5 V sau 9 V. Bateriile și bateriile reîncărcabile sunt, de asemenea, foarte potrivite, deoarece reprezintă o referință la viața de zi cu zi a elevilor . Sursele de tensiune adecvate includ, de asemenea, unități de alimentare care produc o tensiune corespunzătoare scăzută. Este recomandabil să utilizați oferta producătorilor cunoscuți de materiale didactice. Avantajul este că pot fi setate diferite tensiuni pe aceste dispozitive.
Lămpi, rezistențe, .
Lămpile funcționează bine pentru construirea unui circuit simplu. Cu lămpile se poate observa efectul electricității vizibil do. În plus, o lampă strălucitoare (sau nu strălucitoare sau slab strălucitoare) este ușor de tras atunci când circuitul urmează să fie copiat în registrul de lucru sau pe o foaie de lucru.
Fig. 1: Un bec mic (stânga); Harta ușoară pentru a fi utilizată într-o placă de calcul (dreapta)
Asigurați-vă că becurile pe care doriți să le utilizați sunt conectate și la sursa de tensiune „corectă”. O lampă care a fost construită pentru a funcționa la 12 V se aprinde doar foarte slab sau deloc la o tensiune de 1,5 V. Și o lampă care este proiectată să funcționeze la 1,5 V este foarte probabil să se rupă dacă o conectați „la 12 V”.
Rezistențele (de exemplu, pentru panourile de măsurare, vezi Fig. 2) convertesc energia electrică în energie internă (căldură). În acest caz, cunoștințele sau experiența sunt ancorate în memorie prin percepția haptică. Cu toate acestea, o „rezistență caldă” nu este atât de ușor de desenat.
Fig. 2: Rezistor pentru utilizare într-o placă: stânga fără și dreapta cu carcasă
Deoarece rezistențele - asemănătoare lămpilor - sunt proiectate numai pentru o anumită tensiune maximă, trebuie să aveți grijă ca această tensiune să nu fie depășită. Deoarece tensiunea maximă nu este de obicei indicată pe rezistoare, ci puterea maximă, tensiunea maximă corespunzătoare trebuie determinată folosind un mic calcul [3]. În loc să calculați, puteți conecta rezistorul la o sursă de tensiune reglabilă, creșteți încet tensiunea și simțiți cât de cald devine rezistorul. Pericol: Rezistența nu trebuie amplasată într-o carcasă închisă.
Desigur, pe lângă sau în loc de lămpi și rezistențe incandescente, puteți folosi și alți consumatori în circuite electrice: un buzzer, de exemplu, sau o elice mică acționată de motor etc.
Cabluri și fire
În principiu, toate firele (metalice) sunt potrivite pentru construirea circuitelor electrice simple. Cu toate acestea, trebuie evitate firele lungi și subțiri. În majoritatea considerațiilor, se presupune că firele sunt ideale, adică fără rezistență și conductoare. Cu firele lungi și subțiri, însă, rezistența este relativ mare. Rezultatul este că este posibil ca o lampă să nu se aprindă deoarece prea multă tensiune la rezistența firului scade.
Fig. 3: Cablu (stânga) și poduri (dreapta)
Cablurile de laborator prefabricate pentru școli au avantajul că prizele se încadrează în plăcile, întrerupătoarele sau prizele de lămpi corespunzătoare.
Există, de asemenea, punți pentru panoul de testare, cu care se pot „face” conexiunile de sârmă de pe panoul de testare. Avantajul acestor componente este că circuitul arată mai asemănător cu diagrama circuitului de bază. Firele din magazinul de hardware sunt mai ieftine.
Întrerupătoare, panouri, .
Producătorii de materiale didactice oferă diverse seturi de materiale, ale căror elemente - întrerupătoare, plăci conectabile cu punți etc. - se potrivesc.
Fig. 4: Panou cu poduri și bec. Sursa de tensiune este conectată prin cabluri de laborator.
Totuși, în funcție de scopul lecției, puteți asambla un circuit și în alte moduri, de exemplu, ajutându-vă prin casă. În acest fel, circuitele pot fi închise cu tachete la capetele sârmei deschise. Este important doar să îi faceți pe elevii să înțeleagă că acest lucru se poate face numai în experimente în școală sau numai cu surse de joasă tensiune. Panourile au avantajul că circuitul este foarte asemănător cu o diagramă a circuitului. Acest lucru promovează conectarea la schemă a circuitului abstract cu configurarea testului.
Fig. 5: Circuit simplu cu baterie, agrafe, fire de cupru și bec
Termeni și expresii importante
Folosiți limbajul tehnic corect
În teoria electricității, există un limbaj tehnic care ar trebui să asigure că relațiile tehnice sunt exprimate cu precizie și cât mai clar posibil. Dacă limbajul tehnic este utilizat corect, acesta poate ajuta, de asemenea, la evitarea sau disiparea concepțiilor greșite.
Faceți apel la profesorii care se ocupă cu tema electricității în clasă
- Încercați să utilizați singur un limbaj tehnic corect. Serviți ca model pentru elevi și puteți provoca mari dificultăți de învățare în cariera școlară ulterioară a elevilor dvs., prin limbaj tehnic incorect.
- Introduceți termeni tehnici cheie în clasa dvs. și exersați expresii de bază cu elevii.
Cei mai importanți termeni și expresii dintr-o privire
electricitate
- Expresie: curge un curent.
- Un curent este numărarea sarcinilor care trec de punctul de măsurare într-un anumit timp. Puteți vizualiza finalizarea într-un maraton, unde numărați într-o anumită perioadă de timp câți alergători au trecut linia de sosire. În acest moment nu primiți nicio informație despre viteză - pentru a o măsura, veți avea nevoie de cel puțin două puncte de măsurare. Afirmația care poate fi făcută în acest moment este: Cu cât mai mulți alergători traversează linia de sosire într-o anumită perioadă de timp, cu atât este mai mare „curentul de alergător”. Același lucru se aplică curentului electric: cu cât mai multe sarcini trec de punctul de măsurare, cu atât este mai mare curentul (puterea curentului).
tensiune
- Expresie: o tensiune se datorează ceva (de exemplu, în puncte, pe conductori sau pe rezistențe).
- O tensiune poate fi înțeleasă ca un fel de eforturi pentru egalizarea sarcinilor. Dacă există un raport dezechilibrat al cheltuielilor la un moment dat - adică un exces de cheltuieli pozitive sau negative - și nu la un alt moment, se depune efortul de a echilibra cheltuielile. Tensiunea este cea care setează mișcarea de încărcare în mișcare să se echilibreze; vezi analogia coloanei de apă.
energie
- Expresie: Energia este transferată (transportată), convertită sau devalorizată.
- În circuitele electrice, energia este transmisă sau transportată de la sursă (sursa de tensiune în configurarea testului) prin intermediul liniilor electrice către consumator. Acolo este transformat în alte forme de energie (de exemplu, în energie internă [încălzirea mediului], lumină sau energie cinetică). Deoarece procesul opus, de exemplu conversia energiei cinetice în energie electrică, nu are loc de la sine (acest lucru este posibil numai dacă utilizați din nou energia), procesul se mai numește și depreciere a energiei.
rezistenţă
- Rezistența este o construcție abstractă. Un rezistor este cantitatea care limitează curentul la o tensiune specificată. Cu cât rezistența este mai mare (adică ceea ce limitează curentul), cu atât este mai mic curentul.
- O componentă care servește doar acestui scop (limitarea curentului) este numită și rezistor. În acest caz, termenul nu este abstract, ci descrie componenta.
Fig. 6: Rezistențe diferite
Conexiune paralelă
- Expresie: Componentele (de exemplu, rezistențe, lămpi sau întrerupătoare) pot fi conectate în paralel unele cu altele. Se vorbește despre o conexiune paralelă a două componente.
- Dacă două componente sunt aranjate paralel unele cu altele și capetele sau conexiunile lor de pe aceeași parte sunt conectate electric unele cu altele, se vorbește despre o conexiune paralelă. Această conexiune paralelă poate fi integrată într-un circuit (vezi Fig. 7).
- Exemplu: consumatorii din gospodărie (lămpi, aparate de bucătărie, televizoare, uscătoare de păr etc.) sunt conectați în paralel unul cu celălalt. Motivul simplu pentru aceasta este că acesta este singurul mod de a garanta că o tensiune de 230 V este disponibilă pentru toată lumea. Dacă mai multe dispozitive ar fi conectate în serie, ar trebui să împartă tensiunea de 230 volți; fiecare dispozitiv ar avea doar o tensiune mai mică disponibilă.
Fig. 7: Conexiune în paralel a două lămpi pe o placă de măsurare
Fig. 7a: Conexiune în paralel a două lămpi
Seria sau conexiunea în serie
- Expresie: Componentele (de exemplu rezistențe, lămpi sau comutatoare) pot fi conectate în serie între ele. Se vorbește despre o conexiune în serie a două componente.
Termenul conexiune serie este folosit ca sinonim pentru conexiune serie, dar „serie” este termenul mai clar și mai obișnuit astăzi. - Exemplu: Lămpile de zână sunt formate din multe lămpi care necesită o tensiune mult mai mică de 230 V. Cu lumini de zână fără balast (de exemplu, un transformator), lămpile sunt conectate în serie, astfel încât tensiunea să fie împărțită între ele. Cu 23 de lămpi în serie, o tensiune de 10 V ar fi aplicată fiecărei lămpi.
Fig. 8: Conexiune în serie a două lămpi pe o placă de măsurare
Fig. 8a: Conexiune în serie a două lămpi
Ce funcționează și ce nu?
În lecțiile de școală elementară este o idee bună să lăsați elevii să facă mici experimente pentru a afla singuri ce funcționează și ce nu. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este să construiți un circuit mic format dintr-o baterie și o lampă. Dacă deschideți acest circuit la un moment dat și introduceți obiectul respectiv, puteți verifica dacă este sau nu un conductor. Următoarele sunt numeroase elemente care sunt potrivite pentru aceste experimente.
Metale
- Metalele sunt în general conductori buni. Există conductori metalici mai buni și mai răi, dar acest lucru nu poate fi dovedit cu structura prezentată aici.
- Exemple de încercat:
- Agrafă de birou
- cuie
- pin
- alte suprafețe metalice (capse, capse etc.)
- Limitări în practica (de predare):
- Unele fire sunt acoperite cu un strat subțire, adesea transparent de lac. Dacă doriți să utilizați astfel de fire ca conductori, stratul de lac trebuie îndepărtat la capete, deoarece acesta are un efect izolator.
- Metalele se pot oxida. Stratul de oxid rezultat trebuie îndepărtat în mod similar cu smalțul de pe fire.
Plastic
- Majoritatea materialelor plastice sunt izolatori buni. Nu transportă aproape electricitate.
- Exemple de încercat:
- herghelie
- Stilou de pâslă
- Cutie de plastic
- Sticla pentru animale de companie
(Sursa: Crossbill,
Wikimedia Commons, artlibre)
Ceramică și sticlă
- Ceramica este, de asemenea, adesea folosită ca izolator. Izolatorii de pe liniile de înaltă tensiune sunt un exemplu de zi cu zi.
- Exemple de încercat:
- Cupă sau farfurie
- Ghiveci
- Pahar de băut
- sticla de sticla
- Lemnul uscat se comportă foarte prost (aproape deloc)
- Dacă lemnul devine umed, conductivitatea acestuia crește
- Exemple de încercat:
- scobitoare
- Frigarui Kebab
- Ramură
- Rigla de lemn
- creioane colorate
Circuitul electric
Un circuit electric constă întotdeauna dintr-o sursă de curent sau tensiune și diferite elemente care sunt conectate între ele astfel încât să se creeze un „cerc” conductiv; de aceea se vorbește despre un circuit închis.
Cel mai simplu circuit constă dintr-o baterie (sursă de tensiune) și un fir care conectează cei doi poli ai bateriei. Cu toate acestea, un astfel de circuit reprezintă unul Scurt circuit Deoarece rezistența firului este foarte mică, curentul este foarte mare în cazul unui scurtcircuit [4]; firul se încinge.
Din acest motiv, un consumator (de exemplu, o lampă sau un motor) ar trebui să fie încorporat într-un circuit. Un consumator are o rezistență mai mare și, prin urmare, limitează curentul. Cel mai simplu circuit („semnificativ”) constă, prin urmare, din:
- o baterie,
- Consumatori,
- două fire care conectează fiecare un pol al bateriei la o conexiune a consumatorului.
Fig. 10: Un circuit simplu
Acest circuit simplu poate fi extins de consumatori suplimentari, dar și de surse sau comutatoare suplimentare de tensiune și curent. Acestea trebuie apoi conectate în serie sau în paralel.
Fig. 11: Exemple de alte circuite (faceți clic pe imagine pentru a mări)
A) Conexiune de serie cu două baterii - lămpile strălucesc mai puternic decât în conexiunea de serie simplă din Fig. 8a (tensiunea și curentul sunt de două ori mai mari aici).
b) Conexiune de serie cu trei baterii - lămpile strălucesc și mai puternic (tensiunea și puterea curentului sunt de trei ori mai mari aici decât în conexiunea de serie simplă din Fig. 8a).
c) Conexiune în serie cu trei baterii, dintre care două se „anulează”, deoarece doi poli negativi sau doi poli pozitivi sunt conectați între ei. Lămpile strălucesc la fel de puternic ca în simpla conexiune în serie din figura 8a (tensiunea și curentul sunt aceleași în ambele cazuri).
d) Conexiune de serie cu două baterii ai căror poli negativi sunt conectați între ei. Lămpile nu se aprind deloc (tensiunea și curentul sunt zero).
e) Circuit cu două baterii conectate în paralel - lampa strălucește la fel de puternic ca în circuitul simplu cu o singură baterie (Fig. 10). Tensiunea și curentul sunt aceleași în ambele cazuri.
Note de subsol
1: Abrevierile DC și AC sunt adesea folosite pentru tensiunea directă și tensiunea alternativă. Ele reprezintă curent continuu (= Curent continuu) și curent alternativ (= Curent alternativ).
2: Tensiunea nominală este valoarea de tensiune specificată de producător pe care bateria sau acumulatorul o oferă în funcționare normală.
3: Prin relațiile „puterea este egală cu tensiunea de curent” (P = U I) și „tensiunea este egală cu rezistența la curent” (U = R I), urmează pentru tensiune: U = √ (P R) (Tensiunea este egală cu rădăcina pătrată a puterii de rezistență).
4: Deoarece tensiunea bateriei este constantă, rezultă din formulă U = R I, că, cu o rezistență mică, curentul este mare.