Загальна інформація про електричні схеми

Багато людей бояться електрики. Це частково виправдано. Однак, якщо ви правильно поводитесь з електроенергією та використовуєте відповідне обладнання, турбуватися нема про що. У наступному тексті пояснюється, якими пристроями можна користуватися, не вагаючись. Він також вводить деякі основи, важливі для безпечного використання електроенергії.

Які пристосування підходять для навчання?

Джерела напруги та струму

В основному: Електричні схеми дозволяються на уроках ні за яких обставин підключений до електричної розетки. Напруга на розетці становить 230 вольт (або 400 вольт у трифазній розетці) і становить загрожує життю. Такі високі напруги можна безпечно використовувати в повсякденному житті лише за допомогою відповідних захисних заходів (див. "Електричні системи - електричні системи в будинку"). Якщо в класі встановлено електричну ланцюг, цих захисних заходів зазвичай не можна дотримуватися, тому необхідно використовувати відповідні джерела напруги.

Підходять джерела напруги, які забезпечують так звану захисну наднизьку напругу з надійним розділенням. Для експериментів студентів не слід перевищувати напругу 25 вольт змінної напруги або 60 вольт прямої напруги [1].

Відповідні джерела напруги включають батареї або акумулятори (акумуляторні батареї) з номінальною напругою [2] 1,5 В, 4,5 В або 9 В. Батареї та акумулятори також дуже підходять, оскільки вони є посиланням на повсякденне життя студентів . Відповідні джерела напруги також включають блоки живлення, які виводять відповідно низьку напругу. Доцільно скористатися пропозицією відомих виробників навчальних матеріалів. Перевага полягає в тому, що на цих пристроях можна встановлювати різні напруги.

Лампи, резистори, .

Лампи добре працюють для побудови простого контуру. За допомогою ламп можна побачити ефект електрики видно робити. Крім того, світиться (або не світиться, або неяскраво/сильно світиться) лампу легко намалювати, коли ланцюг потрібно скопіювати в книзі або на аркуші.

Рис. 1: Маленька лампочка (зліва); Світла карта для використання в макетній панелі (праворуч)

Переконайтеся, що лампочки, які ви хочете використовувати, також підключені до "правильного" джерела напруги. Лампа, яка була побудована для роботи при напрузі 12 В, освітлює дуже слабо або взагалі не працює при напрузі 1,5 В. А лампа, розроблена для роботи на 1,5 В, дуже ймовірно зламається, якщо підключити її «до 12 В».

Резистори (наприклад, для макетів, див. Рис. 2) перетворюють електричну енергію у внутрішню енергію (тепло). У цьому випадку знання або досвід закріплюються в пам'яті завдяки тактильному сприйняттю. Однак "теплий опір" намалювати не так просто.

Рис. 2: Резистор для використання в макетній панелі: зліва і справа з корпусом

Оскільки резистори - подібні до ламп - розраховані лише на певну максимальну напругу, тут слід подбати про те, щоб ця напруга не була перевищена. Оскільки максимальна напруга, як правило, не вказана на резисторах, а максимальна потужність, відповідна максимальна напруга повинна бути визначена за допомогою невеликого розрахунку [3]. Замість розрахунку ви також можете підключити резистор до регульованого джерела напруги, повільно збільшувати напругу і відчувати, наскільки теплим стає резистор. Небезпека: Для цього резистор не повинен знаходитися в закритому корпусі.

Звичайно, крім або замість ламп розжарювання та резисторів, в схемах можуть бути використані інші споживачі: зумер, наприклад, або невеликий двигун з гвинтом тощо.

Лінії та дроти

В принципі, всі (металеві) дроти придатні для створення простих електричних ланцюгів. Однак слід уникати довгих тонких проводів. У більшості міркувань дроти вважаються ідеальними, тобто без опору і провідними. Однак із довгими тонкими проводами опір є відносно високим. Результат полягає в тому, що лампа може не загорітися, оскільки занадто велика напруга на дротовому резисторі падає.

Рис. 3: Кабель (зліва) та мости (справа)

Збірні лабораторні кабелі для шкіл мають ту перевагу, що вилки вставляються у відповідні плати, вимикачі або розетки ламп.

Є також мости для макету, за допомогою яких на макеті можна «зробити» дротові з’єднання. Перевага цих компонентів полягає в тому, що схема виглядає більш схожою на схему, що лежить в основі. Провід від будівельного магазину дешевший.

Вимикачі, макети, .

Виробники навчальних матеріалів пропонують різні набори матеріалів, елементи яких - вимикачі, вставні плати з мостами тощо - поєднуються між собою.

Рис. 4: Макет із містками та лампочкою. Джерело напруги підключається за допомогою лабораторних кабелів.

Однак, залежно від мети уроку, ви також можете зібрати схему іншими способами, наприклад, допомагаючи собі навколо будинку. Таким чином, ланцюги можуть бути замкнені затискачами на відкритих кінцях проводів. Важливо лише, щоб ви дали зрозуміти своїм учням, що це можна робити лише під час експериментів у школі або лише з джерелами низької напруги. Макетні дошки мають ту перевагу, що схема дуже схожа на схему. Це сприяє об'єднанню абстрактної принципової схеми з тестовою установкою.

Рис. 5: Проста схема з акумулятором, скріпками, мідними дротами та лампочкою

Важливі терміни та вирази

Використовуйте правильну технічну мову

У теорії електроенергії існує технічна мова, яка покликана забезпечити точне і якомога однозначніше вираження технічних взаємозв’язків. Якщо технічна мова використовується правильно, це також може допомогти уникнути або розвіяти помилкові уявлення.

Звернення до вчителів, які займаються темою електрики на уроці

Спробуйте використовувати правильну технічну мову самостійно. Ви слугуєте взірцем для наслідування студентів і може спричинити великі труднощі у навчанні в подальшій шкільній кар’єрі ваших учнів через неправильну технічну мову.
Введіть ключові технічні терміни у свій клас і відпрацьовуйте базові висловлювання зі студентами.

Найважливіші терміни та вирази з одного погляду

електрика

Вираз: тече струм.
Струм - це підрахунок зарядів, які проходять точку вимірювання протягом певного часу. Ви можете уявити фініш у марафоні, де підраховуєте протягом певного періоду, скільки бігунів перетнуло фінішну пряму. На даний момент ви не отримуєте ніякої інформації про швидкість - для вимірювання вам знадобляться принаймні дві точки вимірювання. На даний момент можна зробити твердження: чим більше бігунів перетинає фінішну пряму за певний проміжок часу, тим більший "струм бігуна". Те саме стосується електричного струму: чим більше зарядів проходить точку вимірювання, тим більший струм (сила струму).

напруженість

Вираз: напруга обумовлена чимось (наприклад, в точках, на провідниках або на резисторах).
Під напругою можна розуміти своєрідне прагнення до вирівнювання зарядів. Якщо є незбалансоване співвідношення зарядів в одній точці - тобто перевищення позитивних чи негативних зарядів - а не в іншій точці, намагаються збалансувати заряди. Напруга - це те, що приводить рух заряду в рух, щоб збалансувати; див. аналогію водного стовпа.

енергія

Вираз: Енергія передається (транспортується), перетворюється або знецінюється.
В електричних ланцюгах енергія передається або транспортується від джерела (джерела напруги в тестовій установці) через електричні лінії до споживача. Там вона перетворюється в інші форми енергії (наприклад, у внутрішню енергію [зігрівання навколишнього середовища], світлову або кінетичну енергію). Оскільки протилежний процес, наприклад, перетворення кінетичної енергії в електричну, не відбувається сам по собі (це можливо лише за умови повторного використання енергії), процес також називається амортизацією енергії.

опір

Опір - абстрактна конструкція. Резистор - це величина, яка обмежує струм при заданій напрузі. Чим більше опір (тобто те, що обмежує струм), тим менший струм.
Компонент, який служить лише для цієї мети (обмежує струм), також називають резистором. У цьому випадку термін не є абстрактним, а описує компонент.

6: Різні опори

Паралельне підключення

Вираз: Компоненти (наприклад, резистори, лампи або вимикачі) можна підключати паралельно один одному. Один говорить про паралельне з'єднання двох компонентів.
Якщо два компоненти розташовані паралельно один одному, а їх кінці або з'єднання на одній стороні електрично з'єднані один з одним, говориться про паралельне з'єднання. Це паралельне з'єднання може бути інтегровано в схему (див. Рис. 7).
Приклад: споживачі в домашньому господарстві (світильники, кухонні прилади, телевізори, фени та ін.) Всі паралельно підключені. Проста причина цього полягає в тому, що це єдиний спосіб гарантувати, що напруга 230 В доступна кожному. Якби кілька пристроїв було підключено послідовно, їм довелося б розділяти напругу 230 вольт; кожен пристрій мав би лише нижчу напругу.

Рис. 7: Паралельне підключення двох ламп на макетній дошці

Рис. 7а: Паралельне підключення двох ламп

Серія або послідовне з'єднання

Вираз: Компоненти (наприклад, резистори, лампи або вимикачі) можна з'єднувати послідовно один з одним. Один говорить про послідовне з'єднання двох компонентів.
Термін серійне зв’язок використовується як синонім серійного зв’язку, але сьогодні «серія» є більш чітким і поширеним терміном.
Приклад: Казкові вогні складаються з безлічі ламп, для яких потрібна напруга набагато нижче 230 В. З казковими вогнями без баласту (наприклад, трансформатора) лампи підключаються послідовно, так що напруга розподіляється між ними. Маючи послідовно 23 лампи, кожна лампа мала б напругу 10 В.

8: Серійне підключення двох ламп на макетній дошці

8a: Послідовне підключення двох ламп

Що працює, а що ні?

На уроках у початковій школі бажано дозволити учням робити невеликі експерименти, щоб самі з’ясувати, що працює, а що ні. Найпростіший спосіб зробити це - побудувати невелику схему, що складається з батареї та лампи. Якщо в одній точці розімкнути цю ланцюг і вставити відповідний об'єкт, можна перевірити, є це провідником чи ні. Далі подано численні предмети, які підходять для цих експериментів.

Метали

Метали, як правило, хороші провідники. Є кращі і гірші металеві провідники, але це неможливо довести за допомогою представленої тут структури.
Приклади для випробування:
- Скріпка
- цвях
- шпилька
- інші металеві поверхні (скоби, скоби тощо)
Обмеження в (викладацькій) практиці:
- Деякі дроти покриті тонким, часто прозорим шаром лаку. Якщо ви хочете використовувати такі дроти як провідники, шар лаку потрібно зняти на кінцях, оскільки це має ізолюючий ефект.
- Метали можуть окислюватися. Отриманий оксидний шар слід видалити подібним чином до фарби на дротах.

Пластмаси

Більшість пластмас є хорошими ізоляторами. Вони майже не несуть електрику.
Приклади для випробування:
- студ
- Фломастер
- Пластиковий футляр
- Пляшка для домашніх тварин

9: Скляні ізолятори на високовольтних лініях
(Джерело: Crossbill,
Wikimedia Commons, artlibre)

Кераміка та скло

Кераміка також часто використовується як утеплювач. Повсякденним прикладом є ізолятори на високовольтних лініях.
Приклади для випробування:
- Чашка або тарілка
- горщик для рослин
- Поїлка
- скляна пляшка

Суха деревина веде себе дуже погано (майже зовсім не)
Якщо деревина стає вологою, її провідність збільшується
Приклади для випробування:
- зубочистка
- Шашлик на шашлик
- Відділення
- Дерев'яна лінійка
- кольорові олівці

Електрична схема

Електрична ланцюг завжди складається з джерела струму або напруги та різних елементів, які з’єднані між собою таким чином, що створюється провідне «коло»; отже, йдеться про замкнений контур.

Найпростіша схема складається з батареї (джерела напруги) і дроту, що з'єднує два полюси батареї. Однак така схема представляє одну Коротке замикання Оскільки опір дроту дуже малий, струм дуже великий у разі короткого замикання [4]; дріт нагрівається.

З цієї причини споживач (наприклад, лампа або двигун) повинен бути вбудований в ланцюг. Споживач має більший опір і тим самим обмежує струм. Отже, найпростіша ("значуща") схема складається з:

акумулятор,
Споживачі,
два дроти, кожен з яких приєднує один полюс акумулятора до одного підключення споживача.

10: Проста схема

Ця проста схема може бути розширена додатковими споживачами, а також додатковими джерелами напруги та струму або вимикачами. Потім вони повинні бути з'єднані послідовно або паралельно.

Рис. 11: Приклади інших схем (натисніть на зображення, щоб збільшити)
а) Послідовне підключення з двома батареями - лампи світять яскравіше, ніж при простому послідовному підключенні на рис. 8а (тут напруга і сила струму вдвічі більші).
б) Послідовне підключення з трьома батареями - лампи світять ще яскравіше (напруга та сила струму тут утричі більші, ніж при простому послідовному підключенні на рис. 8а).
в) Послідовне з'єднання з трьома батареями, дві з яких "скасовують" одна одну, оскільки два негативні полюси або два позитивні полюси з'єднані між собою. Лампи світять так само яскраво, як і при простому послідовному підключенні на рис. 8а (напруга і сила струму однакові в обох випадках).
г) Послідовне з'єднання з двома батареями, негативні полюси яких з'єднані один з одним. Лампи взагалі не світяться (напруга та струм дорівнюють нулю).
д) Схема з двома паралельно підключеними батареями - лампа світить так само яскраво, як і в простому контурі лише з однією батареєю (рис. 10). Напруга і струм однакові в обох випадках.

Виноски

1: Абревіатури постійного та змінного струму часто використовуються для прямої та змінної напруги. Вони означають постійний струм (= Постійний струм) та змінний струм (= Змінний струм).

2: Номінальна напруга - це значення напруги, зазначене виробником, яке акумулятор або акумулятор забезпечує в нормальній роботі.

3: Через співвідношення "потужність дорівнює напрузі в струмі" ((P = U I) і "напруга дорівнює опору, помноженому на струм" (U = R I), для напруги випливає: U = √ (P R) (Напруга дорівнює квадратному кореню потужності, помноженому на опір).

4: Оскільки напруга акумулятора є постійним, це випливає з формули U = R I, що при малому опорі сила струму велика.