Обща информация за електрическите вериги

Много хора се страхуват от електричество. Това отчасти е оправдано. Ако обаче боравите с електричеството правилно и използвате подходящото оборудване, няма от какво да се притеснявате. Следващият текст обяснява кои устройства можете да използвате без колебание. Той също така въвежда някои основи, които са важни за безопасното използване на електричеството.

Кои устройства са подходящи за обучение?

Източници на напрежение и ток

По принцип: В уроците са разрешени електрически вериги при никакви обстоятелства свързан към електрически контакт. Напрежението в контакта е 230 волта (или 400 волта в трифазен контакт) и е животозастрашаваща. Такива високи напрежения могат да се използват безопасно само в ежедневието, като се вземат подходящи защитни мерки (виж "Електрически системи - електрически системи в къщата"). Ако електрическа верига е настроена в клас, тези защитни мерки обикновено не могат да се спазват, така че трябва да се използват подходящи източници на напрежение.

Подходящи са източници на напрежение, които осигуряват така нареченото защитно свръхниско напрежение с надеждно разделяне. За студентски експерименти не трябва да се превишава напрежение от 25 волта променливо напрежение или 60 волта директно напрежение [1].

Подходящите източници на напрежение включват батерии или акумулатори (акумулаторни батерии) с номинално напрежение [2] от 1,5 V, 4,5 V или 9 V. Батериите и акумулаторните батерии също са много подходящи, защото представляват препратка към ежедневието на учениците . Подходящите източници на напрежение включват също захранващи блокове, които извеждат съответно ниско напрежение. Препоръчително е да използвате офертата на известни производители на учебни материали. Предимството е, че на тези устройства могат да се задават различни напрежения.

Лампи, резистори, .

Лампите работят добре за изграждане на проста верига. С лампите може да се види ефектът от електричеството видими направете. В допълнение, светеща (или не светеща или неясна/силно светеща) лампа е лесно да се направи, когато веригата трябва да бъде копирана в работната книга или на работен лист.

Фиг. 1: Малка лампа с нажежаема жичка (вляво); Лека карта за използване в макет (вдясно)

Уверете се, че крушките, които искате да използвате, също са свързани към "правилния" източник на напрежение. Лампа, която е построена да работи при 12 V, светва много слабо или изобщо не при напрежение 1,5 V. А лампата, която е проектирана да работи при 1,5 V, е много вероятно да се счупи, ако я свържете "до 12 V".

Резисторите (напр. За макети, вижте фиг. 2) преобразуват електрическата енергия във вътрешна енергия (топлина). В този случай знанието или опитът се закрепват в паметта чрез хаптично възприятие. Въпреки това, "топло съпротивление" не е толкова лесно да се направи.

Фиг. 2: Резистор за използване в макет: ляво без и дясно с корпус

Тъй като резисторите - подобно на лампите - са проектирани само за определено максимално напрежение, тук трябва да се внимава това напрежение да не бъде превишено. Тъй като максималното напрежение обикновено не е посочено на резисторите, а максималната мощност, съответното максимално напрежение трябва да се определи с помощта на малко изчисление [3]. Вместо да изчислявате, можете също да свържете резистора към регулируем източник на напрежение, бавно да увеличавате напрежението и да усещате колко топъл става резисторът. Опасност: Резисторът не трябва да се намира в затворен корпус.

Разбира се, освен или вместо електрически крушки и резистори, можете да използвате и други консуматори във вериги: зумер например или малко моторно витло и др.

Линии и проводници

По принцип всички (метални) проводници са подходящи за изграждане на прости електрически вериги. Въпреки това, дългите тънки проводници трябва да се избягват. В повечето съображения се счита, че проводниците са идеални, т.е.без съпротивление и проводимост. При дълги тънки проводници обаче съпротивлението е относително високо. Резултатът е, че лампата може да не светне, защото прекалено голямото напрежение на жичния резистор пада.

Фиг. 3: Кабел (вляво) и мостове (вдясно)

Сглобяемите лабораторни кабели за училищата имат предимството, че щепселите се вписват в съответните платки, ключове или гнезда за лампи.

Има и мостове за макет, с които могат да се „правят“ телените връзки на макета. Предимството на тези компоненти е, че веригата изглежда по-подобна на основната електрическа схема. Кабелите от железарския магазин са по-евтини.

Ключове, бордове, .

Производителите на учебни материали предлагат различни комплекти от материали, елементите на които - превключватели, вградени табла с мостове и др. - пасват заедно.

Фиг. 4: Макет с мостове и крушка. Източникът на напрежение е свързан чрез лабораторни кабели.

В зависимост от целта на урока обаче можете да сглобите верига и по други начини, например като си помагате из къщата. По този начин веригите могат да бъдат затворени с фиксатори в отворените краища на проводника. Важно е само да изясните на учениците си, че това може да се направи само по време на експерименти в училище или само с източници с ниско напрежение. Макетите имат предимството, че веригата е много подобна на електрическа схема. Това насърчава свързването на абстрактната електрическа схема с тестовата настройка.

Фиг. 5: Проста верига с батерия, кламери, медни проводници и крушка

Важни термини и изрази

Използвайте правилния технически език

В теорията на електричеството има технически език, който има за цел да гарантира, че техническите връзки се изразяват точно и възможно най-ясно. Ако техническият език се използва правилно, той също може да помогне за избягване или изчистване на заблуди.

Обърнете се към учителите, които се занимават с темата за електричеството в клас

Опитайте се сами да използвате правилния технически език. Служите като модел за подражание на учениците и бихте могли да създадете големи учебни затруднения в по-нататъшната училищна кариера на вашите ученици чрез грешен технически език.
Въведете ключови технически термини във вашия клас и практикувайте основни изрази с учениците.

Най-важните термини и изрази с един поглед

електричество

Израз: Тече ток.
Токът е броене на заряди, които преминават през точката на измерване в рамките на определено време. Можете да визуализирате финала в маратон, където преброявате за определен период от време колко бегачи са преминали финалната линия. В този момент не получавате никаква информация за скоростта - за да я измерите, ще ви трябват поне две точки за измерване. Твърдението, което може да се направи в този момент, е: Колкото повече бегачи преминават финалната линия за определен период от време, толкова по-голям е "токът на бегача". Същото се отнася и за електрическия ток: колкото повече заряди преминават през точката на измерване, толкова по-голям е токът (силата на тока).

напрежение

Израз: Напрежението се дължи на нещо (напр. В точки, на проводници или на резистори).
Напрежението може да се разбира като вид стремеж към изравняване на зарядите. Ако има небалансирано съотношение на зарядите в една точка - т.е. превишение на положителните или отрицателните заряди - а не в друга точка, се полагат усилия за балансиране на зарядите. Напрежението е това, което кара движението на заряда в движение да балансира; вижте аналогията на водния стълб.

енергия

Израз: Енергията се прехвърля (транспортира), преобразува или обезценява.
В електрическите вериги енергията се предава или транспортира от източника (източник на напрежение в тестовата настройка) чрез електрическите линии до потребителя. Там той се превръща в други форми на енергия (например във вътрешна енергия [затопляне на околната среда], светлина или кинетична енергия). Тъй като обратният процес, например превръщането на кинетичната енергия в електрическа, не се осъществява сам по себе си (това е възможно само ако използвате отново енергия), процесът се нарича още амортизация на енергията.

съпротива

Съпротивата е абстрактна конструкция. Резистор е величината, която ограничава тока при определено напрежение. Колкото по-голямо е съпротивлението (т.е. това, което ограничава тока), толкова по-малък е токът.
Компонент, който служи само за тази цел (ограничаване на тока), се нарича още резистор. В този случай терминът не е абстрактен, а описва компонента.

Фиг. 6: Различни съпротивления

Паралелна връзка

Израз: Компонентите (например резистори, лампи или ключове) могат да бъдат свързани паралелно един към друг. Единият говори за паралелна връзка на два компонента.
Ако два компонента са разположени успоредно един на друг и техните краища или връзки от една и съща страна са електрически свързани един с друг, това говори за паралелна връзка. Тази паралелна връзка може да бъде интегрирана във верига (виж фиг. 7).
Пример: Потребителите в домакинството (лампи, кухненски уреди, телевизори, сешоари,.) Всички са свързани паралелно един към друг. Простата причина за това е, че това е единственият начин да се гарантира, че напрежение от 230 V е достъпно за всички. Ако няколко устройства бяха свързани последователно, те ще трябва да споделят напрежението 230 волта; всяко устройство ще има само по-ниско напрежение на разположение.

Фиг. 7: Паралелно свързване на две лампи на макет

Фиг. 7а: Паралелно свързване на две лампи

Поредица или серийна връзка

Израз: Компонентите (например резистори, лампи или ключове) могат да бъдат свързани последователно един с друг. Единият говори за последователно свързване на два компонента.
Терминът серийна връзка се използва като синоним на серийна връзка, но „серия“ е по-ясният и често срещан термин днес.
Пример: Феите се състоят от много лампи, които изискват напрежение много по-ниско от 230 V. С приказни светлини без баласт (например трансформатор), лампите са свързани последователно, така че напрежението да бъде разделено между тях. С 23 лампи последователно, всяка лампа ще има напрежение 10 V.

Фиг. 8: Серийно свързване на две лампи на макет

Фиг. 8а: Серийно свързване на две лампи

Какво работи и кое не?

В началните училища е добра идея да оставите учениците да правят малки експерименти, за да разберат сами какво работи и кое не. Най-лесният начин да направите това е да изградите малка верига, състояща се от батерия и лампа. Ако отворите тази схема в една точка и поставите съответния обект, можете да проверите дали е проводник или не. Следват многобройни елементи, които са подходящи за тези експерименти.

Метали

По принцип металите са добри проводници. Има по-добри и по-лоши метални проводници, но това не може да бъде доказано с представената тук структура.
Примери за изпробване:
- Кламер
- нокът
- щифт
- други метални повърхности (телбод, телбод и др.)
Ограничения в (преподавателската) практика:
- Някои проводници са покрити с тънък, често прозрачен слой лак. Ако искате да използвате такива проводници като проводници, слоят лак трябва да бъде отстранен в краищата, тъй като това има изолационен ефект.
- Металите могат да се окисляват. Полученият оксиден слой трябва да се отстрани по подобен начин на емайла върху жиците.

Пластмаси

Повечето пластмаси са добри изолатори. Те не носят почти никакво електричество.
Примери за изпробване:
- студ
- Фломастер
- Пластмасов калъф
- Бутилка за домашни любимци

Фиг. 9: Стъклени изолатори на високоволтови линии
(Източник: Crossbill,
Wikimedia Commons, artlibre)

Керамика и стъкло

Керамиката също често се използва като изолатор. Ежедневен пример са изолаторите на високоволтовите линии.
Примери за изпробване:
- Чаша или чиния
- саксия
- Чаша за пиене
- стъклена бутилка

Сухата дървесина се държи много слабо (почти никак)
Ако дървото стане влажно, неговата проводимост се увеличава
Примери за изпробване:
- клечка за зъби
- Шишче за шашлык
- Клон
- Дървена владетел
- цветни моливи

Електрическата верига

Електрическата верига винаги се състои от източник на ток или напрежение и различни елементи, които са свързани помежду си по такъв начин, че да се създаде проводящ "кръг"; следователно се говори за затворена верига.

Най-простата верига се състои от батерия (източник на напрежение) и проводник, който свързва двата полюса на батерията. Такава схема обаче представлява такава Късо съединение Тъй като съпротивлението на проводника е много малко, токът е много голям в случай на късо съединение [4]; жицата се нагрява.

Поради тази причина потребителят (например лампа или мотор) трябва да бъде вграден във верига. Потребителят има по-голяма устойчивост и по този начин ограничава тока. Следователно най-простата („смислена“) схема се състои от:

батерия,
Потребители,
два проводника, всеки от които свързва един полюс на батерията към една връзка на потребителя.

Фиг. 10: Проста схема

Тази проста схема може да бъде разширена от допълнителни потребители, но също и от допълнителни източници на напрежение и ток или ключове. След това те трябва да бъдат свързани последователно или паралелно.

Фиг. 11: Примери за други вериги (щракнете върху изображението, за да увеличите)
а) Серийно свързване с две батерии - лампите светят по-ярко, отколкото при обикновеното последователно свързване на фиг. 8а (тук напрежението и токът са два пъти по-големи).
б) Серийно свързване с три батерии - лампите светят още по-ярко (напрежението и силата на тока тук са три пъти по-големи, отколкото при обикновеното последователно свързване на фиг. 8а).
° С) Серийно свързване с три батерии, две от които се „отменят“, защото два отрицателни полюса или два положителни полюса са свързани един с друг. Лампите светят също толкова ярко, колкото при обикновената последователна връзка на фиг. 8а (напрежението и токът са еднакви и в двата случая).
д) Серийно свързване с две батерии, чиито отрицателни полюси са свързани помежду си. Лампите изобщо не светят (напрежението и токът са нула).
д) Верига с две паралелно свързани батерии - лампата свети също толкова ярко, колкото в обикновената схема само с една батерия (фиг. 10). Напрежението и токът са еднакви и в двата случая.

Бележки под линия

1: Съкращенията DC и AC често се използват за постоянно напрежение и променливо напрежение. Те означават постоянен ток (= Постоянен ток) и променлив ток (= Променлив ток).

2: Номиналното напрежение е стойността на напрежението, посочена от производителя, която батерията или акумулаторът осигурява при нормална работа.

3: Чрез връзките "мощността е равна на напрежение по ток" (P = U I) и "напрежението е равно на съпротивление по ток" (U = R I), следва за напрежението: U = √ (P R) (Напрежението е равно на квадратния корен от мощността по съпротивление).

4: Тъй като напрежението на батерията е постоянно, произтича от формулата U = R I, че при малко съпротивление токът е голям.