Általános információk az elektromos áramkörökről

Sokan félnek az áramtól. Ez részben igazolható. Ha azonban megfelelően kezeli az áramot és a megfelelő berendezéseket használja, akkor nincs miért aggódnia. A következő szöveg elmagyarázza, hogy mely eszközöket használhatja habozás nélkül. Ezenkívül bemutat néhány alapot, amelyek fontosak a villamos energia biztonságos felhasználása szempontjából.

Mely eszközök alkalmasak a tanításra?

Feszültség és áramforrások

Alapvetően az elektromos áramkörök megengedettek az órákon semmilyen körülmények között csatlakozik egy elektromos aljzathoz. Az aljzat feszültsége 230 volt (vagy 400 volt egy háromfázisú aljzatnál), és az életveszélyes. Az ilyen magas feszültségeket csak a mindennapi életben lehet biztonságosan használni megfelelő védintézkedések megtételével (lásd "Elektromos rendszerek - a ház elektromos rendszerei"). Ha elektromos áramkört hoznak létre osztályban, akkor ezeket a védelmi intézkedéseket általában nem lehet betartani, ezért megfelelő feszültségforrásokat kell használni.

Megfelelőek azok a feszültségforrások, amelyek úgynevezett védő extra-alacsony feszültséget biztosítanak megbízható elválasztással. Tanulói kísérletek esetén nem szabad meghaladni a 25 V váltakozó feszültséget vagy a 60 V közvetlen feszültséget [1].

A megfelelő feszültségforrások közé tartoznak az 1,5 V, 4,5 V vagy 9 V névleges feszültségű [2] elemek vagy akkumulátorok (újratölthető elemek). Az elemek és az újratölthető elemek szintén nagyon alkalmasak, mert utalást jelentenek a hallgatók mindennapi életére . A megfelelő feszültségforrások közé tartoznak azok a tápegységek is, amelyek megfelelően alacsony feszültséget adnak ki. Célszerű felhasználni a tananyagok ismert gyártói ajánlatát. Előnye, hogy ezeken az eszközökön különböző feszültségeket lehet beállítani.

Lámpák, ellenállások, .

A lámpák alkalmasak egy egyszerű áramkör kiépítésére. A lámpákkal az elektromos áram hatása látható látható csináld. Ezenkívül egy izzó (vagy nem izzó, vagy gyengén/erősen izzó) lámpát könnyű rajzolni, amikor az áramkört át kell másolni a munkafüzetbe vagy egy munkalapra.

1. ábra: Egy kis izzólámpa (balra); Könnyű térkép kenyérsütőben (jobbra)

Győződjön meg arról, hogy a használni kívánt izzók is csatlakoznak a "megfelelő" feszültségforráshoz. A 12 V-os működésre épített lámpa 1,5 V-os feszültségen csak nagyon gyengén vagy egyáltalán nem világít. És egy 1,5 V feszültségre tervezett lámpa nagy valószínűséggel elszakad, ha "12 V-ra" csatlakoztatja.

Az ellenállások (például a kenyérlapok esetében lásd a 2. ábrát) az elektromos energiát belső energiává (hővé) alakítják. Ebben az esetben a tudás vagy a tapasztalat a haptikus érzékelés révén rögzül a memóriában. A "meleg ellenállást" azonban nem olyan könnyű felhívni.

2. ábra: Ellenállás kenyérlapon: balra és jobbra, házzal együtt

Mivel az ellenállásokat - hasonlóan a lámpákhoz - csak egy bizonyos maximális feszültségre tervezték, itt ügyelni kell arra, hogy ezt a feszültséget ne lépjék túl. Mivel a maximális feszültséget általában nem az ellenállásoknál adják meg, hanem a maximális teljesítményt, ezért a megfelelő maximális feszültséget kis számítással kell meghatározni [3]. Számítás helyett csatlakoztathatja az ellenállást egy állítható feszültségforráshoz, lassan növelheti a feszültséget és érezheti, hogy az ellenállás mennyire melegszik fel. Veszély: Ehhez az ellenállás nem lehet zárt házban.

Természetesen az izzólámpák és ellenállások mellett vagy helyett más fogyasztókat is használhat az elektromos áramkörökben: például egy hangjelzőt vagy egy kis motorral hajtott propellert stb.

Kábelek és vezetékek

Elvileg minden (fém) vezeték alkalmas egyszerű elektromos áramkörök létrehozására. A hosszú vékony vezetékeket azonban el kell kerülni. A legtöbb szempontból feltételezzük, hogy a huzalok ideálisak, azaz ellenállás és vezetőképesség nélkül. Hosszú vékony huzalok esetén azonban az ellenállás viszonylag nagy. Ennek eredményeként előfordulhat, hogy egy lámpa nem világít, mert a huzalellenálláson túl sok feszültség csökken.

3. ábra: Kábel (balra) és hidak (jobbra)

Az iskolák számára előregyártott laboratóriumi kábeleknek az az előnye, hogy a dugók illeszkednek a megfelelő dugaszolható táblákba, kapcsolókba vagy lámpafoglalatokba.

Vannak hidak a kenyérlemez számára is, amelyekkel a kenyérlapon lévő vezeték csatlakozások "elkészíthetők". Ezeknek az alkatrészeknek az az előnye, hogy az áramkör jobban hasonlít az alapul szolgáló kapcsolási rajzra. A boltból származó huzalok olcsóbbak.

Kapcsolók, kenyérlapok, .

A tananyag-gyártók különféle anyagkészleteket kínálnak, amelyek elemei - kapcsolók, hidakkal ellátott dugaszolható táblák stb. - egymáshoz illeszkednek.

4. ábra: Kenyérlemez hidakkal és izzóval. A feszültségforrást laboratóriumi kábeleken keresztül csatlakoztatják.

A lecke céljától függően azonban más módon is összeállíthat egy áramkört, például azzal, hogy segít a ház körül. Ily módon az áramköröket a nyitott vezetékvégeken lévő csapdákkal lehet lezárni. Csak az a fontos, hogy megértesse tanítványaival, hogy ezt csak az iskolában végzett kísérletek vagy csak kisfeszültségű források mellett lehet elvégezni. A tábláknak az az előnye, hogy az áramkör nagyon hasonlít egy kapcsolási rajzra. Ez elősegíti az absztrakt kapcsolási rajz hálózatba kapcsolását a tesztbeállítással.

5. ábra: Egyszerű áramkör akkumulátorral, kapcsokkal, rézhuzalokkal és izzóval

Fontos kifejezések és kifejezések

Használja a megfelelő szaknyelvet

Az elektromosságelméletben létezik olyan szaknyelv, amelynek célja a technikai kapcsolatok pontos és lehető legegyértelműbb kifejezésének biztosítása. Ha a szaknyelvet helyesen használják, az a tévhitek elkerüléséhez vagy eloszlatásához is hozzájárulhat.

Felhívás azokhoz a tanárokhoz, akik az órán a villany témájával foglalkoznak

1. Próbáljon saját maga is helyes szaknyelvet használni. Példaként szolgálsz a hallgatók számára, és rossz tanulási nyelv révén nagy tanulási nehézségeket okozhatsz a tanulók további iskolai pályafutásában.
2. Vezesse be a legfontosabb szakkifejezéseket az osztályában, és gyakorolja az alapvető kifejezéseket a hallgatókkal.

A legfontosabb kifejezések és kifejezések egy pillanat alatt

elektromosság

• Kifejezés: áram áramlik.
• Az áram az a töltésszámlálás, amely egy bizonyos időn belül áthalad a mérési ponton. El tudja képzelni a célt egy maratonban, ahol egy bizonyos idő alatt megszámolja, hogy hány futó lépte át a célvonalat. Ezen a ponton nem kap információt a sebességről - ennek méréséhez legalább két mérési pontra van szüksége. Az a kijelentés, amelyet ezen a ponton el lehet mondani: Minél több futó lépi át a célvonalat egy bizonyos idő alatt, annál nagyobb a "futóáram". Ugyanez vonatkozik az elektromos áramra is: minél több töltés halad át a mérési ponton, annál nagyobb az áram (az áram erőssége).

feszültség

• Kifejezés: A feszültség valaminek köszönhető (pl. Pontokon, vezetőkön vagy ellenállásokon).
• A feszültséget úgy lehet felfogni, mint egyfajta törekvést a töltések kiegyenlítésére. Ha az egyik pontban a töltések aránya kiegyensúlyozatlan - vagyis a pozitív vagy negatív töltések meghaladják -, és egy másik esetben nem, akkor a díjak kiegyenlítésére törekszenek. A feszültség az, ami egyensúlyba hozza a töltés mozgását; lásd a vízoszlop analógiáját.

energia

• Kifejezés: Az energiát átadják (szállítják), átalakítják vagy leértékelik.
• Elektromos áramkörökben az energia a forrásból (feszültségforrás a tesztbeállításban) az elektromos vezetéken keresztül a fogyasztóhoz kerül. Ott más energiákká alakul át (például belső energiává [a környezet felmelegedése], fény- vagy mozgási energiává). Mivel az ellenkező folyamat, például a kinetikus energia elektromos energiává történő átalakítása önmagában nem megy végbe (ez csak akkor lehetséges, ha újra felhasználja az energiát), a folyamatot energiacsökkenésnek is nevezik.

ellenállás

• Az ellenállás elvont konstrukció. Az ellenállás az a mennyiség, amely korlátozza az áramot egy meghatározott feszültség mellett. Minél nagyobb az ellenállás (vagyis mi korlátozza az áramot), annál kisebb az áram.
• Egy olyan alkatrészt, amely csak ezt a célt szolgálja (korlátozza az áramot), ellenállásnak is nevezzük. Ebben az esetben a kifejezés nem elvont, hanem az összetevőt írja le.

6. ábra: Különböző ellenállások

Párhuzamos kapcsolat

• Kifejezés: Az alkatrészeket (például ellenállásokat, lámpákat vagy kapcsolókat) egymással párhuzamosan lehet csatlakoztatni. Az egyik két komponens párhuzamos összekapcsolásáról beszél.
• Ha két alkatrész egymással párhuzamosan van elrendezve, és ugyanazon az oldalon lévő végeik vagy csatlakozásaik elektromosan kapcsolódnak egymáshoz, akkor párhuzamos csatlakozásról beszélünk. Ez a párhuzamos kapcsolat integrálható egy áramkörbe (lásd 7. ábra).
• Példa: A háztartásban élő fogyasztók (lámpák, konyhai eszközök, televíziók, hajszárítók) mind egymással párhuzamosan vannak csatlakoztatva. Ennek egyszerű oka az, hogy csak így garantálható, hogy 230 V feszültség mindenki számára elérhető legyen. Ha több eszközt sorba kötnének, meg kellene osztaniuk a 230 voltos feszültséget; minden eszköznek csak alacsonyabb feszültsége lenne.

7. ábra: Két lámpa párhuzamos csatlakoztatása a kenyérlapon

7a. Ábra: Két lámpa párhuzamos csatlakoztatása

Sorozat vagy soros kapcsolat

• Kifejezés: Az alkatrészek (pl. Ellenállások, lámpák vagy kapcsolók) sorba köthetők egymással. Az egyik két komponens soros összekapcsolásáról beszél.
  A sorozatkapcsolat kifejezést a sorozatkapcsolat szinonimájaként használják, de manapság a "sorozat" a világosabb és elterjedtebb kifejezés.
• Példa: A tündérlámpák sok lámpából állnak, amelyek 230 V-nál jóval alacsonyabb feszültséget igényelnek. Előtét nélküli tündérlámpákkal (pl. Transzformátor) a lámpákat sorba kötik, így a feszültség megoszlik közöttük. 23 soros lámpa esetén minden lámpára 10 V feszültséget alkalmaznak.

8. ábra: Két lámpa soros összekapcsolása kenyérlapon

8a. Ábra: Két lámpa soros csatlakoztatása

Mi működik és mi nem?

Az általános iskolai órákon célszerű hagyni, hogy a tanulók végezzenek kis kísérleteket, hogy maguk is megtudhassák, mi működik és mi nem. A legegyszerűbb módszer egy kis áramkör kiépítése, amely egy elemből és egy lámpából áll. Ha egy ponton kinyitja ezt az áramkört, és behelyezi a megfelelő tárgyat, akkor ellenőrizheti, hogy vezeték-e vagy sem. Az alábbiakban számos elem alkalmas ezekre a kísérletekre.

Fémek

• A fémek általában jó vezetők. Vannak jobb és rosszabb fémes vezetők, de ez az itt bemutatott szerkezettel nem bizonyítható.
• Példák kipróbálásra:
  • Gémkapocs
  • köröm
  • csap
  • egyéb fémfelületek (kapcsok, kapcsok stb.)
• Korlátozások a (tanítási) gyakorlatban:
  • Néhány vezetéket vékony, gyakran átlátszó lakkréteg borít. Ha ilyen vezetékeket akar vezetőként használni, akkor a lakkréteget el kell távolítani a végein, mivel ez szigetelő hatású.
  • A fémek oxidálódhatnak. A keletkező oxid réteget a huzalokon lévő zománchoz hasonló módon kell eltávolítani.

Műanyagok

• A legtöbb műanyag jó szigetelő. Szinte nem vezetnek áramot.
• Példák kipróbálásra:
  • ménes
  • Filctoll
  • Műanyag tok
  • Háziállat palack

9. ábra: Üvegszigetelők nagyfeszültségű vezetékeken
(Forrás: Crossbill,
Wikimedia Commons, artlibre)

Kerámia és üveg

• A kerámiát gyakran használják szigetelőként is. A nagyfeszültségű vezetékek szigetelői mindennaposak.
• Példák kipróbálásra:
  • Csésze vagy tányér
  • virágcserép
  • Ivópohár
  • üveg

• A száraz fa nagyon rosszul vezet (szinte egyáltalán nem)
• Ha a fa nedves lesz, vezetőképessége nő
• Példák kipróbálásra:
  • fogpiszkáló
  • Kebab nyárs
  • Ág
  • Fa vonalzó
  • színes ceruzák

Az elektromos áramkör

Az elektromos áramkör mindig áram- vagy feszültségforrásból és különféle elemekből áll, amelyek úgy vannak egymással összekapcsolva, hogy vezetőképes "kör" jön létre; az egyik tehát zárt áramkörről beszél.

A legegyszerűbb áramkör egy elemből (feszültségforrás) és egy vezetékből áll, amely összeköti az akkumulátor két pólusát. Egy ilyen áramkör azonban egyet jelent Rövidzárlat Mivel a huzal ellenállása nagyon kicsi, rövidzárlat esetén az áram nagyon nagy [4]; a vezeték felforrósodik.

Ezért egy fogyasztót (pl. Lámpát vagy motort) be kell építeni egy áramkörbe. A fogyasztó nagyobb ellenállással rendelkezik, és ezáltal korlátozza az áramot. A legegyszerűbb ("értelmes") áramkör tehát a következőkből áll:

• egy elem,
• Fogyasztók,
• két vezeték, amelyek mindegyike összeköti az akkumulátor egy pólusát a fogyasztó egy csatlakozásával.

10. ábra: Egyszerű áramkör

Ezt az egyszerű áramkört meghosszabbíthatják további fogyasztók, de további feszültség- és áramforrások vagy kapcsolók is. Ezeket sorban vagy párhuzamosan kell összekapcsolni.

11. ábra: Példák más áramkörökre (a nagyításhoz kattintson a képre)
a) Soros csatlakozás két elemmel - a lámpák jobban ragyognak, mint a 8a. Ábra szerinti egyszerű soros csatlakozásnál (a feszültség és az áram itt kétszer akkora).
b) Három elemmel történő soros csatlakozás - a lámpák még jobban ragyognak (a feszültség és az áramerősség itt háromszor akkora, mint a 8a. Ábra egyszerű soros csatlakozásában).
c) Három akkumulátorral történő soros kapcsolat, amelyek közül kettő "lemondja" egymást, mert két negatív vagy két pozitív pólus van összekötve egymással. A lámpák ugyanolyan fényesen ragyognak, mint a 8a. Ábra egyszerű soros csatlakozásakor (a feszültség és az áram mindkét esetben azonos).
d) Soros kapcsolat két olyan akkumulátorral, amelyek negatív pólusai egymással vannak összekötve. A lámpák egyáltalán nem világítanak (a feszültség és az áram nulla).
e) Áramkör két, párhuzamosan csatlakoztatott elemmel - a lámpa ugyanolyan fényesen világít, mint az egyszerű áramkörben, csak egy akkumulátorral (10. ábra). A feszültség és az áram mindkét esetben azonos.

Lábjegyzetek

1: A DC és AC rövidítéseket gyakran használják a közvetlen feszültségre és a váltakozó feszültségre. Az egyenáramot képviselik (= Egyenáram) és váltakozó áram (= Váltakozó áram).

2: A névleges feszültség az a gyártó által megadott feszültségérték, amelyet az akkumulátor vagy az akkumulátor normál üzemben biztosít.

3: A "teljesítmény egyenlő a feszültség és az áram szorzatával" (P = U I) és "a feszültség egyenlő az ellenállás és az áram szorzatával" (U = R I), ez a feszültségre vonatkozik: U = √ (P R) (A feszültség megegyezik a teljesítmény és az ellenállás négyzetgyökével).

4: Mivel az akkumulátor feszültsége állandó, a képlet eredményezi U = R I, hogy kis ellenállással az áram nagy.

---