Elektrický odpor je poslední ze „svaté trojice“ základních fyzikálních veličin o kterých si s dětmi povídám a přirozeně navazuje na předchozí povídání. Dlouhou dobu bylo pro mě povídání o elektrickém odporu lehce teoretickým základem od kterého jsem se urychleně přesouval k rezistorům, jakožto praktické projektové nadstavbě u tohoto tématu. Myslím ale, že toto téma je tak důležité, že by stálo za to jej rozvinout a vyrobit nějaké praktické cvičení i pro tuto lekci. Zkoušel jsem ledacos a občas se jednalo i o celkem legrační okamžiky, například, když jsem s kluky spojoval hróóózně dlouhý drát přes celou chodbu s cílem v praxi si vyzkoušet útlum na delším vedení (hoši mají rádi názornost). Bohužel samotný proces spojování onoho dlouhého vodiče z menších kousků byl natolik vyčerpávající (hoši mi průběžně trhali co jinde spojili :-)), že na konci už ten výsledný „aha efekt“ nebyl aha efektem, ale snahou rychle ukončit schůzku a zmizet směrem k domovu.
Vodiče a nevodiče
U této části se mi nevyplácí dlouho setrvávat. Děti většinou velmi rychle pochopí princip vodivosti. Ono na tom také celkem nic není, prostě některé materiály proud vedou a některé ne. Nicméně přesto je dobré si něco definovat a poukázat na souvislosti.
Vodiče
Materiály obsahující velký počet volných elektronů (kdo by si chtěl zopakovat může zde). Díky velkému počtu elektronů můžou snadno předávat „více“ elektrického proudu a tím pádem jsou tedy více vodivé (nám to tak připadá). V praxi se to týká hlavně velkého počtu kovů (výborné vodiče jsou například zlato, stříbro, měď, hliník, železo), ale také může dobře elektrický proud vést třeba tuha, nebo některé tekutiny. Některými materiály tedy, pokud mají vhodný tvar (například forma drátu) můžeme vést elektrický proud tam, kam potřebujeme, popřípadě díky využití jiných fyzikálních jevů využít i jejich další vlastnosti.
Nevodiče (izolanty)
Materiály, které oproti materiálům ze skupiny „vodiče“ naopak nemají velký počet volných elektronů a tím pádem elektrický proud nevedou. V praxi tyto typy materiálů používáme k tomu, aby nás oddělily od tzv. živých částí – vodičů. Elektřina totiž lidskému tělu, zejména pokud je ve větší než přípustné dávce, nedělá vůbec dobře. Z tohoto důvodu jsou izolanty – nevodivé materiály také velmi důležité. V praxi se většinou používají buď jako obal vodivých částí (izolace kolem drátů, nebo izolace rukojetí elektrického nářadí), nebo jako nevodivé části konstrukcí – kryty elektromotorů, budovy kolem elektrických zařízení, stožáry elektrického vedení a podobně. V praxi jsou izolanty zejména umělé hmoty, keramika, sklo, dřevo, plyny a další..
Polovodiče
Polovodiče jsou velmi speciální skupinou materiálů a většinou se u základní skupiny vodiče/nevodiče nezmiňují. Já si myslím, že by v této fázi zmínku zasloužily, protože jsou v praxi velmi důležité. Polovodiče jsou totiž materiály, které vedou elektrický proud, ale jen pokud jsou splněny určité okolnosti. Díky tomu je můžeme široce využívat v elektronice (do značné míry je tento obor i na využití polovodičů přímo postaven). Většinou se jedná zejména o materiály typu křemík, germanium a selen.
Projekt Boffin – jednoduchá zkoušečka vodivosti
Zkusíme si jestli jsou věci kolem nás vodivé. Postavíme si z Boffina jednoduchou zkoušečku. Kablíky použijeme jako sondy zkoušečky. Po zapnutí spínače je zkoušečka připravená. Pokud je materiál na který položíme obě „sondy“ dostatečně vodivý LED dioda se rozsvítí. Zkoušet lze všechno :-), obvykle kluci vyzkouší jako jednu z prvních věcí, jestli jsou oni sami, popřípadě jejich kamarádi vodiví. Zde je dobré upozornit, že i když LED nesvítí jejich kamarádi vodiví přesto jsou a že není tak úplně zdravé to zkoušet s větším proudem, nebo vyšším napětím.
Tip: Připravte si obyčejný provázek, ať žáci zjistí jestli je vodivý. Samozřejmě zjistí, že vodivý není. Pak předveďte „kouzlo“, že se provázek pouhým namočením stane vodivým.
Úkol: Najdi ve svém nejbližším okolí co nejvíce vodivých předmětů.
Elektrický odpor
Pokud jsou mí čtenáři hloubavé typy, možná se někdy zamysleli na tím, co vlastně ovlivňuje to, jak snadno může protékat elektrický proud vodiči. Pokud by totiž bylo jedno, jaký tvar má vodič, nemuseli bychom například vyrábět dálková vedení elektrického proudu z tlustých drátů. Ale vzhledem k tomu, že se dálková vedení z tlustých drátů vyrábí, je jasné že to, jak dobře protéká elektrický proud vedením kromě napětí ovlivňuje ještě jiná fyzikální veličina. A tou veličinou je elektrický odpor. Elektrický odpor bychom mohli popsat jako schopnost vedení bránit protékání elektrického proudu. Je to vlastně opak elektrické vodivosti, což je zase schopnost vedení elektrický proud naopak vést.
A na čem vlastně elektrický proud závisí?
- Čím je elektrické vedení delší, tím se elektrický odpor zvyšuje.
- Čím má elektrické vedení větší průřez (zde dětem obvykle vysvětluji i to co je to vlastně průřez), tím je elektrický odpor nižší.
- Elektrický odpor je ovlivněný tím, z jakého materiálu je elektrické vedení vyrobeno. Také se této vlastnosti říká měrný elektrický odpor, nebo také rezistivita. Jinými slovy, každý materiál klade elektrickému proudu různý odpor. Dobrou zprávou ale je, že tato vlastnost se nemění – zůstává konstantní. Čili, pokud vyrobíme drát z mědi o průřezu x a rozřežeme ho na metrové kousky, každý z těchto metrových kousků drátu bude mít stejný odpor.
- Elektrický odpor je ovlivněný ještě teplotou. Čím vyšší teplota materiálu, tím vyšší odpor.
A jak si elektrický odpor spolu s Boffinem vyzkoušíme? Našel jsem velmi pěkný projekt, který v tomto směru projektová kniha Boffinu nabízí. Je to projekt číslo 516, který se jmenuje „kreslící odpory“.
Projekt Boffin – kreslící odpory (516)
Tento projekt využívá vlastnosti grafitu – tuhy jak materiálu, který dostatečně dobře vede elektrický proud (klade přiměřený odpor). Jedná se o jednoduchý oscilační obvod vyrábějící modulovaný elektrický proud, který dokáže rozeznít speakr (SP). V závislosti na průtoku elektrického proudu odporem mezi dvěma sondami (kablíky) se průběžně nabíjí a vybíjí elektrolytický kondenzátor (C1), který pak na bázi tranzistoru (Q2) otevírá a zavírá průtok proudu do cívky transformátoru (T1) a tím generuje modulovaný proud, který rozeznívá speakr (SP).
Odpory mezi sondami si nakreslíme klasickou tužkou. Ideální je co nejměkčí tužka, která nechává na papíře hodně tuhy (tužka číslo 1). Tím můžeme snadno demonstrovat délku vedení (dlouhá čára), či průřez (široká čára) a ověřit si přímo na zvuku ze speakru pravdivost vlastností elektrického odporu ohledně délky a průřezu vodiče. Pokud by to ani takto nebylo jasné doporučuji shlédnout následující video.
Úkoly:
1, Zkus nakreslit co nejdelší čáru, kterou ještě zkušební obvod dokáže projít.
2, Jak se změní načítání, když nasliníš jednu elektrodu?
3, Co se stane, když obě elektrody ponoříš do vody (zbytek obvodu musí ale zůstat v suchu :-))?
4, Co se stane, když obě elektrody ponoříš do vody, do které ještě navíc nasypeš trošku soli (zamíchat)?
Výukové karty ke stažení
Grafika z článku ke stažení – upravená pro tisk výukových karet určených k zatavení do plastu.
Pingback: Rezistor – ondranauci.cz