Elektrický proud a napětí

Schůzky, ve kterých si povídáme o elektrickém proudu a napětí patří mezi ty úvodní, kdy se děti seznamují se základními veličinami světa elektřiny. Téma by se dalo hodně zjednodušit, ale přesto si myslím, že děti jsou schopné vyslechnout a pochopit i základní souvislosti mezi modelem atomu a elektrickým napětím a proudem. Klíčové je nepodat to zbytečně složitě, pouze v jednoduchých obrysech, které jsou děti ve věku 6-10 let, bez jakékoliv předběžné přípravy schopné pochopit.

Struktura atomu a jak to všechno souvisí..

Povídání o struktuře atomu je takový ten úvod od lesa, který si klasicky nemohu odpustit. Bohužel jsem zatím nepřišel na nějakou praktickou činnost, kterou bych toto povídání dětem osvěžil – možná zkusit stavbu modelu atomu :-). Nicméně osvěžující může být i video na youtube s Pavlem Liškou, který v rámci vzdělávacího cyklu Akademie věd ČR natočil množství naučných videí, které dokážou zábavnou formou přiblížit spoustu témat ze světa vědy. Mezi jinými je i povídání o atomech.

Po shlédnutí videa většinou děti tuší co to asi tam atom je, ale neuškodí vše zopakovat a upozornit na základní pojmy, které jsou pro pochopení toho co je to vlastně elektrický proud důležité. Jedná se o pojmy, které by si měly děti zapamatovat.

Jednoduchý model atomu – pojmy
Jádro atomu

Zvané také nukleus obsahuje kladně nabité protony a neutrony. Jádro atomu tvoří téměř všechnu hmotnost celého atomu. Protony a neutrony jsou nahuštěné na velmi malém prostoru a jsou k sobě pevně přitahovány. Počet protonů v jádře podle periodické tabulky prvků určuje materiál – hmotu, které je daný atom součástí.

Obal atomu

Obal atomu zabírá v poměru k jádru značný prostor. Pohybují se v něm velmi rychle záporně nabité částice – elektrony. Elektrony se nepohybují v jádru po stabilních drahách, spíše se vyskytují s jistou pravděpodobností v určitých vrstvách obalu atomu. Z vrstev atomu má největší význam za poslední, která je úplně na vnějším okraji obalu. Říká se jí valenční vrstva. Pokud se ve valenční vrstvě vyskytuje více elektronů (valenční elektrony), které nejsou stabilní bude atom snadněji reagovat s jinými atomy. Konfigurace elektronů ve valenční vrstvě určuje umístění atomu ve sloupci v periodické tabulce a typ materiálu(kovy, polokovy a nekovy).

Proton

Částice s kladným nábojem, vyskytující se v jádru atomu. Je o něco lehčí, než neutron.

Neutron

Částice s neutrálním nábojem. Svým vnitřním uspořádáním (kombinací kvarků) pomáhá držet jádro atomu pohromadě. Je těžší, než proton a spolu s protonem tvoří 99% váhy atomu. Volné neutrony mohou způsobit řetězovou jadernou reakci.

Elektron

Částice se záporným nábojem, vyskytující se v obalu atomu. U atomu bez el. náboje je vždy stejný počet elektronů, jako neutronů (jejich potenciály se vzájemně neutralizují). Způsob uspořádání elektronů v obalu atomu má klíčový vliv na chemické vlastnosti prvku. Pohyby elektronů mezi vrstvami obalu jsou doprovázeny buď vyzařováním (emisí), nebo pohlcováním (absorpcí) fotonů elektromagnetického záření. Přebytkem, nebo nedostatkem elektronů v obalu atomu se stává atom nabitým iontem. Nedostatek elektronů = kladně nabitý iont atomu, přebytek elektronů = záporně nabitý iont atomu. Elektrony mohou být z atomového obalu i uvolněny, čímž v materiálu vzniká tok volných elektronů – elektrický proud (a k tomu by mělo směřovat povídání o modelu atomu).

Upozornění: Je třeba zmínit fakt, že dva stejně nabité ionty se odpuzují a dva ionty nabité různě se naopak přitahují.

Elektrický proud

Tato část je navázána na předchozí povídání o atomech, zejména o částicích jmenujících se elektron. Pokud si představíme každý materiál, jako mřížku, nebo krystal sestavený z jednotlivých atomů, uvědomíme si, že atomy se v daném materiálu “dotýkají” svými obaly, zejména vnějšími – valenčními vrstvami. Ve valenčních vrstvách nejsou přitažlivé vazby elektronů k danému atomu tak pevné, jako ve vrstvách, které jsou blíže k jádru. Elektrony, které jsou stlačované odpudivou silou od elektronů ze sousedních atomů jsou nestabilní, mohou se z atomu uvolnit a přeskočit do valenční vrstvy sousedního atomu. Tento jev se samozřejmě neděle pouze u jednoho atomu v daném materiálu, ale v mnoha atomech. Čím snadněji mohou elektrony z valenčních vrstev přeskakovat na sousední atomy, tím je materiál vodivější.

Pohyb volných elektronů v materiálu

Elektronům, které přeskakují z atomu na atom se říká volné elektrony a můžeme si je představit jako elektrony, které putují vodivým materiálem mezi místy, mezi kterými je rozdíl v elektrickém náboji (mezi záporným a kladným pólem). Tomuto jevu také říkáme elektrický proud. Elektrický proud teče z místa se záporným potenciálem na místo s kladným potenciálem.

Definice: Elektrický proud je uspořádaný tok elektronů.

Projekt s Boffinem – elektrický proud

Sestavte si obvod ze stavebnice Boffin podle obrázku.

Zapojení Boffinu pro demonstraci el. proudu

Součástka S2: Spínací tlačítko. V sepnutém stavu umožňuje elektrickému proudu volně proudit mezi pólem – a pólem + a tím vlastně aktivuje celý obvod, který pak něco dělá.

Součástka R1: Je rezistor o hodnotě 100 ohmů. Co je to rezistor a k čemu nám může sloužit si řekneme později. Každopádně v tomto případě nám rezistor funguje jako ochrana celého obvodu. Pokud by v něm rezistor nebyl, mohly by elektrony volně proudit mezi pólem – a + a tím pádem by se nám hodně rychle baterie vybila a posléze i poškodila. Lidově říkáme, že by došlo ke zkratu.

Součástka M2: Analogový měřič proudu a napětí, zapojený tak, aby měřil průchod elektrického proudu. Pokud el. proud prochází, ručička se vychýlí z nulové – klidové polohy.

Pokud jste si vyzkoušeli toto zapojení, zkusíme si sestavit podobný obvod, ale s jinými součástkami.

Další zapojení Boffinu pro demonstraci el. proudu

Pokud porovnáte oba tyto obrázky jistě vám budou připadat podobné. Spojení mezi součástkami zůstalo stejné, měřící přístroj i baterie také, pouze jsme vyměnili tlačítko a rezistor za jiné součástky. Pokud tento obvod postavíte zjistíte, že kromě výchylky ručičky na analogovém měřícím modulu ještě navíc v obvodu svítí světýlko pokud samozřejmě zapneme spínač. Dozvěděli jsme se, že pravidla, která platí proto, aby elektrický proud tekl kam má a dělal co potřebujeme platí pro všechny součástky, které do obvodu zapojíme.

Součástka S1: Spínač. Má podobnou funkci jako tlačítko, umožňuje nám aktivaci elektrického obvodu. Na rozdíl od tlačítka, které musíme držet, pokud chceme, aby bylo aktivní dokáže spínač zůstat v sepnuté poloze po aktivaci. Pro deaktivaci jej musíme zase vrátit do půdní – vypnuté – podoby.

Součástka D2: Dioda. Pouští elektrický proud jedním směrem (ve směru šipky – schematické značky – vytištěné na obalu modulu), aby byla aktivní musí být konec označený znaménkem + připojený směrem na pól + zdroje. Dioda typu, který je na modulu je typ LED, který svítí. V obvodu je zapojená jako jednoduchý indikátor – když v ní protéká el. proud – svítí.

Měříme elektrický proud

Každou veličinu ve fyzice, kterou chceme nějakým způsobem měřit potřebujeme také nějak popsat, abychom si mohli sdělit co jsme vlastně naměřili. K popisu naměřené hodnoty se používají jednotky díky kterým si můžeme vše snadněji představit. Pro elektrický proud se používá jako základní jednotka Ampér (a přístroji, kterým to vše měříme se říká ampérmetr).

Vysvětlení: 1 ampér je množství proudu potřebného k vybuzení stálého elektrického proudu, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzdálenosti 1 metru od sebe vyvolá mezi nimi sílu 2×10−7 newtonu na 1 metr délky vodičů. (netřeba si doslovně zapamatovávat)

Pokud chceme měřit elektrický proud, řadíme měřící přístroj vždy do série (součástky seřazené v obvodu za sebou) v dané části obvodu. V části obvodu, kterou měříme by vždy měla být součástí i nějaká zátěž (například ve formě rezistoru), aby nedošlo ke zkratu.

Měření elektrického proudu ampérmetrem. Ampérmetr je v obvodu označen písmenem A

Úkol: Zkuste si postavit obvod ve kterém bude protékat elektrický proud. Než do obvodu vložíte zdroj – baterie, nechte si zapojení zkontrolovat nějakým dospělákem.

Elektrické napětí

Elektrické napětí je rozdíl mezi elektrického potenciálu – náboje mezi dvěma místy. Čím větší rozdíl v elektrickém potenciálu, tím větší napětí mezi těmito místy a tím větší proud tak může, pokud tato dvě místa propojíme obvodem protékat.

Definice: Elektrické napětí je rozdíl potenciálů nábojů mezi dvěma místy.

Projekt s Boffinem – elektrické napětí

Sestavte si obvod ze stavebnice Boffin podle obrázku.

Zapojení Boffinu pro demonstraci elektrického napětí

Obvod na obrázku slouží pro demonstraci napětí. Když jej porovnáte s posledním obvodem na kterém jsme si ukazovali, jak obvodem protéká elektrický proud zjistíte, že se na první pohled liší pouze přemístěním analogového měřícího přístroje M2. Liší se ale také fungováním. Pokud z obvodu z předchozího obvodu (zapojení s el. proudem) vyjmete jakoukoliv součástku, měřící přístroj přestane ukazovat jakoukoliv hodnotu. Pokud uděláte totéž v obvodu pro demonstraci el. napětí (v tomto případě můžete z obvodu vyjímat pouze LED diodu, spínač, měřák i baterka musí zůstat na místě) měřící přístroj M2 bude pořád ukazovat, že měří nějaké napětí.

Je to tím, že napětí, na rozdíl od proudu, mezi potenciály baterie zůstává i když odstraníme LED diodu.

Měříme elektrické napětí

Elektrické napětí na rozdíl od proudu měříme jiným přístrojem. Jmenuje se voltmer a jak jeho název napovídá napětí měříme ve voltech. Voltmetr také, na rozdíl od ampérmetru umísťujeme do obvodu na jiné pozici (viz. obrázek). Voltmer je umístěn vedle součástky, odborně říkáme že paralelně se součástkou.

téma 3 - umístění měřících přístrojů
Měření elektrického napětí voltmerem. Voltmetr je v obvodu označen písmenem V

Úkol: Zkuste si postavit jiný obvod z Boffinu (můžete i nějaký z projektů) a zkuste si měřit napětí mezi různými místy obvodu.

Upozornění

Značka pro přítomnost nebezpečného napětí, nebo proudu. Rozhodně do těchto prostor nelezte

Pracovat můžeme pouze s bezpečným napětím a bezpečnými proudy. V žádném případě nestrkejte prsty, ani nářadí například do elektrických zásuvek, ani nijak nerozebírejte prvky domácího elektrického rozvodu. Rizikovost zvyšuje i prostředí ve kterém pracujeme (venkovní, vnitřní – zejména vlhkost, nebo přítomnost vodivých částí v okolí). Rizikové mohu například být i vlhké ruce.

Bezpečná napětí: do 50V krátkodobě, do 25V dlouhodobě

Bezpečný proud: do 10 miliAmpér střídavý proud, do 25 miliAmpér stejnosměrný proud

Výukové karty ke stažení

Grafika z článku ke stažení – upravená pro tisk výukových karet určených k zatavení do plastu.

Prezentační karta se schematy zapojení pro Boffin

Periodická soustava

Modely atomů a další

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *