elektrotehnika, izbirni predmet v osnovni Šoli
TRANSCRIPT
UNIVERZA V LJUBLJANI
PEDAGOŠKA FAKULTETA
FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO
Program: fizika in tehnika
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
DIPLOMSKO DELO
Mentor: Kandidat:
izr. prof. dr. Slavko Kocijančič Samo Meden
Ljubljana, avgust 2008
I
Zahvala
Zahvaljujem se vsem, ki so kakorkoli pripomogli k nastanku tega diplomskega dela,
predvsem mentorju izr. prof. dr. Slavku Kocijančiču. Neizmerno sem hvaležen tudi
svojim staršem, ki so mi vedno stali ob strani in me znali usmerjati na pravo pot.
Vsem še enkrat HVALA.
II
III
Povzetek
Diplomsko delo je namenjeno učiteljem elektrotehnike, tehnike ali fizike in učencem
devetega razreda v osnovni šoli, amaterskim ljubiteljem elektrotehnike in ostalim, ki jih
zanima obravnavano področje. Učno gradivo predstavlja enega od načinov popestritve
klasičnega pouka pri izbirnem predmetu elektrotehnika, saj temeljijo učne ure predvsem na
eksperimentiranju in aktivni udeležbi učencev.
Prvi del diplomskega dela predstavlja konkretne preproste primere, preko katerih poteka
spoznavanje teorije na osnovnih primerih. Učenci z vajami postopoma spoznavajo svet
elektrotehnike. Spoznajo osnovne gradnike električnih vezji in njihovo delovanje, merilne
inštrumente, transformator, generator, motor in drugo.
V drugem delu diplomske naloge so predstavljeni nekateri možni projekti pri izbirnem
predmetu elektrotehnika, katere lahko učenci z učiteljevo pomočjo in vodenjem tudi
naredijo. Priporočljivo pa je, da si izberejo tudi kakšen drug projekt, ki ga najdejo v
revijah, na internetu ali jim ga posreduje učitelj.
Ključne besede:
elektrotehnika, elektromotorji, generatorji, poučevanje, električni krog, električni tok,
elektrika, izbirni premet, tehnika
IV
Electrotechnics as optional subject in primary school
Abstract
This diploma is designed for teachers of electrotechnics, technics or physics, pupils of
the ninth grade in primary school, amateurs of electrotechnics and other who are
interested in the field treated in this diploma. Teaching material presents one of methods
how to variegate classic lessons at selected subject electrotechnics. Lessons are based
upon conducting experiments and active participation of pupils.
The first part of diploma presents concrete simple examples through which pupils learn
about theory over basic examples. With exercises pupils learn about the world of
electrotechnics. They learn about basic structure of electric links and their operation,
measuring devices, transformer, generator, motor…
The second part of the diploma presents some potential projects at selected subject
electrotechnics. Project can be even made by pupils with the help of their teacher’s
leadership. However it is suggested that pupils select another project, which can be
found in magazines, or a project suggested by their teacher.
Keywords
electrotechnics, electromotors, generators, instruction, circuit, electric current,
electricity, opsional subject in primary school, technics
V
Vsebina
1. Uvod .......................................................................................................................... 1
2. Pregled in analiza učnega načrta za predmet elektrotehnika .................................... 3
3. Obravnava snovi (20 ur) ........................................................................................... 5
3.1 Električni krog in učinki električnega toka ....................................................... 5
3.1.1 Električni krog ............................................................................................... 5
3.1.2 Merjenje električnega toka .......................................................................... 13
3.1.3 Učinki električnega toka ............................................................................. 18
3.1.4 Smer električnega toka ................................................................................ 27
3.1.5 Viri električne napetosti .............................................................................. 30
3.1.6 Električne napeljave v stanovanju ............................................................... 36
3.2 Delo in moč električnega toka ........................................................................ 41
3.2.1 Električno delo in moč električnega toka .................................................... 41
3.3 Pridobivanje električne energije ...................................................................... 48
3.3.1 Alternativni viri električne energije ............................................................ 48
3.4 Električni stroji in naprave ............................................................................. 53
3.4.1 Elektromotor ............................................................................................... 53
3.4.2 Generator ..................................................................................................... 67
3.4.3 Transformator .............................................................................................. 71
4. Projekti (12 ur) ........................................................................................................ 75
4.1 Montaža doz za vtičnico v votlo steno ............................................................ 75
4.2 Montaža razvodne doze za votlo steno ........................................................... 78
4.3 Kako predelamo motor v hidroelektrarno? ..................................................... 82
4.4 Merjenje izkoristka sončnih celic ................................................................... 83
5. Zapiski za učitelje ................................................................................................... 86
6. Zaključek ................................................................................................................. 90
7. Viri in literatura ....................................................................................................... 91
8. Priloge ..................................................................................................................... 92
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
1
1. Uvod Živimo v času, ko nas obdajajo takšne in drugačne elektronske naprave. Elektronske
naprave se še posodabljajo, predvsem na področju varnosti, izkoristkov, upravljanju na
daljavo (preko GSM), ... Temu primerno je tudi odraščanje otrok, za katere je
elektronika zelo zanimiva ali drugače povedano: odraščajo ob elektronskih napravah.
Z diplomsko nalogo razmišljam, kako bi učence pripravil za raziskovanje in jih pripeljal
do zaključka, da so principi delovanja elektronskih naprave enaki tudi v robotiki.
Področje elektronike je zelo široko in je z vsakim dnem širše, zelo težko bi bilo odkriti
vse naenkrat, zato je najpomembneje, da v osnovni šoli pri pouku elektrotehnike
predvsem ustvarimo zanimanje za nadaljnje izobraževanje v tej smeri [1].
Tehnologija, ki je podlaga elektroniki, je zelo zapletena in je učencem ni mogoče
preprosto predstaviti. Glede na stopnjo predznanja in znanja, ki naj bi ga osvojili, so za
otroke problemsko nerešljivi že osnovni zakoni elektrike. Poleg tega predstavlja
dodaten problem devetletka sama, saj je z ukinitvijo tehnike v 9. razredu preprečena
medpredmetna povezava med tema dvema predmetoma. Učni načrt za elektroniko je
izredno zahteven in na določenih mestih nerazumljiv, zato se v osnovnih šolah tudi
redko izvaja. Če se, ga izvajajo le učitelji, ki so ljubitelji elektronike. Posledično
založbe niso zainteresirane za tiskanje učbenika, saj so naklade premajhne. Vsi ti razlogi
so nas pripeljali do ideje, da je potrebno narediti učbenik v elektronski obliki, ki bo
učitelju omogočal prilagajanje in ki bo brezplačen. Poleg učbenika je izdelana tudi
zbirka vezij, s katero bo mogoče hitreje izvesti posamezne vaje [2].
Na začetku spoznavanja elektrotehnike si bodo učenci pomagali s preprostimi element,
ki jih uporabljajo v vsakdanjem življenju (žarnica, baterija, …), da bodo prišli do
želenih rezultatov. Tem elementom bodo kasneje dodajali posamezne nove elemente, ki
jih bodo med seboj povezovali v kompleksnejše sisteme. Didaktičen princip e-gradiva
je empiričen, saj bodo otroci s preizkusi odkrivali lastnosti vezij. Da pa bodo vaje in
naloge ciljno naravnane, smo se odločili za reševanje problemov preko namišljene
povezovalne zgodbe. Naloge bodo otroci reševali izkustveno in problemsko. Težišče
dela bo na eksperimentalnem delu, kjer bodo učenci sestavljali elemente v sistem in
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
2
opazovali njihovo delovanje. Učitelj bo razdelil med učence navodila s problemi in ti jih
bodo morali rešiti [1,3].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
3
2. Pregled in analiza učnega načrta za predmet elektrotehnika
Z elektrotehniko se učenci prvič srečajo v četrtem razredu. Spoznajo električni krog,
stikalo, vodnik in porabnik (žarnica, elektromotor), prevodnike in izolatorje. Naslednjič
se učenci srečajo za elektrotehniko v sedmem razredu, v katerem je tej temi namenjenih
13 šolskih ur. Spoznajo osnove elektrotehnike, te pa lahko v nadaljevanju nadgradijo in
poglobijo v devetem razredu, kjer se lahko odločijo za izbirni predmet elektrotehnika.
Uresničevanje izbranih ciljev naj poteka predvsem ob eksperimentalnem delu, saj je
izkustvena pot zagotovo prava. Učne vsebine lahko učitelj prilagodi učenčevim
predznanjem in izkušnjam, kar je zagotovo prednost.
Cilje lahko uresničujemo glede na učiteljevo izvirnost, kreativnost, okolje, v katerem se
nahajamo, iznajdljivost in sposobnosti učencev. Izhajati moramo iz vsakdanjega
življenja, saj so domače okoliščine učencem blizu. Zagotovo je to dejavnik, ki učencem
omogoča še dodatno kreativnost in pripravljenost za sodelovanje. Na ta način pridemo
do diferenciacije, ki se zgodi sama po sebi, učitelj pa mora poskrbeti, da to izkoristi.
Delo za uresničitev ciljev naj bo zasnovano na preizkusih in opazovanjih, razlagi
pojavov, ki so temelj fizikalnih zakonov. To je pot, ob kateri bodo učenci začutili
povezavo z vsakdanjo uporabnostjo oziroma okoljem, ki jih obkroža. Začutiti morajo
povezanost med eksperimentalnim delom in naravnimi pojavi v okolju. Pri pouku fizike
in še zlasti elektrotehnike razvijamo višje miselne procese, ki omogočajo razumevanje
in vrednotenje, oblikovanje stališč in spretnosti.
Jezik, ki ga uporabljamo pri pouku mora biti razumljiv učencem, istočasno pa tudi
strokovno ustrezen. Učence moramo navajati, da uporabljajo najpomembnejše
strokovne izraze pravilno in dosledno.
Snov je potrebno primerno ponavljati, preverjati in jo tudi oceniti. Dodatno pomoč je
potrebno nameniti učencem, ki so uspešni (nadarjeni), in tudi učencem, ki so šibki.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
4
Pri realizaciji ciljev bo delo učencev potekalo predvsem kot:
• načrtovanje in izvajanje preizkusov,
• izvedba raziskovalne naloge (nadarjeni),
• analiza rezultatov, primerjava in oblikovanje zaključkov,
• prikazati znajo nova spoznanja s pomočjo diagramov, grafov in razpredelnic,
• uporaba računalnika in ustreznih programov,
• znanje poglobiti v okviru dejavnosti,
• uporaba predlagane literature,
• samostojno iskanje virov,
• uporaba pridobljenega znanj v svojem okolju.
Po koncu obravnavane snovi naj učenci z razumevanjem sprejemajo nekatere pojave v
naravi, okolici in vsakdanjem življenju. Določene pojave znajo tudi sami razložiti in jih
pojasniti. Spoznanja spretno izkoristijo za boljšo kakovost življenja. Uspešno
uporabljajo pripomočke, ki so plod tehnološkega razvoja.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
5
3. Obravnava snovi (20 ur) V tem poglavju bom predstavil naloge, projekte, probleme, preko katerih bodo učenci
na praktičen način prišli do teoretičnega znanja. Take vrste pouk bo za učence
zanimivejši in dobra osnova za nadaljnje izobraževanje v tej smeri.
3.1 Električni krog in učinki električnega toka
V nadaljevanju bom predstavil preprost električni krog in njegove značilnosti.
Predstavljeni bojo gradniki električnih krogov ter razlika med električnimi izolatorji in
prevodniki.
3.1.1 Električni krog
CILJI
• opiše sestavne dele preprostega električnega kroga
• razlikuje med električnimi prevodniki in izolatorji
NALOGE
Sestavi preprost električni krog in ugotovi, kateri materiali so električni prevodniki in
kateri električni izolatorji.
PRIPOMOČKI
Potrebujemo naslednje pripomočke:
• baterija 9 V
• povezovalne žice
• stikalo
• žarnica
• bakrena ploščica
• steklena ploščica
• jeklena ploščica
• ploščica iz umetne mase
• aluminijeva ploščica
• guma
• volframova nitka
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
6
IZVEDBA VAJE
Če želimo narisati kakršen koli električni krog, ne rišemo elementov v naravni obliki,
temveč uporabimo dogovorjene znake (slika 3.1) oziroma simbole.
Generator (izmenicni)
~varovalka
Generator (enosmerni)
? +Porabnik (upornik)
baterijažarnica
galvanski clen+ -stikalo
voltmeterV
Stik dveh žic
ampermeterAžica
Generator (izmenicni)
~varovalka
Generator (enosmerni)
? +Porabnik (upornik)
baterijažarnica
galvanski clen+ -stikalo
voltmeterV
Stik dveh žic
ampermeterAžica
porabnik upornik
žica
žarnica
stikalo
stik dveh žic
varovalka
ampermeter
voltmeter
galvanski člen
baterija
vir enosmernenapetosti
vir izmeničnenapetosti
-
Slika 3.1: Simboli elementov v električnih vezjih [4]
PREPROST ELEKTRIČNI KROG
Žarnico in stikalo zvežemo, kot prikazuje slika 3.2. Z vezavnimi žicami priklopimo na
vir napetosti. V našem primeru je to 9 V baterija. Električna napetost je fizikalna in
elektrotehniška količina, določena kot razlika električnega potenciala. Označimo jo s
črko U, njena osnovna enota pa je volt [V]. Sestavili bomo električni krog.
Simulacijo električnega vezja lahko v prilogi tudi pogledate.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.2 električni krog s stikalom.cxt)
Slika 3.2: Razklenjeno in sklenjeno stikalo
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
7
1) Ali je električni krog sklenjen, če po njem teče električni krog? Obkroži.
a) Da.
b) Ne.
2) Ali žarnica sveti, če je električni krog sklenjen?
a) Da.
b) Ne.
3) Obkroži sestavne dele preprostega električnega kroga.
vir vodnik električno breme (žarnica)
4) Sestavi dva električna kroga, kot je prikazano na sliki 3.3. S pomočjo
sestavljenih vezij odgovori na spodaj zastavljena vprašanja.
Opomba: Predstavljajmo si, da s stikali pred vsako žarnico ponazarjamo delujočo in
nedelujočo žarnico. Vklopljeno stikalo predstavlja delujočo žarnico, odklopljeno pa
nedelujočo [3,4].
Simulacijo električnega vezja lahko v prilogi tudi pogledate in preizkusite njeno
delovanje.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.3 zaporedna in vzporedna vezava.cxt)
Slika 3.3: Levo zaporedna in desno vzporedna vezava žarnic
Lastnosti prvega vezja, zaporedno vezane žarnice.
Kdaj žarnice svetijo?
a) Kadar je sklenjeno vsaj eno stikalo.
b) Kadar sta sklenjeni obe stikali.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
8
c) Sploh ni potrebno skleniti nobenega stikala.
d) Kadar je sklenjeno eno ali drugo stikalo.
Ali je možno, da sveti le ena žarnica?
a) Da.
b) Ne.
V katerem primeru iz vsakdanjega življenja se srečamo z zaporedno vezavo? Obkroži.
a) lučke za novoletno jelko
b) lučka v avtomobilu
c) bojler za gretje vode
d) dvoročni vklop stroja za obrezovanje papirja
Lastnosti drugega vezja, vzporedno vezane žarnice.
Kdaj žarnice svetijo?
a) Kadar je sklenjeno vsaj eno stikalo.
b) Kadar sta sklenjeni obe stikali.
c) Sploh ni potrebno skleniti nobenega stikala.
d) Kadar je sklenjeno eno ali drugo stikalo.
Ali je možno, da sveti le ena žarnica?
c) Da.
d) Ne.
V katerem primeru iz vsakdanjega življenja se srečamo z zaporedno vezavo? Obkroži.
e) lučke za novoletno jelko
f) lučka v avtomobilu
g) alarm v stanovanju
h) dvoročni vklop stroja za obrezovanje papirja
5) Na kolesu sta dva električna kroga. Na spodnjo sliko 3.4 vriši pot električnega
toka za posamezni električni krog, prednja in zadnja luč [5].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
9
Slika 3.4: Kolo
Nariši shemo:
Ali prednja žarnica še sveti, čeprav zadnja žarnica pri kolesu »pregori«?
a) Da.
b) Ne.
Žarnici sta vezani -
a) - zaporedno
b) - vzporedno
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
10
REVODNIKI IN IZOLATORJI
ga (slika 3.5) bomo ugotovili, katere snovi prevajajo
ledate in preizkusite njeno
D, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.5 električni krog in vezje brez
P
4) S pomočjo električnega kro
električni tok in katere ne. Na mesto, kjer je bilo v prejšnjem električnem krogu (slika
3.2) nameščeno stikalo, sedaj namestimo dva krokodilčka, v katera bomo vpenjali naše
preizkušance. Ugotovitve vpisujemo v spodnjo tabelo 3.1.
Simulacijo električnega vezja lahko v prilogi tudi pog
delovanje.
(Priloga C
stikala.cxt)
Slika 3.5: Levo elekt o vezje brez stikala
elice katere naj bi izpolnil učenec so natisnjene v sivi barvi. V njih pa so primeri
reglednica 3.1: Prevodnosti [6]
rični krog in desn
C
pravilnih rešitev.
P
M A T E R I A L P R E V O D N I K I Z O L A T O R
baker X
steklo X
jeklo X
umetna masa X
aluminij X
guma X
volframova nitka X
keramika X
stiropor X
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
11
) V katerih primerih žarnica sveti? Obkroži pravilne izjave.
a)
.
) Zakaj nas električni tok ne strese, ko med vrtanjem držimo vrtalni stroj, v
ovanje.
) Nekateri materiali zelo dobro prevajajo električni tok. Električni tok skozi take
eria
) Nekateri materiali električnega toka ne prevajajo. Po njih električni tok skoraj ne
li
.
ELOVANJE VEZJA
po električnem krogu teče električni tok, če pa je stikalo
NALIZA IN UGOTOVITVE
amo naslednje:
trični tok in žarnica sveti. Gradniki
5
Žarnica bo zasvetila, če bo material prevajal električni tok.
b) Žarnica ne bo svetila, če bo material iz skupine prevodnikov
c) Žarnica bo svetila, če bo material iz skupine prevodnikov.
d) Žarnica ne sveti v nobenem primeru.
6
katerem je električna napetost 220V? Obkroži pravilno trditev.
a) Ker vrtalnik ne potrebuje električne energije za svoje del
b) Ker je ohišje vrtalnika iz materialov, ki so električno neprevodni.
7
mat le rad "teče". Takim materialom rečemo -
a) - prevodniki,
b) - izolatorji.
9
teče a pa teče zelo nerad. Te materiale s skupnim imenom imenujemo -
a) - električni izolatorji,
b) - električni prevodniki
D
Če je stikalo sklenjeno,
razklenjeno, po električnem krogu električni tok ne teče in posledično žarnica ne sveti.
A
Iz zgornjih preizkusov lahko sklep
Če je električni krog sklenjen, po njem teče elek
električnega kroga so iz prevodnih materialov, električni krog pa zaščitimo z materiali,
ki jim pravimo električni izolatorji. Te materiale uporabljamo povsod tam, kjer bi lahko
prišli v stik z električnim tokom. Z elektroizolacijskimi materiali so obdani prevodni
(kovinski) deli električnega stikala, pralnega stroja, vrtalnega stroja, gospodinjski
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
12
ODATNE NALOGE
porabljajo pri gradnji električnih vezji in napravah so našteti v
reglednica 3.2: Električni prevodniki in izolatorji
pripomočki, … Električni tok po ohišju naprav ne teče, zato se teh strojev lahko
dotikamo, čeprav je v nekaterih delih strojev ali stikal električni tok [6].
D
Značilni materiali, ki se u
spodnji tabeli.
P
ELEKTRIČNI IZOLATORJI ELEKTRIČNI PREVODNIKI
več nitkina umetnih mas a iz volframa
guma bakrena žica
suh les aluminij
kamen, beton jeklo
steklo tekočine (razne spojine)
keramika grafit
naslednjih vrsticah so našteti materiali, ki jih vgrajujejo kot izolatorje v posamezne
reglednica 3.3: Izolatorji v napravah
steklo
V
naprave. S pomočjo zgoraj naštetih materialov izpolni spodnjo tabelo.
P
žarnica
električno orodje (izvijači, klešče) mase umetne
stikala, vtičnice umetne mase
prenosni električni kabli (podaljški) guma umetne mase,
pritrditev žice na daljnovodih keramika
električna žica za napeljavo po stavbah se umetne ma
varovalke keramika, steklo, umetne mase
naslednjih vrsticah so našteti materiali, ki jih vgrajujejo kot prevodnike v posamezne
reglednica 3.4: Prevodniki v napravah
nitka iz volframa
V
naprave. S pomočjo zgoraj naštetih materialov izpolni spodnjo tabelo.
P
običajna žarnica
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
13
ve po hiši električne napelja bakrena žica
električni daljnovodi baker, aluminij
prenosni električni kabel (podaljški) baker
baterijske svetilke jeklo
navitje v elektromotorju, transformatorju baker
akumulatorji tekočine, razne spojine
stikala, vtičnice jeklo
3.1.2 Merjenje električnega toka
ampermetra
z enega priključka ali pola
1) Smer električnega toka in vezava
Generatorji enosmerne napetosti potiskajo elektrone
generatorja na drugega. Pol, na katerem se nagnetejo elektroni, je negativen, pol s
primanjkljajem elektronov pa je pozitiven. Pravimo, da je med poloma generatorja
električna napetost oziroma razlika potencialov. Elektroni se v generatorju gibljejo od
pozitivnega k negativnemu polu, v porabniku pa v nasprotni smeri, to je od negativnega
pola k pozitivnemu. Smer toka je po dogovoru nasprotna smeri gibanja elektronov.
Električni tok teče od pozitivnega pola k negativnemu. Smer elektronov in smer
električnega toka lahko vidimo na spodnji sliki 3.6 [7].
Slika 3.6: Smer elektronov in smer električnega toka [7]
eneratorji, ki nimajo posebej označenih polov so generatorji izmenične napetosti. G
Elektrone potiskajo zdaj v eno, zdaj v drugo smer. Predznak polov se neprestano
spreminja.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
14
električni krog vežemo žarnico in vir napetosti. Napetost vira povečujemo od nič do
električni tok je amper, z
lektrični krog, pred žarnico ali za njo?
ampermetra.cxt)
V
vrednosti, ki je označena na žarnici. Opazimo, da žarnica sveti vse močneje. Sklepamo,
da vir pri večji napetosti poganja skozi žarnico večji tok. [7]
Električni tok merimo z ampermetrom, osnovna enota za
oznako A. Električni krog prekinemo in v vrzel vstavimo ampermeter, kot lahko vidimo
na sliki 3.7 [7].
Kje prekinemo e
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.7 vezava
Slika 3.7: Vezava ampermetra
mpermeter lahko vežemo pred ali za žarnico, najbolj pomembno pa je, da ampermeter
) Spreminjamo napetost pri konstantnem bremenu
t vira, breme pa naj bo
ulacije CT\3.8-10 merjenje električnega toka.cxt)
A
v električni krog vežemo zaporedno. Ampermeter pokaže vsakič enako vrednost. To
pomeni, da iz žarnice teče enak tok kot vanj priteka (slika 3.7) [7].
2
Sestavi vezje kot prikazuje slika 3.8. Spreminjaj napetos
konstantno. Lastnost bremena je upornost, ki se izraža v omih [Ω]. V spodnjo tabelo
3.5, vpisuj rezultate katere odčitavaš na voltmetru. V zadnji stolpec izračunaj tokove za
posamezne primere.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Sim
UIR
=
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
15
Slika 3.8: Slika vezja z voltmetrom in ampermetrom
Preglednica 3.5: Ugotovitve in rezultati
U [V] R [Ω] I [A]
2 200 0,01
4 200 0,02
6 200 0,03
8 200 0,04
10 200 0,05
3) Konstantna napetost, spreminjamo breme
Sestavi vezje kot prikazuje slika 3.9. Spreminjaj velikost bremena, napetost na viru pa
naj bo konstantna. V spodnjo tabelo 3.6, vpisuj rezultate katere odčitavaš na voltmetru.
V zadnji stolpec izračunaj tokove za posamezne primere.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.8-10 merjenje električnega toka.cxt)
UIR
=
Slika 3.9: Slika vezja z voltmetrom in ampermetrom
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
16
Preglednica 3.6: Ugotovitve in rezultati
U [V] R [Ω] I [A]
9 100 0,090
9 200 0,045
9 300 0,030
9 400 0,023
9 500 0,018
4) Ohmov zakon
Vemo, da se tok v električnem krogu spreminja, če spreminjamo napetost izvira.
Poskusimo zdaj ugotoviti, kakšna je zveza med električno napetostjo U in električnim
tokom I, ki teče po električnem krogu. Sestavimo električni krog (slika 3.10) in
opazujmo kako se zaradi spremembe električne napetosti spreminja električni tok.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.8-10 merjenje električnega toka.cxt)
Slika 3.10: Vezje in graf za ugotavljanje odvisnosti napetosti in toka [7]
V električni krog lahko vežemo različne upornike, grelnike in dolge tanke žice iz
različnih materialov.
Graf, ki kaže kako se električni tok spreminja z električno napetostjo, je premica (slika
3.11). Iz tega lahko sklepamo, da sta tok in napetost premo sorazmerna.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
17
Slika 3.11: Graf prikazuje kako je električni tok odvisen od napetosti [7]
Tok skozi upornik pri stalni temperaturi je premo sorazmeren napetosti med
priključkoma upornika.
UIR
=
Električni tok I [A]
Električna napetost U [V]
Električni upor R [Ω]
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
18
3.1.3 Učinki električnega toka
CILJI
• našteje različne uporabnike v električnem krogu in jih razvrsti glede na učinke
električnega toka (svetlobni, toplotni, kemijski, mehanski, zvočni)
• ugotovijo, kakšne učinke ima lahko električni tok.
NALOGE
Učenci se z večino električnih učinkov srečujejo vsakodnevno, vendar na to niso
pozorni. S to nalogo jih spodbudimo k razmišljanju, kje vse se tudi doma srečajo z
učinki električnega toka.
PRIPOMOČKI
• 9 V baterija
• žica
• žebelj
• kovinski opilki
IZVEDBA VAJE
Učenci s pomočjo vaje, ki je razložena z nekaj besedami, dopolnijo spodnjo
razpredelnico, v katero vpisujejo učinke električnega toka.
1) Žarnico in baterijo postavi tako, da bo svetila, kot je prikazano na sliki 3.12.
Slika 3.12: Svetlobni učinek [7]
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
19
2) Izdelaj preprosto grelno spiralo. V pomoč naj ti bo spodnja slika 3.13. Tanko
žico, ki si jo na svinčniku zvil v spiralo, priključi na baterijo.
Slika 3.13 Toplotni učinek [8]
3) Z jezikom se dotakni obeh kontaktov baterije. Glej sliko 3.14. (Četudi se
dotaknemo obeh kontaktov, nas prav nič ne strese.) Ob dotiku jezika in baterijskih
kontaktov pride do kemijske reakcije, ta pojav je elektroliza.
Slika 3.14: Kemijski učinek [8]
4) Tanko lakirano bakreno žico navijemo na železni žebelj, kot kaže slika 3.15. Ob
povezavi z baterijo bo žebelj privlačil manjše žebljičke.
Slika 3.15: Magnetni učinek [8]
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
20
Preglednica 3.7: Uporabniki, glede na vrsto električnih učinkov
ž a r n i c a e l e k t r i čn i k u h a l n i k
l a k i r a n a ž i c a n a v i t a o k r o g ž e b l j a e l e k t r o l i z a
Toplotni X X
Kemijski X
Svetlobni X
Magnetni X
DELOVANJE VEZJA
Po sklenjenem električnem krogu teče električni tok, katerega učinke lahko zaznamo z
različnimi čutili. Seveda je odvisno tudi od tega, kakšen element ali porabnik vežemo v
električni krog.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Opravili bomo preizkus s 4,5 V žepno baterijo. Te se lahko brez skrbi dotaknemo ne le
z roko, temveč celo z vlažnim jezikom. Četudi se dotaknemo obeh kontaktov, nas prav
nič ne strese, le nekaj kislega začutimo na jeziku. S tem pa ne moremo reči, da je
elektrika kislega okusa [8].
S svetlobnim učinkom električnega toka smo se že seznanili: če na baterijo
pritaknemo majhno baterijsko žarnico, žarnica sveti. Ta učinek se pogosto uporablja.
Razvili sta se že posebna znanost in tehnika, ki se imenuje tehnika svetlobnih naprav.
Če žarnico, ki je nekaj časa opravljala svoje delo, primemo, spoznamo še en učinek
električnega toka, in sicer toplotni učinek električnega toka. Toda naloga žarnice je,
da sveti, zato je toplotni učinek pri njej izguba. Za to v elektrotoplotni tehniki
uporabljamo posebne grelce.
Kiselkast okus je le posledica kemičnega razkrajanja sline, to pa je povzročil električni
tok, ki ga poganja baterija. Spoznali smo torej kemijski učinek električnega toka v
najpreprostejši obliki.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
21
Spoznali pa smo tudi magnetni učinek električnega toka, ki ima izredno pomembno
mesto v elektrotehniki [8].
DODATNE NALOGE
Dodatna naloga je pomembna z vidika varnosti, saj ima lahko električni tok tudi
nevarne učinke in če nismo dovolj pazljivi, lahko ogrozi celo naša življenja.
UČINKI ELEKTRIČNEGA TOKA NA ŽIVA BITJA
Večji del človeškega telesa ali telesa živali sestavljajo prevodne tekočine oziroma
elektroliti, zato je električno prevodno.
Električna napetost »se ne sprašuje«, ali je prevodna pot kovinski vodnik ali telo živega
bitja, ampak po že znanih pravilih neusmiljeno požene električni tok, kakor hitro ji to
omogočimo. Človek se takšnim možnostim izpostavlja pogosto (poškodovana izolacija,
nepazljivost, neznanje, ... ), zato je pomembno vedeti, kakšen vpliv ima električni tok na
človeško telo in kako se škodljivemu izogniti.
Živa bitja so po organizaciji aktivnosti znotraj svojih teles najbolj izdelani sistemi
elektronskega nadzora, informiranja in ukazovanja. Signali, ki omogočajo te aktivnosti,
so množice majhnih električnih napetosti in tokov med možgani in živci čutil ter mišic
nog, rok, srca, ... Lahko bi rekli, da je živo bitje vrhunski mehatronski sistem.
Omenjene signale lahko v medicini tudi merimo ter na osnovi njihove oblike in
velikosti (npr. EKG, slika 3.16) sklepamo o zdravstvenem stanju živega bitja.
Če pride živo bitje pod vpliv zunanje napetosti, povzroči ta v živčnem sistemu telesa
električno »zmedo«, katere prva posledica je nenadzorovana aktivnost (tresenje)
mišičnega ustroja. Pri določeni jakosti toka živci začnejo odpovedovati, kar lahko
povzroči trajni zastoj srčne mišice, krvnega obtoka in smrt živega bitja.
Učinku električnega toka na živčni sistem živih bitij pravimo fiziološki učinek [9].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
22
Slika 3.16: Signal EKG [9]
Vzporedno s fiziološkim učinkom poteka tudi razkroj celičnih tekočin in krvi, pri
večji jakosti toka, ki ga požene visoka napetost več 10 ali 100 kV, pa tudi močno
segrevanje telesa. Posledica daljšega delovanja velikega toka so zato tudi opekline ali
celo pooglenitve delov ali celotnega telesa [9].
ELEKTRIČNI TOK JE LAHKO SMRTNO NEVAREN
Končne posledice električnega toka, ki teče skozi človeško telo, so odvisne od jakosti
toka in časa delovanja njegovih učinkov na človeško telo. Njun vpliv na posledice
ponazarja diagram območij nevarnosti učinkov električnega toka na človeško telo, ki
ga prikazuje slika 3.17 [9].
Slika 3.17: Območja nevarnosti učinkov [9]
• Nevarnost za človeka je odvisna od velikosti in trajanja toka, poti toka skozi
telo in vrste toka.
• Smrtno nevaren je lahko že tok, ki je manjši od 50 mA
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
23
Kljub omenjenim neželenim učinkom električnega toka na živa bitja sodobna medicina
ob točno določenih in nadzorovanih pogojih uporablja fiziološke učinke električnega
toka tudi v koristne namene (elektrošok za oživljanje srca – slika 3.18, draženje mišic
za premikanje rok in nog, ... ) [9].
Slika 3.18: Elektrošok za oživljanje srca [9]
VZROKI IN PREPREČEVANJE NEVARNOSTI ELEKTRIČNEGA TOKA
Razlikujemo dva najpogostejša vzroka nevarnih učinkov električnega toka za človeka,
in sicer:
• Neposredni dotik električne naprave ali inštalacij, ki je pod napetostjo oziroma
na električnem potencialu (slika 3.19).
Slika 3.19: Neposredni dotik [9]
• Posredni dotik izpostavljenega prevodnega dela električne naprave ali
inštalacij, ki je pod napetostjo oziroma na električnem potencialu zaradi
okvare (slika 3.20) [9].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
24
Slika 3.20: Posredni dotik [9]
Do neposrednega dotika lahko pride predvsem zaradi neustrezne zaščite, dostopnosti
ali neprevidnosti, do posrednega dotika pa predvsem zaradi neupoštevanja
varnostnih predpisov pri uporabi in vzdrževanju električnih naprav in inštalacij.
• Napetost, ki se ji izpostavimo z neposrednim ali posrednim dotikom, imenujemo
napetost dotika (UD).
• Za smrtno nevarni tok 50 mA zadostuje izmenična napetost dotika 50 V ali
enosmerna napetost dotika 120 V [9].
Nevarnosti električnega toka se lahko izognemo predvsem z znanjem, upoštevanjem
varnostnih predpisov in previdnostjo pri priključevanju, uporabi in vzdrževanju
električnih naprav. Predpisi določajo več različnih načinov zaščite, omenimo pa
osnovne:
• Pred neposrednim dotikom ščitimo človeka z izolacijo delov električnih
naprav in inštalacij, s pokrovi in okrovi ter s postavitvijo delov, ki so na
nevarnem električnem potencialu zunaj dosega rok (slika 3.21).
Slika 3.21: Izolacija delov električnih naprav [9]
• Pred posrednim dotikom ščitimo človeka s pravočasnim samodejnim
odklopom izvora napetosti, z omejevanjem napetosti dotika ter z
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
25
izenačenjem električnih potencialov kovinskih ohišij električnih naprav ter
vodovodnih in toplotnih inštalacij [9].
Pravočasni samodejni odklop napetosti, npr. 230 V, dosežemo s priključitvijo
izpostavljenih prevodnih delov električnih naprav (ohišij, ...) na zaščitni ozemljitveni
vodnik (PE, slika 3.22). V primeru okvare (poškodba izolacije, kratki stik, ...) mora taka
priključitev zagotoviti ali takojšnji odklop porabnika (npr. izklop varovalke) ali
zmanjšanje napetosti dotika pod 50 V.
Slika 3.22: Samodejni odklop [9]
PRVA POMOČ PRI NESREČI Z ELEKTRIČNIM TOKOM
Življenje ponesrečenca z električnim tokom je velikokrat odvisno tudi od hitre in
pravilno izvajane prve pomoči, po možnosti že na samem mestu nesreče. Praviloma je
potrebno:
• čim hitreje prekiniti električni tok skozi telo ponesrečenca (izklop stikala,
varovalke, kabla, ... – slika 3.23),
Slika 3.23: Izklop stikala v sili in varovalno odklopno stikalo [9]
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
26
• če izklop ni možen na prej omenjeni način, vodnik pri napetostih do 1000 V
previdno odstranimo s ponesrečenca z neprevodnim predmetom (palica iz
suhega lesa, plastični predmet, ... ), oziroma ga odmaknemo od naprave pod
napetostjo, če se lahko ustrezno izoliramo (suha lesena plošča, izolirne
rokavice),
• pri višjih napetostih varnostni predpisi zahtevajo pomoč ustrezno usposobljene
osebe,
• postavitev ponesrečenca v najugodnejši položaj za dihanje in bitje srca oziroma
izvajanje umetnega dihanja ter masažo srca,
• oživljanje z umetnim dihanjem, masažo srca, ... - vsaka sekunda je pri tem
lahko neprecenljiva,
• klicanje nujne zdravniške pomoči – če je le mogoče, naj to nekdo naredi
vzporedno že takoj ob ugotovitvi nesreče.
V primeru težjih nesreč z električnim tokom je mesto nesreče potrebno preventivno
zavarovati [9].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
27
3.1.4 Smer električnega toka
CILJI
• vpliv toka v električnem krogu
NALOGE
S pomočjo spodaj naštetih pripomočkov ugotovi, ali je smer vrtenja elektromotorja
odvisna od smeri električnega toka.
PRIPOMOČKI
• vezne žice
• napetostni vir baterija 4,5V
• elektromotor
• ampermeter
• žarnica
IZVEDBA VAJE
Sestavi električna kroga, kot vidiš na slikah 3.24 in 3.25. Pozoren bodi na vir napetosti.
Kot vidimo je vir v enem in drugem primeru različno priklopljen.
Simulacijo električnega vezja lahko v prilogi tudi pogledate in preizkusite njeno
delovanje.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.24 obrnjena polariteta pri žarnici.cxt)
1) Kaj se zgodi ko stisnemo stikalo? Označi, v katerem primeru žarnica sveti.
Slika 3.24: Vezane žarnice in obrnjena polariteta električnega vira
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
28
2) Ali se pojavi kakšna sprememba, če na žarnici zamenjamo priključke?
a) Da.
b) Ne.
3) Kaj se zgodi, ko stisnemo stikalo? Označi smer vrtenja elektromotorja v vsakem
primeru posebej.
Simulacija električnega vezja je v prilogi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.25 obrnjena polariteta pri motorju.cxt)
Slika 3.25: Vezan elektromotor in obrnjena polariteta električnega vira [9]
4) Ali se pojavi kakšna sprememba, če na elektromotorju zamenjamo priključke?
a) Da.
b) Ne.
DELOVANJE VEZJA
Električno vezje deluje v prvem in drugem primeru. Pri vezani žarnici in zamenjani
polariteti je delovanje žarnice nespremenjeno. Žarnica sveti v obeh primerih. Lahko pa
vidimo očitno spremembo pri vezavi elektromotorja v električni krog in zamenjavi
priključkov. Motor se namreč vrti v nasprotni smeri. S tem smo dokazali, da ima
električni tok tudi svojo smer toka.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Na baterijah opazimo, da sta priključka med seboj različna, običajno na bateriji zanju
najdemo tudi oznaki + in -. Priključku z oznako + rečemo pozitivni pol baterije,
tistemu z oznako – pa negativni pol baterije. Govorimo o polariteti priključkov. Pola
priključkov določata tudi smer električnega toka – električni tok teče od pozitivnega k
negativnemu polu [9].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
29
Ker imamo tudi na žarnici dva priključka, jo lahko zvežemo na dva načina:
- vrat žarnice na pozitivni pol in srednji priključek na negativni pol
- in obratno: vrat žarnice na negativni in njen srednji priključek na
pozitivni pol. Ko smo preverili obe vezavi, nismo opazili nobene razlike.
Učinek električnega toka ni odvisen od smeri električnega toka skozi
žarnico.
Da se prepričamo, da vedno ni tako, sestavimo še en električni krog, v katerega bomo na
baterijo vezali enosmerni elektromotor. Na gred elektromotorja pritrdimo prečko
(karton, les,…) tako, da bo videti, v katero smer se vrti gred motorja. Sestavili smo
preprost električni krog z elektromotorjem in menjavajmo smer električnega toka skozi
motor. Nekateri učinki električnega toka so odvisni od smeri.
Opazimo, da je smer vrtenja odvisna od smeri električnega toka skozi motor. Ugotovili
smo, da žarnica sveti enako ne glede na smer električnega toka.
DODATNE NALOGE
1) Kako z enosmernim elektromotorjem določiš smer električnega toka?
Pripomočki
• vir napetosti z znano polariteto priključkov
• vir napetosti z nedoločeno polariteto priključkov
• enosmerni elektromotor
Najprej elektromotor umerimo z znanim virom napetosti in označimo smer vrtenja.
Tako poznamo smer vrtenja kadar je na priključkih določena polariteta. Ko imamo
elektromotor umerjen, lahko preprosto določimo polariteto neznanega vira napetosti.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
30
3.1.5 Viri električne napetosti
CILJI
• našteje in opiše različne vire električne napetosti
• razlikuje med enosmernimi in izmeničnimi viru napetosti
• razlikuje med viri z nizko in visoko napetostjo
• pozna nevarnosti električnega toka
• analizira električni krog na kolesu in kolesu z motorjem
• odpravi preproste napake
NALOGE
Obstaja veliko različnih vrst baterij. Mokre baterije imajo kovinske elektrode v tekoči
kislini. Tako baterijo bomo izdelali tudi mi.
PRIPOMOČKI
• kozarec za vlaganje živil
• krokodilčki ali sponke za papir
• bakren trak
• cinkov trak
• svetlečo diodo (led)
• žice
• kis za vlaganje
IZVEDBA VAJE
1) Izdelajmo svojo enostavno baterijo oziroma svoj vir električne napetosti.
a) V stekleno posodo postavi bakren in cinkov trak – elektrodi in nalij kis, ki je šibka in
nenevarna kislina.
b) Z žicami poveži elektrodi s svetlečo diodo, kot prikazuje slika 3.26. Vendar bodi
pozoren: svetleča dioda bo zasvetila le, če bo pravilno obrnjena! Če dioda ne bo
zasvetila, zamenjaj priključni sponki [10].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
31
Slika 3.26: Enostavna baterija
2) Viri električnega toka
Viri električnega toka so naprave ali stroji, ki ustvarjajo razliko električnih potencialov.
Tej razliki rečemo gonilna napetost. Razlika električnih potencialov povzroča tok
nabojev (električni tok) za pogon različnih strojev in naprav. Eden izmed takšnih virov
električne energije je tudi baterija na sliki 3.27.
Slika 3.27: Električna napetost: 4,5 V
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
32
Viri električnega toka ustvarjajo razliko električnih potencialov (električno napetost) na
različne načine. Najbolj običajni in najbolj pogosti so naslednji štirje načini
pridobivanja elektrike:
a) V nekaterih virih električnega toka nastaja električna napetost zaradi točno določenih
snovi (spojin), ki v teh virih med seboj reagirajo. Med tem postopkom (reagiranjem)
nastaja nova snov in električna napetost [6].
Taki viri električnega toka so: razne vrste baterij, različni akumulatorji (slika 3.28).
Slika 3.28: Baterije in avtomobilski akumulator [6]
b) Električna napetost lahko nastaja zaradi premikanja (vrtenja) navojev električnih žic
v magnetnem polju.
Taki viri električnega toka so: generatorji različnih vrst (elektrarne), alternator
(avtomobili in druga motorna vozila), dinamo (kolo, moped). Elektrarn poznamo več
vrst:
• hidroelektrarne - voda vrti vodne turbine, vodne turbine pa vrtijo generatorje, ti
ustvarjajo električno napetost - shemo delovanja vidimo na sliki 3.31;
• termoelektrarne - vodna para s pihanjem pod pritiskom vrti parne turbine, te pa
spet generatorje;
• plinske elektrarne - turbine vrtijo plini, ki nastanejo pri zgorevanju zemeljskega
plina, vrtijo plinske turbine, te pa generatorje;
• jedrske elektrarne - toplota, ki nastaja pri "razpadanju" urana, segreva paro, ta pa
vrti parne turbine, parne turbine vrtijo generatorje;
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
33
• vetrne elektrarne – veter vrti propelerje, osi propelerjev pa vrtijo generatorje, ti
ustvarjajo električno napetost - na spodnji sliki 3.29 lahko vidi takšne vetrne
elektrarne [6].
Slika 3.29: Elektrarne na veter [6]
c) Še en način pridobivanja električnega toka temelji na lastnosti nekaterih snovi
(spojin):
Nekatere snovi pod vplivom svetlobe ustvarjajo razliko električnih potencialov. Kadar
je taka snov osvetljena, razlika potencialov ustvarja električno napetost. Kadar je taka
snov v temi, razlike električnih potencialov ne ustvarja. Na tak način ustvarjajo
električno napetost sončne celice. Nameščene so na planinskih kočah, na nekaterih
kalkulatorjih, na satelitih itd. Na spodnji sliki 3.30 lahko vidimo sončno celico na
kalkulatorju [6].
sončna celica
Slika 3.30: Kalkulator s sončno celico
Za vsak vir električnega toka je značilno, da ustvarja električni tok določene napetosti.
Porabnik priključimo vedno na tak vir električnega toka, ki daje električni tok ustrezne
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
34
napetosti. Pod slikami posameznega vira električnega toka je tudi podatek, kakšna je
napetost električnega toka iz te naprave.
3) Kje nastaja razlika električnih potencialov?
Kako in v kateri napravi nastaja razlika električnih potencialov v hidroelektrarni?
Elektrarna je sestavljena iz več delov. Shemo hidroelektrarne lahko vidimo na sliki
3.31. Naštejmo nekatere najbolj pomembne:
• jez
• cevovod ali kanal do turbine
• turbina
• generator
• daljnovod
Slika 3.31: Shema hidroelektrarne [6]
Voda po rečni strugi priteče do jezu. Od tam po cevovodu ali po kanalu teče do turbine.
Zaradi razlike v višini voda turbino vrti. Turbina vrti rotor (to je vrteči srednji del
generatorja) generatorja, ker sta turbina in generator med sabo povezana. Rotor je
sestavljen iz velikega števila ovojev žic. Te žice (oziroma ta tuljava) se vrtijo v
magnetnem polju, ki ga ustvarja stator. Vrteče žice v magnetnem polju ustvarjajo
razliko električnih potencialov. Enega izmed načinov vidimo na sliki 3.32.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
35
Slika 3.32: HE s Kaplanovo turbino [6]
DELOVANJE VEZJA
Pri vsakem električnem vezju so lastnosti delovanja vezja drugačne. Skupno vsem
električnim vezjem pa je: če električni krog (električno vezje) ni sklenjen, po njem ne
more teči električni tok.
Vezje sončnih celic je po navadi sestavljeno tako, da imajo poleg celice tudi
akumulator, ki ga preko dneva, ko je svetloba, polnijo. Ko pa ni svetlobe, naprava
deluje z energijo iz akumulatorja. Tako delujejo svetlobni prometni znaki daleč od vira
električne energije.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Električni tok oziroma nosilci električnega naboja (npr. elektroni) tečejo le, če jih k
temu sili električna sila. V baterijah dobimo električni tok s pomočjo dveh kovinskih
ploščic – cinka in bakra. Ko elektrodi potopimo v kislino, kemijska reakcija požene
elektrone iz cinkove elektrode po žici prek porabnika proti bakreni elektrodi [6].
DODATNE NALOGE
Z limono izdelaj baterijo. Morebiten električni tok dokaži z ampermetrom.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
36
3.1.6 Električne napeljave v stanovanju
CILJI
• našteje sestavine električnih napeljav v stanovanju in razloži pomen in vlogo
posameznih delov
• izdela model električne napeljave
• uporabi simbole električne napeljave za risanje različnih oblik električnih shem
• pozna nevarnost električnega toka in načine varovanja
• razloži vlogo tokovnega zaščitnega stikala
• pridobi praktične izkušnje pri preprostih opravilih
NALOGE
Po spodnjih shemah sestavi vezja in reši naloge.
PRIPOMOČKI
• stikalo
• baterija 9 V
• električni vodniki
IZVEDBA VAJE
1) Električni krog s stikalom
Sestavi električni krog s stikalom, kot je prikazano na sliki 3.34.
Simulacijo električnega vezja lahko najdete v prilogi in tudi preizkusite njeno delovanje.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.34 električni krog s stikalom.cxt)
Na sliki 3.33 sta simbola, ki prikazujeta stikalo in menjalno stikalo. Tabelo 3.8 izpolni
tako, da bo (1) = vklopljen/prižgan in (0) = izklopljen/ugasnjen. Pri menjalnem stikalu
sta priključka v vsakem primeru sklenjena, zato se dogovorimo, da je zgornji priključek
(1), spodnji pa (0).
Slika 3.33: Dogovor za menjalno stikalo
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
37
Slika 3.34: Električni krog s stikalom
Preglednica 3.8: Ugotovitve
stikalo (S1) žarnica
0 0
1 1
2) Vezava stikal
Na spodnjem vezju (slika 3.35) prvo stikalo predstavlja varovalko v hišni napeljavi.
Sestavi električni krog, kot je prikazano na sliki. Tabelo 3.9 izpolni tako, da bo (1) =
vklopljen/prižgan in (0) = izklopljen/ugasnjen [9].
Simulacijo električnega vezja lahko preizkusite v prilogi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.35 vezava stikal.cxt)
Slika 3.35: Vezava stikal
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
38
Preglednica 3.9: Ugotovitve
S1 S2 žarnica
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
3) Vezava menjalnih stikal
Sestavi električni krog z menjalnimi stikali, kot je prikazano na sliki 3.36 in izpolni
spodnjo tabelo 3.10. Primer takšnega vezja najdemo na hodniku. Na kateremkoli stikalu
lahko luč prižgemo ali ugasnemo [10].
Simulacijo električnega vezja lahko poiščeš v prilogi
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.36 menjalna stikala hodnik.cxt)
Slika 3.36: Primer zaporedno vezanih menjalnih stikal na hodniku v hiši
Preglednica 3.10: Ugotovitve
S1 S2 žarnica
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
39
Z zgornjima vajama nisem uresničil vseh učnih ciljev, ki so navedeni. Dodatne
možnosti lahko poiščete v poglavju 4.1 in 4.2.
DELOVANJE VEZJA
Električni krog deluje le, kadar je celoten električni krog sklenjen. To smo dokazali z
zgornjimi preizkusi.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Ugotovimo, da lahko električni tok enostavno prekinemo in spet sklenemo. Na tak način
lahko enostavno vklapljamo in izklapljamo naprave iz električnega omrežja.
DODATNE NALOGE
Varnostno stikalo, ki predstavlja varovalko v hišni napeljavi, dodano vezju na sliki 3.36
v zgornjemu primeru.
Sestavi električni krog s stikali, kot je prikazano na sliki 3.37 in izpolni tabelo 3.11.
Stikalo pred menjalnima stikaloma predstavlja varovalko v hišni napeljavi.
Simulacija je v prilogi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.37 varovalka in hodnik.cxt)
Slika 3.37: Varnostno stikalo na hodniku
Preglednica 3.11: Ugotovitve
VS S1 S2 žarnica
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
40
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 1
Učenci lahko izdelajo električno dozo za dovod električne energije v sobo, nato pa v njo
namestijo vtičnico, stikalo.
Lahko se naučijo, kako se namesti lestenec na strop (izvrta luknjo, vstavi vložek,
zavijači, zveže priključke).
Na nekem kosu 3-žilnega kabla montira vtičnico ali stikalo (da ve, da mora vedno
prekinjati fazo) in ležišče za žarnico. Nato preizkusi.
Praktično znanje, znanje iz vsakdanjega življenja.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
41
3.2 Delo in moč električnega toka
Že v začetku smo ugotovili, da se električni tok navzven kaže s svojimi učinki, in sicer s
kemijskimi, svetlobnimi, toplotnimi in magnetnimi. Vzemimo najbolj znan učinek, in
sicer toplotnega: ko skozi prevodnik teče električni tok, se ta segreje. To segrevanje je
tem večje, čim večji je električni tok oziroma čim višja je napetost. Pod vplivom
napetosti usmerjeni elektroni (električni tok) oddajo svojo energijo v obliki toplote, ki jo
lahko uporabimo koristno ali nekoristno [11].
3.2.1 Električno delo in moč električnega toka
CILJI
• definira električno delo in električno moč ter njune enote, pretvarja med
različnimi zapisi za enote
• primerja električne porabnike po moči
• razvrsti električne porabnike po moči in učinkih
• razloži funkcijo električnega števca kot sestavnega dela električnih napeljav
• izračuna električni tok, ki teče skozi napravo ali stroj
NALOGE
Električno delo bomo spoznali v spodnjih vajah. Vedeti moramo, da električna sila tudi
po vodnikih in skozi porabnike potiska električni naboj.
PRIPOMOČKI
• kroglice
• štoparica
• grelniki
• posoda z vodo
• pripomočki za sestavljanje vezja
IZVEDBA VAJE
DELO
1) Koliko časa potrebujemo, da prenesemo 10 kroglic, kot jih vidimo na spodnji
sliki 3.38, iz enega mesta na drugega? Za prenos ene kroglice iz enega mesta na drugega
potrebujemo 1 minuto [11].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
42
Slika 3.38: Kroglice
Preglednica 3.12: Rezultati
primer koliko kroglic na enkrat število poti sem ter tja čas
1 po 1 kroglico 10 10 min.
2 po 2 kroglici 5 5 min.
3 po 5 kroglic 2 2 min.
4 vse kroglice 1 1 min.
A P t= ⋅ delo mo asč č= ⋅
V katerem primeru moraš pri nošenju kroglic vložiti več truda, moči?
a) Primer 1
b) Primer 2
c) Primer 3
d) Primer 4
ELEKTRIČNA MOČ
Ponovno lahko potegnemo vzporednice z vodo. Moč vodnega toka reke je odvisna od
njenega padca in količine vode, moč električnega toka pa je odvisna od napetosti in toka
(je njun zmnožek). Označimo jo z veliko tiskano črko P, merska enota je vat (oznaka -
velika tiskana črka W) [11].
P U I= ⋅
Moč lahko izpeljemo iz Ohmovega zakona:
RUP
2
= ali 2P I R= ⋅
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
43
Če v navedeni enačbi za moč upoštevamo enačbe za električno delo, dobimo tri
enakovredne enačbe za računanje električne moči.
Električna moč je premo sorazmerna z napetostjo in tokom.
P U I= ⋅
Električna moč je premo sorazmerna s kvadratom toka in uporom.
2P I R= ⋅
Električna moč je obratno sorazmerna s kvadratom napetosti in uporom.
RUP
2
=
Primeri
1) Skozi grelnik električne peči, ki je priključen na napetost 230 V, teče tok 7,2 A.
Kolikšna je električna moč grelnika [12]?
230V 7,2A 1656 W 1,66kWP U I= ⋅ = ⋅ = =
2) Žarnica ima nazivne podatke 60 W / 230 V. Kolikšen tok bo tekel skozi žarnico,
ko jo priključimo na njeno nazivno napetost [12]?
60 W 0,26A230 V
PP U I IU
= ⋅ ⇒ = = =
3) Kolikšna električna moč je potrebna za tok 15 A skozi porabnik z upornostjo 14
Ω in kolikšna skozi vodnike, katerih skupna upornost je 0,1 Ω [12]? 2 2(15A) 14 225 A 14 3150 W 3,15 kWp pP I R= ⋅ = ⋅ Ω = ⋅ Ω = =
2 2(15 A) 0,1 Ω 225 A 0,1 Ω 22,5 Wv vP I R= ⋅ = ⋅ = ⋅ =
4) Na kolikšno najvišjo napetost lahko priključimo upor z nazivnimi podatki 1,2
kΩ / 0,5 W [12]? 2
30,5 W 1,2 10 24,5 VUP U P RR
= ⇒ = ⋅ = ⋅ ⋅ Ω =
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
44
LEKTRIČNO DELO
e, koliko časa neka moč dejansko opravlja delo. Za primer:
E
Kot količina nam prikazuj
A U I t= ⋅ ⋅
snovna enota za električno delo je vat sekunda (oznaka Ws), iz vsakdanjega življenja
) Liter vode segrevamo z različno močnimi grelniki po dve minuti. Segrevanje
reglednica 3.13: Grelniki vode
O
pa najbolj poznamo večjo, bolj praktično enoto: kilovatna ura (oznaka kWh).
1 W 1 s 1 Ws 1 J⋅ = =
1
vode pričnemo pri sobni temperaturi, segrevamo jo dve minuti. Po dveh minutah s
segrevanjem prenehamo in izmerimo temperaturo vode.
P
moč grelnika [W] čas [s] električno delo [kJ] temp. [°C]
100 120 12 30
200 120 24 35
300 120 36 40
) Za izvedbo naloge potrebujemo grelnik, ki greje ves čas z enako močjo. V
m
reglednica 3.14: Grelniki vode
2
naše primeru bomo uporabili grelnik z močjo 200W. Koliko časa potrebujemo, da
liter vode pri sobni temperaturi segrejemo do 30 °C, 35 °C, 40 °C?
P
moč grelnika [W] temp. [°C] električno delo [kJ] čas [s]
200 30 12 60
200 35 24 120
200 40 36 180
) Sestavi električni krog, kot je prikazano na spodnji sliki 3.39. V električni krog
vežeš žarnico pri napetosti 6V. Izmeri električni tok, ki teče po električnem krogu in
ugotovitev vpiši v spodnjo tabelo 3.15.
3
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
45
Simulacijo električnega vezja lahko najdeš v prilogi in tudi preizkusite njeno delovanje.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.39-41 električno delo.cxt)
Slika 3.39: Vezje pri katerem merimo električni tok
4) Sestavi električni krog, kot vidiš na sliki 3.40, z dvema vzporedno vezanima
žarnicama pri en trični tok, ki teče po
lektričnem krogu in ugotovitev vpiši v spodnjo tabelo.
aki napetosti kot v prvem primeru. Izmeri elek
e
Simulacijo električnega vezja lahko najdeš v prilogi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.39-41 električno delo.cxt)
Slika 3.40: Vezje dveh vzporedno vezanih žarnic
5) Sestavi električni krog (slika 3.41) s tremi vzporedno vezanimi žarnicami pri
enaki napetosti ko i teče po električnem
rogu in ugotovitev vpiši v spodnjo tabelo. Delovanje električnega vezja lahko
t v prvem primeru. Izmeri električni tok, k
k
preizkusite v prilogi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.39-41 električno delo.cxt)
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
46
Slika 3.41: Vezje treh vzporedno vezanih žarnic
V stolpec pod električno delo izračunaj opravljeno električno delo.
Preglednica 3.15: Ugotovitve
vezje napetost [V] tok [A] električno delo [W]
ena žarnica 6 V 60 mA 0,36
dve žarnici 6 V 120 mA 0,72
tri e žarnic 6 V 180 mA 1,08
6) likalniku n pove, da troš no moč 1000 Koliko
elekt opravi vir na ti, če likamo dv
e = 1000 W
h
no delo izražamo tudi v kilovatnih urah.
kWh = 3,6 MJ
Napis na am i električ W.
ričnega dela petos e uri?
P
t = 2
----------------
Ae = ?
1000 W 2 h 2000 Wh 2 kWhe t⋅ = ⋅ = = eA U I t P= ⋅ ⋅ =
Električ
1
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
47
ELOVANJE VEZJA
lektrični krog deluje le, kadar je sklenjen. To smo dokazali z zgornjimi preizkusi. V
D
E
zgornji nalogi lahko ponovno opazimo prednost vzporedne vezave.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
A P t= ⋅
V prvih nalogah lahko ugotovimo: če delamo z večjo močjo, lahko enako količino dela
opravimo v krajšem času in obratno. Če delamo alo truda, bomo za isto opravljeno z m
delo potrebovali daj časa.
P U I= ⋅ 2
2UP ali P I RR
= = ⋅ Moč lahko izpeljemo iz Ohmovega zakona:
Če v mrzlo sobo postavimo kalorifer z močjo 2000 W in ga ne priklopimo, soba ne bo
ravil nobenega dela, eprav ima moč 2000
drug kalorifer z močjo 1000 W, ki je delal celo uro. Oba oddata enako količino
rnostjo, kreativnostjo poišče naloge iz
jati moramo iz vsakdanjega življenja, saj so domače okoliščine
nič bolj topla, kar pomeni, da kalorifer ni op č
W.
Še en primer - kalorifer z močjo 2000 W, ki dela 30 minut, opravi enako količino dela
kot
toplote in oba porabita enako količino elektrike.
DODATNE NALOGE
Pri dodatnih nalogah lahko učitelj s svojo izvi
vsakdanjega okolja. Izha
učencem blizu. Zagotovo je to dejavnik, ki učencem omogoča še dodatno kreativnost in
pripravljenost za sodelovanje.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
48
3.3 Pridobivanje električne energije
V tam poglavju se bodo učenci srečali z alternativnimi viri električne energije. Nekatere
bodo tudi uporabili in izdelali svojo mini elektrarno.
3.3.1 Alternativni viri električne energije
CLIJI
• razloži, katere oblike energije so osnova za delovanje posameznih napetostnih
virov
• našteje in opiše klasične (večinske) energetske vire za pridobivanje električne
energije
• ugotovi energijske pretvorbe pri značilnih tipih elektrarn
• našteje in opiše alternativne energetske vire in jih glede na električno moč
primerja s klasičnimi
• primerja različne tipe elektrarn in ocenjuje njihov vpliv na okolje
NALOGE
Nekateri načini pridobivanja električne energije obremenjujejo okolje s strupenimi
snovmi, poleg tega uporabljamo kot kurivo tudi premog, nafto ali plin. Zaloge teh kuriv
so omejene in lahko poidejo v nekaj desetletjih. Zato znanstveniki že dalj časa
poskušajo pridobivati električno energijo na manj obremenjujoče načine za okolje.
Pravimo jim tudi alternativni viri električne energije [5].
PRIPOMOČKI
• sončna celica
• žica
• štoparica
• ampermeter
• voltmeter
IZVEDBA VAJE
1. Elektrarna na veter
Poganja jih energija vetra. Pogoj za postavitev elektrarne na veter je dovolj močan in
stalen tok vetra. Kjer sta izpolnjena ta dva pogoja, postavijo običajno cela polja vrtilnih
turbin, kot lahko vidimo na sliki 3.42. Veter predstavlja enega najčistejših in stalnih
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
49
virov energije, ki nam jih narava daje zastonj (ni ga potrebno kupiti tako kot premog,
nafto, plin, ali radioaktivno gorivo).
Istočasno pa imajo elektrarne na veter tudi nekatere slabosti. Vizualni vpliv na okolico
zaradi svoje velikosti ter v neposredni bližini povzročajo določen nivo hrupa.
Slika 3.42: Polje vetrnih turbin [5]
2. Sončne celice
Sončne celice so vir enosmerne napetosti. Primer sončnih celic lahko vidimo na sliki
3.43. Energijo sončnih žarkov pretvarjajo v električno energijo. Njihovo delovanje je
omejeno na sončne dni, ko je svetlobe veliko. Same celice niso sposobne hraniti
električne energije za delovanje naprav ponoči ali v slabem vremenu. Zato jim običajno
dodajo akumulatorje, ki se v sončnem vremenu polnijo, ponoči ali v slabem vremenu pa
oddajajo električno energijo. Uporabljajo jih na bolj oddaljenih mestih, kjer ni
električnega omrežja za napajanje svetilnikov, svetlobnih znakov ob avtocestah,
planinskih postojankah [5].
Slika 3.43: Elektrarna na sončne celice [5]
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
50
Imajo pa sončne celice tudi nekatere slabosti katere so, nekoliko višja začetna
investicija, težave pri izkoriščanju sončne energije zaradi različnega sončnega obsevanja
posameznih lokacij, cena električne energije pridobljene iz sončne energije je veliko
dražja od tiste proizvedene iz tradicionalnih energetskih virov.
Kako lahko v razredu z učenci izdelamo vajo s sončnimi celicami, je opisano v poglavju
Zapiski za učitelja.
3. Elektrarne s sončnimi kolektorji
Elektrarne s sončnimi kolektorji so v osnovi termoelektrarne, saj kolektorji pretvarjajo
sončno energijo v toplotno. Primer takšnih sončnih kolektorjev je na sliki 3.44. Da bi
zbrali dovolj energije za segrevanje vode, do nekaj 1000C, pokrijejo velike površine z
ukrivljenimi zrcali, ki omogočijo, da se vsa zbrana energija usmeri na majhno površino.
Segrevanje poteka pod velikim tlakom da lahko dosežejo kar se da visoke temperature
vode. Vodna para poganja turbine, te pa bi proizvajale električno energijo. Slaba stran
teh elektrarn je, da za svoje delovanje potrebujejo veliko sončnih dni [5].
Slika 3.44: Sončni kolektorji [5]
Slabosti sončnih kolektorjev so težave pri izkoriščanju sončne energije zaradi različnega
sončnega obsevanja posameznih lokacij, cena električne energije pridobljene iz sončne
energije je veliko dražja od tiste proizvedene iz tradicionalnih virov.
4. Male pretočne hidroelektrarne
Postavimo jih ob deroče potoke in manjše reke, ki imajo stalen tok (niso hudourniki).
Če nam teren dovoljuje, jih lahko postavimo tudi več zaporedoma. Po svoji zgradbi so
enake velikim, le da so manjših moči. Shemo takšne hidroelektrarne lahko vidimo na
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
51
sliki 3.45. Glede na to, da je večji del Slovenije hribovit oziroma gorat, bi lahko
sistematična gradnja majhnih pretočnih elektrarn predstavljala velik delež v skupnem
pridobivanju električne energije [5].
Slika 3.45: Hidroelektrarna [5]
Slika 3.46: Jez hidroelektrarne [5]
Slabosti izkoriščanja hidroenergije je v tem, da izgradnja hidrocentral predstavlja velik
poseg v okolje, nihanje proizvodnje glede na razpoložljivost vode po različnih mesecih
leta, visoka investicijska vrednost.
5. Elektrarne na plimo in oseko
Elektrarne izkoriščajo višanje in nižanje vodne gladine med plimo in oseko. Princip
delovanja elektrarne na plimo in oseko je prikazan na sliki 3.47. Gradnja takih elektrarn
je omejena na določena geografska območja, kjer je plimovanje bolj izrazito [5].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
52
Slika 3.47: Elektrarna na plimo in oseko [5]
Dodatne možnosti o alternativnih virih so v poglavju 4.3 in 4.4. Z njimi lahko
uresničimo še preostale učne cilje.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Učenci spoznajo, na kakšen način lahko pridobivamo v današnjem času nujno potrebno
električno energijo ter istočasno varujemo naravno okolje.
DODATNE NALOGE
Dodatne naloge naj izhajajo iz vsakdanjega življenja, saj so domače okoliščine učencem
blizu. Zagotovo je to dejavnik, ki učencem omogoča še dodatno kreativnost in
pripravljenost za sodelovanje.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
53
3.4 Električni stroji in naprave
V tem poglavju se učenci srečajo z delovanjem različnih električnih naprav. Srečali se
bodo tudi s tem, kako isto napravo lahko uporabljamo kot elektromotor ali kot generator
električne energije.
3.4.1 Elektromotor
CILJI
• določi magnetne sile med trajnimi magneti in trajnim magnetom in železom
• tuljavo opiše kor vir magnetnega polja; ugotovi vpliv železnega jedra na jakost
elektromagneta
• ugotovi, da je osnova delovanja elektromotorjev magnetna sila
• opiše zgradbo in delovanje kolektorskega motorja
NALOGE
Izdelaj preprost elektromotor.
PRIPOMOČKI
• merilo (kovinsko ravnilo)
• zarisno orodje (svinčnik, zarisna igla)
• vrtalni stroj
• svedra debeline 2 in 1,5 mm
• kladivo
• točkalo
• pila za kovine
• 2 m lakirane žice, debeline 0,8 mm
• magnet
• deščica velikosti 60 45 15 mm⋅ ⋅
• 2 kosa aluminijaste pločevine velikosti 50 20 0,8 mm⋅ ⋅
• vijaka
• lesena deščica (podstavek 6 9 cm⋅ )
IZVEDBA VAJE
Izdelava preprostega elektromotorja
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
54
1) Zarisovanje (slika 3.48)
Velikost podstavka ( 6 ). 9 cm⋅
Slika 3.48: Zarisovanje postavka
2) Izrezovanje (slika 3.49)
Iz lesene plošče izrežemo podstavek po začrtani liniji.
Slika 3.49: Izrezovanje postavka
3) Zarisovanje (slika 3.50)
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
55
2,Na košček aluminija z zarisno iglo označimo velikost naših nosilcev ( ). 5 10cm⋅
Slika 3.50: Zarisovanje nosilca
4) Izrezovanje (slika 3.51)
S pomočjo škarij za železo izrežemo zarisana nosilca.
Slika 3.51: Rezanje aluminija
5) Ravnanje (slika 3.52).
Če se pri izrezovanju obdelovanec ukrivi, ga preprosto izravnamo s kladivom in
železnim podstavkom.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
56
Slika 3.52: Ravnanje nosilca
5) Točkanje (slika 3.53)
Sredine lukenj s točkalom označimo. Dovolj je že rahel udarec, saj je aluminij mehka
kovina.
Slika 3.53: Točkanje nosilca
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
57
3) Vrtanje (slika 3.54).
Z vrtalnim strojem izvrtamo luknji. Pod obdelovanec damo leseno podlago, da ne
poškodujemo mize. Med vrtanjem obdelovanec držimo z ročnim primežem.
Slika 3.54: Vrtanje nosilca
Opomba: Pazi na varnost pri delu: spni dolge lase, uporabi rokavice, zapni haljo!
4) Privijanje nosilcev (slika 3.55)
Glede na debelino podstavka določimo sredino na daljši stranici. S svinčnikom
zarišemo sredino. Prevrtamo z ustreznim svedrom. Nosilec z vijakom pritrdimo.
Slika 3.55: Pritrjevanje nosilca na podstavek
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
58
5) Navitje tuljave (sliki 3.56, 3.57)
Na okroglo cev ali valj debeline pribl. 26 mm navijemo 10-15 ovojev žice. Navitje
snamemo ter konca ovijemo 2 do 3-krat okrog ovojev, pri tem pa pazimo, da sta konca
v smeri osi tuljave (na sredini). Konca skrajšamo na dolžino, ki je določena na načrtu.
Slika 3.56: Izdelava navitja
Slika 3.57: Izdelano navitje
6) Snemanje izolacije (slika 3.58)
Z enega konca odstranimo vso izolacijo. Za odstranjevanje izolacije lahko uporabimo
lepenkarski nož. Z druge strani odstranimo izolacijo do polovice, kot je prikazano na
sliki.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
59
Slika 3.58: Odstranjevanje izolacije
Opomba: Snemi izolacijo točno tako, kot je prikazano na načrtu, ker je od tega odvisno
delovanje elektromotorja.
7) Preizkušanje (slika 3.59).
Tuljavo damo na podstavek in poravnamo konca, da se tuljava čim lažje vrti. Pod
tuljavo položimo magnet in priključimo baterijo. Če se ne vrti, je največkrat vzrok slaba
ali nepravilna odstranitev izolacije [13].
Slika 3.59: Preizkušanje elektromotorja
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
60
Kako predelati servomotor v enosmerni motor ali generator Navodilo, kako predelati servomotor v enosmerni motor, je opisano na spletni strani
projekta narteh [http://www.pef.uni-
lj.si/narteh/robteh/Projekti/Servos/Predelava_servo_dc_motor.html].
Izdelava jermenice za navijanje vrvice S pomočjo treh izrezanih okroglih ploščic bomo sestavili jermenico, ki nam bo v pomoč
pri izvajanju in preizkušanju elektromotorja. Na jermenico bomo navijali tanko vrvico
ali laks.
1) Za izdelavo ene jermenice potrebujemo tri okrogle ploščice. Dve imata premer
11 cm, preostala pa je centimeter ožja, tako njen premer znaša 10 cm.
Na večji plošči iz umetne mase tako začrtamo dva kroga 11 cm in enega 10 cm. Po
označenih črtah z žago izrežemo tako, da se z rezom gibljemo 2 do 3 mm od zarisanih
črt (slika 3.60).
Slika 3.60: Izrezovanje jermenice
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
61
2) Izrezan košček na kroglasti brusilki natančno obdelamo. Odbrusimo vse
preostale dele tako, da se po vsem obsegu natančno približamo začrtani liniji (slika
3.61).
Slika 3.61: Brušenje jermenice
3) Preden vse tri ploščice zlepimo, jih v središču prevrtamo, da jih pri lepljenju laže
poravnamo, saj se morajo središča popolnoma ujemati, sicer bomo pri uporabi
jermenice imeli težave in naši izmerjeni rezultati ne bodo natančni. Ploščice zlepimo
skupaj tako, da je ploščica z manjšim premerom med obema večjima ploščicama (slika
3.62).
Slika 3.62: Končana jermenica
4) Sledi pritrjevanje jermenice na nosilec našega elektromotorja. Z iglo na
jermenici označimo mesto, kjer bomo izvrtali luknje za vijake, s katerimi bomo pritrdili
jermenico na nosilec (slika 3.63).
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
62
Slika 3.63: Označevanje mesta za vrtanje
5) S svedrom 2mm izvrtamo luknje, v katere bomo namestili vijake (slika 3.64).
Slika 3.64: Vrtanje lukenj za vijake
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
63
6) Pripravljena jermenica za pritrditev nosilca (slika 3.65).
Slika 3.65: Jermenica z izvrtinami
7) Pritrjen nosilec elektromotorja na jermenico (slika 3.66).
Slika 3.66: Jermenica in nosilec
8) Slika elektromotorja in naše jermenice (slika 3.67).
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
64
Slika 3.67: Elektromotor in jermenica
Meritve elektromotorja Meritve elektromotorja bomo opravili tako, da bomo različne uteži obešali nanj. S
štoparico bomo merila čas, ki ga motor porabi, da utež dvigne za razdaljo 1m. Spodnja
slika 3.68, prikazuje izvedbo vaje.
1m
m
motor
Slika 3.68: Prikaz vaje za merjenje izkoristkov motorja
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
65
pP m g h= ⋅ ⋅ eP U I t= ⋅ ⋅ 100e
p
PP
ν = ⋅
Preglednica 3.16: Rezultati meritev pri 3 V
m [kg] h [m] Pp[W] U [V] I [A] t [s] Pe[W] ν [%] 0,05 1,0 0,491 3,0 0,13 6,03 2,352 20,86 0,10 1,0 0,981 3,0 0,19 7,78 4,435 22,12 0,15 1,0 1,472 3,0 0,23 9,99 6,893 21,35 0,20 1,0 1,962 3,0 0,26 13,90 10,842 18,10 0,25 1,0 2,453 3,0 0,31 25,87 24,059 10,19
Preglednica 3.17: Rezultati meritev pri 4 V
m [kg] h [m] Pp[W] U [V] I [A] t [s] Pe[W] ν [%] 0,05 1,0 0,491 4,0 0,14 4,49 2,514 19,51 0,10 1,0 0,981 4,0 0,18 5,22 3,758 26,10 0,15 1,0 1,472 4,0 0,22 6,43 5,658 26,01 0,20 1,0 1,962 4,0 0,26 7,87 8,185 23,97 0,25 1,0 2,453 4,0 0,31 9,99 12,388 19,80 0,30 1,0 2,943 4,0 0,36 15,47 22,277 13,21
Preglednica 3.18: Rezultati meritev pri 5 V
m [kg] h [m] Pp[W] U [V] I [A] t [s] Pe[W] ν [%] 0,05 1,0 0,491 5,0 0,15 3,64 2,639 18,59 0,10 1,0 0,981 5,0 0,18 3,82 3,438 28,53 0,15 1,0 1,472 5,0 0,22 4,54 4,994 29,47 0,20 1,0 1,962 5,0 0,27 5,31 7,169 27,37 0,25 1,0 2,453 5,0 0,31 6,25 9,688 25,32 0,30 1,0 2,943 5,0 0,36 7,83 14,094 20,88 0,35 1,0 3,434 5,0 0,41 10,57 21,669 15,85 0,40 1,0 3,924 5,0 0,46 19,93 45,839 8,56
Preglednica 3.19: Rezultati meritev pri 7 V
m [kg] h [m] Pp[W] U [V] I [A] t [s] Pe[W] ν [%] 0,05 1,0 0,491 7,0 0,17 2,43 2,892 16,96 0,10 1,0 0,981 7,0 0,22 2,52 3,881 25,28 0,15 1,0 1,472 7,0 0,26 2,75 5,005 29,40 0,20 1,0 1,962 7,0 0,30 3,06 6,426 30,53 0,25 1,0 2,453 7,0 0,34 3,42 8,140 30,13 0,30 1,0 2,943 7,0 0,39 3,96 10,811 27,22 0,35 1,0 3,434 7,0 0,45 4,54 14,301 24,01 0,40 1,0 3,924 7,0 0,50 5,31 18,585 21,11 0,45 1,0 4,415 7,0 0,52 6,84 24,898 17,73
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
66
Na grafu (slika 3.69) lahko vidimo različne izkoristke motorja pri različnih napetostih.
Slika 3.69: Graf izkoristkov motorja
Izvorno datoteko lahko najdete v prilogi, v kateri so vidne vse meritve, izračuni in grafi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Excel\elektromotor in generator.xls)
DELOVANJE VEZJA
Če na motor pripeljemo premajhno napetost, se lahko zelo hitro zgodi, da je breme, ki
naj bi ga motor dvignil, pretežko. Zato imamo dve rešitvi: ali povečamo električno
napetost na elektromotorju ali zmanjšamo breme. Za katero od naštetih rešitev se bomo
odločili, se odločimo sami.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Po opravljeni nalogi z učenci ugotovimo, da izkoristek motorja ni povsod enak. Takšne
meritve so zelo pomembne v primerih, ko elektromotor uporabljamo v praksi, saj je
delovanje odvisno od njegovega izkoristka.
DODATNE NALOGE
Dodatna naloga v tem poglavju je lahko tudi projekt o predelavi elektromotorja v
hidroelektrarno. Podrobnejša navodila so opisana v poglavju Projekti.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
67
3.4.2 Generator
CILJI
• ustvari pogoje, pri katerih pride do indukcije v tuljavi
• ugotovi, da je napetost generatorjev inducirana napetost
• ugotovi obrnljivost delovanja električnih generatorjev in motorjev
• definira izkoristek elektromotorja in generatorja
NALOGE
Meritve generatorja bomo opravili tako, da bomo različne uteži obešali na elektromotor.
S štoparico bomo merila čas, ki ga utež porabi, da pade za razdaljo 1 m.
PRIPOMOČKI
• enosmerni elektromotor z zobniškim reduktorjem vrtljajev in jermenico
• vrvica
• zbirka uteži
• voltmeter
• ampermeter
• merilo
IZVEDBA VAJE
Slika 3.70 prikazuje izvedbo vaje.
1m
m
motor
Slika 3.70: Prikaz vaje za izkoristek generatorja
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
68
pP m g h= ⋅ ⋅
2
eUP tR
= ⋅
100e
p
PP
ν = ⋅
Preglednica 3.20: Rezultati meritev pri 3 Ω
m [kg] h [m] Pp [W] R [Ω] U [V] t [s] Pe [W] ν [%] 0,25 1,0 2,453 3,0 0,17 38,16 0,368 14,99 0,30 1,0 2,943 3,0 0,25 24,16 0,503 17,10 0,35 1,0 3,434 3,0 0,34 17,95 0,692 20,14 0,40 1,0 3,924 3,0 0,41 14,49 0,812 20,69 0,45 1,0 4,415 3,0 0,48 12,28 0,943 21,36 0,50 1,0 4,905 3,0 0,60 9,94 1,193 24,32 0,55 1,0 5,396 3,0 0,61 8,91 1,105 20,48 0,60 1,0 5,886 3,0 0,72 7,51 1,298 22,05 0,65 1,0 6,377 3,0 0,81 6,85 1,498 23,49 0,70 1,0 6,867 3,0 0,87 6,16 1,554 22,63 0,75 1,0 7,358 3,0 0,92 5,71 1,611 21,90 0,80 1,0 7,848 3,0 1,00 5,26 1,753 22,34 0,90 1,0 8,829 3,0 1,12 4,50 1,882 21,31 1,00 1,0 9,810 3,0 1,21 4,14 2,020 20,60
Preglednica 3.21: Rezultati meritev pri 20 Ω
m [kg] h [m] Pp [W] R [Ω] U [V] t [s] Pe [W] ν [%] 0,25 1,0 2,453 20,0 0,79 14,40 0,449 18,32 0,30 1,0 2,943 20,0 1,30 8,68 0,733 24,92 0,35 1,0 3,434 20,0 1,60 6,66 0,852 24,83 0,40 1,0 3,924 20,0 2,10 5,31 1,171 29,84 0,45 1,0 4,415 20,0 2,50 4,36 1,363 30,86 0,50 1,0 4,905 20,0 2,90 3,69 1,552 31,63 0,55 1,0 5,396 20,0 3,30 2,97 1,617 29,97 0,60 1,0 5,886 20,0 3,60 2,80 1,814 30,83 0,65 1,0 6,377 20,0 3,90 2,61 1,985 31,13 0,70 1,0 6,867 20,0 4,05 2,38 1,952 28,42 0,75 1,0 7,358 20,0 4,40 2,29 2,217 30,13 0,80 1,0 7,848 20,0 4,89 2,02 2,415 30,77 0,85 1,0 8,339 20,0 4,95 1,91 2,340 28,06 0,90 1,0 8,829 20,0 5,00 1,88 2,350 26,62 0,95 1,0 9,320 20,0 5,79 1,42 2,380 25,54 1,00 1,0 9,810 20,0 6,00 1,39 2,502 25,50
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
69
Preglednica 3.22: Rezultati meritev pri 50 Ω
m [kg] h [m] Pp [W] R [Ω] U [V] t [s] Pe [W] ν [%] 0,25 1,0 2,453 50,0 1,20 10,60 0,305 12,45 0,30 1,0 2,943 50,0 2,30 5,40 0,571 19,41 0,35 1,0 3,434 50,0 3,30 3,69 0,804 23,41 0,40 1,0 3,924 50,0 3,90 3,10 0,943 24,03 0,45 1,0 4,415 50,0 4,60 2,56 1,083 24,54 0,50 1,0 4,905 50,0 5,30 2,10 1,180 24,05 0,55 1,0 5,396 50,0 5,90 1,82 1,267 23,48 0,60 1,0 5,886 50,0 6,70 1,59 1,428 24,25 0,65 1,0 6,377 50,0 7,00 1,53 1,499 23,51 0,70 1,0 6,867 50,0 7,60 1,32 1,525 22,21 0,75 1,0 7,358 50,0 8,20 1,19 1,600 21,75
Na grafu (slika 3.71) lahko vidimo različne izkoristke generatorja pri različnih uporih na
generatorju.
Slika 3.71: Graf izkoristkov generatorja
Izvorno datoteko lahko najdete v prilogi, v kateri so vidne vse meritve, izračuni in grafi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Excel\elektromotor in generator.xls)
DELOVANJE VEZJA
Elektromotor opravlja v našem primeru vlogo generatorja, ki proizvaja električno
energijo in sicer pretvarja potencialno energijo v električno.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
70
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Pri izračunih opazimo, da je izkoristek generatorja med 20-30 %. Lahko ugotovimo, da
je izkoristek generatorja močno odvisen od izgub v zobniškem reduktorju, do napake pa
lahko pride tudi pri našem merjenju.
DODATNE NALOGE
Dodatno nalogo s pomočjo elektromotorja ali generatorja lahko izvedemo, kot je
napisano na spletni strani, katero najdete med viri [15].
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
71
3.4.3 Transformator
CILJI
• opiše zgradbo transformatorja in razloži princip delovanja
• našteje in opiše različne načine uporabe transformatorja
NALOGE
Izdelaj svoj transformator, kot je napisano v navodilih spodaj. Pokazali bomo, da so pri
višjih napetostih izgube električne energija manjše.
PRIPOMOČKI
• dva transformatorja s prestavnim razmerjem 1:4
• žarnica
• upor, ki predstavlja upornost žic od elektrarne do porabnika
• žice
• merilnik napetosti (voltmeter)
IZVEDBA VAJE
Transformator je naprava, ki spreminja električno napetost iz višje v nižjo ali obratno.
Primer lahko vidimo na sliki 3.72. Sestavljen je iz kovinskega jedra, na katerem sta dve
tuljavi z različnim številom ovojev žice [16].
Slika 3.72: Primarna (vhodna) in sekundarna (izhodna) [16]
Če ima izhodna tuljava dvakrat toliko navojev kot vhodna, se na izhodni tuljavi pojavi
dvakrat višja napetost – vendar s polovico manjšim tokom. Primer lahko vidimo na sliki
3.73.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
72
Slika 3.73: Primarna (vhodna) in sekundarna (izhodna) [16]
Najpogosteje uporabljamo transformator pri prenosu električne energije med elektrarno
in uporabnikom ter v elektronskih napravah, ki jih ne smemo priključiti na omrežno
napetost [15].
1) Učenci naj sestavijo vezje, kot prikazuje slika 3.74. Vezje predstavlja transport
električne energije od elektrarne do porabnika brez vmesnega transformatorja. Izberejo
naj dovolj velik upor, da bo žarnica brlela. Upor predstavlja upornost žic od elektrarne
do porabnika.
Simulacijo električnega vezja lahko najdete v prilogi in tudi preizkusite njeno delovanje.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.74-76 transformator.cxt)
Slika 3.74: Vezje z uporom, ki predstavlja upornost žic v daljnovodu
Spodnje vezje (slika 3.75) prikazuje transport električne energije od elektrarne do
porabnika, kadar uporabimo transformator. Vidimo, da v drugem primeru žarnica sveti
bolj. Lahko ugotovimo, da so pri višjih napetostih izgube električne energije manjše.
Simulacijo električnega vezja se nahaja v prilogi.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
73
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.74-76 transformator.cxt)
Slika 3.75: Vezje s transformatorjem
Spodnje vezje (slika 3.76) prikazuje obe prej omenjeni vezji priklopljeni na isti vir
napetosti, ter izkoristek pri transportu električne energije za enako upornost žic. Vidimo,
da žarnica, do katere potuje električna energija preko transformatorja, sveti močneje, kar
nam prikazuje tudi spodnji graf (slika 3.76).
Delovanje simulacije preizkusite v prilogi.
(Priloga CD, Diplomsko delo\Simulacije CT\3.74-76 transformator.cxt)
Slika 3.76: S pomočjo transformatorja do manjših izgub
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
74
V praksi poznamo visokonapetostne daljnovode. Enega takšnih lahko vidimo na sliki
3.77.
Slika 3.77: Visokonapetostni daljnovodi [6]
DELOVANJE VEZJA
Izvorno napetost prvi transformator poviša s 6 V na 24 V in drugi transformator spet
transformira napetost nazaj na 6 V. Vidimo, da žarnica sveti močneje. Za uporabo
transformatorja moramo na viru uporabljati izmenično napetost, saj v nasprotnem
primeru transformator ne deluje.
ANALIZA IN UGOTOVITVE
Z učenci ugotovimo, da so izgube občutno manjše, če transformiramo napetost na višjo
in spet nazaj z višje v nižjo, saj žarnica sveti opazno močneje, kot v prvem primeru.
DODATNE NALOGE
Dodatna naloga bi lahko bila, da učenci sami izdelajo transformator, pri katerem lahko
predhodno izračunajo njegovo moč delovanja oziroma transformiranja napetosti.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
75
4. Projekti (12 ur) Predmet se zaključi s projekti, ki so v interesu učencev, saj jih tako motiviramo za
nadaljnje raziskovanje. Glede na interes in sposobnosti si učenci izberejo projekt, ki ga
lahko izvedejo individualno ali v manjših skupinah. V nadaljevanju navajamo nekaj
možnosti za projektno delo.
4.1 Montaža doz za vtičnico v votlo steno
Izvrtamo izvrtino premera 68 mm (slika 4.1) ter vanjo vstavimo dozo za votle stene
(slika 4.2) [17].
Slika 4.1: Vrtanje izvrtine
Slika 4.2: Vstavljanje doze
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
76
Z obratom izvijača v desno se kovinska ploščica avtomatično obrne iz ležišča in s hitrim
tristopenjskim navojem približa steni. (slika 4.3) Zatem z zmerno silo privijemo vijak,
da ne deformiramo roba doze [17].
Slika 4.3: Pritrjevanje doze
Ko sta vtičnica ali stikalo povezana z vodniki, ju vstavimo v dozo, nastavimo v
vodoravni položaj in privijemo (sliki 4.4 in 4.5).
Slika 4.4: Vstavljanje stikala
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
77
Slika 4.5: Pritrjevanje stikala
Razvodno dozo pokrijemo s pokrovom (slika 4.6). Pokrito dozo lahko vidimo na sliki
4.7.
Slika 4.6: Pokrivanje doze s pokrovom
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
78
Slika 4.7: Pokrita doza
4.2 Montaža razvodne doze za votlo steno
Označevanje s priloženo šablono
Z libelo označimo začetno linijo (slika 4.8) [17].
Slika 4.8: Označevanje začetne linije
Šablono postavimo ob začetno linijo, jo obrišemo in skozi luknjice označimo sredine
izvrtin premera 35 mm (sliki 4.9 in 4.10).
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
79
Slika 4.9: Obrisovanje ob šabloni
Slika 4.10: Zarisane linije za izrezovanje
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
80
Označevanje brez šablone:
Dozo naslonimo na steno s pomočjo libele. Skozi luknjice v dozi označimo sredine
izvrtin premera 35 mm (slika 4.11) [17].
Slika 4.11: Označevanje mesta za izvrtino
Izvrtamo 4 označene izvrtine premera 35 mm (slika 4.12).
Slika 4.12: Vrtanje
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
81
arišemo črte med izvrtinami (slika 4.13).
Z
Slika 4.13: Zarisovanje linije za izrezovanje
teno izrežemo po črtah in po potrebi popravimo obliko roba s pilo (slika 4.14).
S
Slika 4.14: Izrezana luknj za namestitev razvodnice
atem z zmerno silo privijemo vijak, da ne
deformiramo roba doze (slika 4.15) [17].
a
Z obratom izvijača v desno se kovinska ploščica avtomatično obrne iz ležišča in s hitrim
tristopenjskim navojem približa steni. Z
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
82
Slika 4.15: Pritrjevanje razvodnice
Ko je vezava v dozi končana, jo pokrijemo z brezvijačnim pokrovom, ki omogoča tudi
dodatno pritrjevanje z vijaki, če je potrebno. Pokrov je tanek in se popolnoma prilega
steni ter omogoča manjše prilagajanje vodoravnosti (slika 4.16) [17].
Slika 4.16: Pokrivanje razvodnice
Na prav tak ali zelo podoben način lahko montiramo katerokoli dozo.
4.3 Kako predelamo motor v hidroelektrarno?
Na motorček, ki smo ga uporabljali že v prejšnjih nalogah, namestimo kolo z
lopaticami, ki imitirajo mlinsko kolo. Na tako pripravljeno konstrukcijo pripeljemo
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
83
vodo, ki pada na lopatice, ter tako izkoriščamo potencialno energijo vode za poganjanje
mlinskega kolesa. Za takšno izvedbo je najprimernejše mlinsko kolo na korce, saj se
voda v korcih ujame ter s svojo težo poganja mlinsko kolo.
Če pa bo voda poganjala mlinsko kolo s svojim gibanjem oziroma s svojo kinetično
energijo, bomo uporabili mlinsko kolo na spodnjo vodo oziroma kolo na lopate.
Pri izvedbi moramo biti pazljivi na to, kakšno mlinsko kolo bomo izdelali, saj je od tega
odvisen izkoristek energije vode in s tem povezano tudi naše pridobivanje električne
energije. Oba tipa mlinskih koles lahko vidimo na sliki 4.17. - levo je mlinsko kolo na
lopate in desno kolo na korce.
Slika 4.17: Mlinsko kolo na spodnjo in zgornjo vodo
4.4 Merjenje izkoristka sončnih celic
Pri tej vaji skušamo ugotoviti, pri katerih pogojih je delovanje oziroma izkoristek
sončnih celic največji. Učenci morajo poskrbeti, da zunanja svetloba ne vpliva na
točnost njihovih meritev. Celico enostavno postavijo na dno širšega tulca, v katerega
svetimo s svetilko.
Pripomočki
• sončna celica
• svetilka z različnimi močmi svetenja
• ampermeter
• voltmeter
• žice
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
84
P [W] ….. moč žarnice, svetlobnega vira
r [m] ….. oddaljenost svetlobnega vira od sončne celice
S [m2] ….. površina sončne celice
Pž [W] ….. moč žarnice na sončni celici
I [A] ….. električni tok katerega proizvaja sončna celica
U [V] ….. električna napetost na sončni celici
Pc [W] ….. električna moč sončne celice
ν [%] ….. izkoristek
24žPP Srπ
= ⋅ ž
k
PjS
= 24kS rπ= ⋅
cP U I= ⋅
100ž
c
PP
ν = ⋅
Izvedba vaje
1) V prvem primeru bomo spreminjali oddaljenost svetilke od sončne celice. Na
merilnikih bomo odčitavali električni tok in električno napetost, ki jo proizvaja sončna
celica. Vse ostale komponente vezja bomo ohranili enake. Videli bomo, kako je
izkoristek sončne celice odvisen od oddaljenosti svetlobnega vira. Rezultate vpisujemo
v spodnjo tabelo.
Preglednica št. 4.1: Izkoristek odvisen od oddaljenosti svetilke
P [W] r [m] S [m2] Pž [W] I [A] U [V] Pc [W] ν [%] 100 0,10 0,0025 1,9904 100 0,20 0,0025 0,4976 100 0,30 0,0025 0,2212 100 0,40 0,0025 0,1244 100 0,50 0,0025 0,0796 100 0,60 0,0025 0,0553 100 0,70 0,0025 0,0406 100 0,80 0,0025 0,0311 100 0,90 0,0025 0,0246 100 1,00 0,0025 0,0199 100 1,10 0,0025 0,0164
2) V drugem primeru bomo spreminjali moč svetilke, oddaljenost od sončne celice
se ne bo spreminjala. Na merilnikih bomo prav tako kot v prvi vaji odčitavali električni
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
85
tok in električno napetost ki jo proizvaja sončna celica. Vse ostale komponente vezja
bomo ohranili enake. Videli bomo, kako je izkoristek sončne celice odvisen od moči
svetlobnega vira. Rezultate vpisujemo v spodnjo tabelo.
Preglednica št. 4.2: Izkoristek odvisen od moči svetilke
P [W] r [m] S [m2] Pž [W] I [A] U [V] Pc [W] ν [%] 40 0,50 0,0025 0,0318 50 0,50 0,0025 0,0398 60 0,50 0,0025 0,0478 70 0,50 0,0025 0,0557 80 0,50 0,0025 0,0637 90 0,50 0,0025 0,0717 100 0,50 0,0025 0,0796 110 0,50 0,0025 0,0876 120 0,50 0,0025 0,0955 130 0,50 0,0025 0,1035 140 0,50 0,0025 0,1115 150 0,50 0,0025 0,1194
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
86
5. Zapiski za učitelje
Diploma temelji na programu Crocodile Technology 607. Program smo izbrali zaradi
njegove preglednosti, inovativnosti saj omogoča izdelavo najrazličnejših simulacij. Na
tak način lahko naredimo predmet še bolj zanimiv za učence, saj jih spodbudimo k
raziskovanju in ustvarjanju najrazličnejših vezji.
Prevodniki in izolatorji
Pri vaji, v kateri preizkušamo, ali snov prevaja električni tok ali ne, moramo biti zelo
pazljivi, da na obeh straneh, kjer ustvarjamo stik s testirancem uporabimo krokodilčke,
tako da jih lažje pritrdimo in da je stik resnično vzpostavljen. Zelo hitro namreč lahko
učenci ocenijo preizkušanec kot izolator, vzrok pa je le v tem, da sta krokodilčka
površno nameščena in električni krog ni sklenjen.
Smer električnega toka
V nalogi, kjer učenci ugotavljajo smer električnega toka, je pomembno, da na os
motorja pritrdijo jermenico in na njej označijo točko, ki jo nato opazujejo. Tako bodo
lažje opazili smer, v katero se pika premika pri enem in drugem priklopu motorja.
Sama os je majhna in je težko oceniti, v katero smer se vrti, z jermenico si delo
olajšamo.
Izdelava preprostega elektromotorja
Pri izdelavi je zelo pomembno, da pravilno odstranimo izolacijo na rotorju. Na eni
strani odstranimo izolacijo s cele žice, na drugi strani pa odstranimo le polovico
izolacije, saj je to zelo pomembno pri delovanju elektromotorja. S tem poskrbimo, da
elektromotor dobiva pulze električnega toka, ki poganjajo električni tok. V nasprotnem
primeru bi se magnetno polje magneta in magnetno polje, ki ga proizvaja navitje,
postavila vzporedno in elektromotor se ne bi vrtel.
Izdelava jermenice
Pri izdelavi jermenice moramo biti pozorni, da učenci pri vrtanju uporabljajo zaščitna
očala, imajo zapeto haljo, zavihane rokave in spete lase. V nasprotnem primeru moramo
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
87
učenca opozoriti, da ne sme opravljati s strojnim orodjem, ker je nevarnost prevelika in
se nesreča lahko zgodi zelo hitro, tega pa si ne želi nihče.
Meritve elektromotorja in generatorja
Pri merjenju izkoristka elektromotorja in generatorja naj učenci izvajajo vajo v parih,
saj je za enega preveč stvari, ki jih mora meriti. V dvoje ima vsak posameznik dovolj
časa, da natančno odčita vrednosti na merilnih napravah. Na tak način so meritve
natančnejše in delo poteka bistveno hitreje.
Vaja s sončnimi celicami
Učenci morajo paziti, da sončno celico zaščitijo pred zunanjo svetlobo tako, da celico
osvetljuje le naša žarnica. V nasprotnem primeru lahko pride do velikega odstopanja
meritev od dejanskih vrednosti, lahko pa se tudi zgodi, da so meritve popolnoma
neuporabne in se iz njih ne moremo ničesar naučiti.
Vaja z transformatorjem
Pri izvedbi vaje moramo biti zelo pozorni in previdni. Paziti moramo, da sta
transformatorja vezana pravilno. Če sta oba transformatorja vezana tako, da dvigujeta
napetost, lahko zelo hitro pridemo iz varnega območja napetosti. V našem primeru
uporabljamo transformatorje 1:4 in začetno napetost 6 V. Če se malce poigramo z
matematiko, pridemo pri prvem transformatorju na napetost 24 V in če vežemo
naslednji transformator narobe, pridemo do 24V 4 96V⋅ = , kar pa je lahko že nevarno.
Izpeljane enote
Učitelju predlagam, da se glede na obravnavano snov pri predmetu fizika, sam odloči
kako bo obravnaval sestavljene enote. Učitelj se sam odloči s kom in kako podrobno bo
obravnaval omenjeno temo.
1) Upornost
Električna upornost (oznaka R, fizikalni izraz električni upor) je fizikalna in
elektrotehniška količina, določena z Ohmovim zakonom kot razmerje med napetostjo U
na električnem uporniku in tokom I, ki teče skozenj:
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
88
napetostupornost =tok
VΩ =A
URI
=
V elektrotehniki količino po navadi imenujejo električna upornost, v fiziki pa je
pogostejše poimenovanje električni upor. Zaradi upora se električni vodniki segrevajo in
oddajajo toploto. Nekatere snovi imajo lastnost, da njihov električni upor pri zelo nizkih
temperaturah pade na nič. Pojav je znan kot superprevodnost.
2) Električno delo
• električna sila tudi po vodnikih in skozi porabnike potiska električni naboj
• električno delo je premo sorazmerno z napetostjo in nabojem, ki ga vir poganja
v električnem krogu:
el. delo = napetost naboj⋅
eA U e= ⋅
• ker je e I t= ⋅ , lahko zapišemo
eA U I t= ⋅ ⋅
Ae električno delo [ ] VAs=J
U napetost [V]
I el. tok [A]
t čas [s]
3) Enota za moč
• električna moč je sproščeno električno delo v časovni enoti.
el. deloel.moč = čas
ee
APt
=
1 J 1 W1 seP = =
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
89
Električna moč je premo sorazmerno z napetostjo in električnim tokom.
el.moč = napetost el. tok⋅
1 V 1 A 1 VA 1 WeP U I= ⋅ = ⋅ = =
J = W = VAs
Električna moč je obratno sorazmerno z kvadratom napetosti in upornostjo električnega
porabnika. 2el. moč = tok upor⋅
2
eUPR
=
2 2V V A= = VA =Ω VeP = W
Električna moč je premo sorazmerno z kvadratom toka in upornostjo električnega
porabnika. 2el. moč = tok upor⋅
2eP I R= ⋅
22A Ω VA We
A VPA
= ⋅ = = =
4) Kilovatne ure
Kilovatne ure so enote za merjenje električnega dela. Kot smo v spodnjih izračunih
pokazali je 1 električne energije. kWh 3600 J=
Če si podrobneje ogledamo zapis 1 , vidimo: kWh
k 1000W VAh 3600s
==
=
1 kWh 3600 VAs 3600 Ws 3600 J= = =
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
90
6. Zaključek V diplomski nalogi sem predstavil, kako je možno preko konkretnih problemov in nalog
doseči, da učenci spoznajo osnovne elemente elektronskih vezij in znajo sestaviti lažje
vezje, ki je rešitev problema ali naloge.
Rezultati in prizadevanja, kako pripraviti naloge za predmet Elektrotehnika, ki naj bo
dober in uporaben ter hkrati tudi prijazen do učencev, so bili, po našem mnenju,
uspešni. Zaradi časovne omejenosti, žal, ni bilo mogoče izvesti evalvacije, ki bi potrdila
ali ovrgla to mnenje. Vanjo bi morali vključiti nekaj vzorčnih šol in dodatno usposobiti
učitelje, ki bi nato izvedli projekte.
Vse vaje so zastavljene izkustveno in navajajo učence k delu. Za dosego ciljev pri
izbirnem predmetu elektrotehnika, bi moral učitelj razmisliti o opustitvi klasičnega
način pouka, šole pa bi morale nakupiti določeno tehnično opremo, brez katere izvajanje
predmeta ni mogoče.
Za zaključek še namig: koristno bi bilo vzpostaviti in vzdrževati nekakšno bazo vseh
tovrstnih projektov, ki jih učenci izdelujejo na posameznih šolah. Vsako leto bi lahko na
ta način zbrali nekaj novih, inovativnih projektov, s katerimi bi si učenci pri izdelavi
določenega projekta pomagali. Ob tem ne gre zanemariti možnosti sodelovanja med
učenci in šolami ali morda celo kakšnega tekmovanja v inovativnih rešitvah.
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
91
7. Viri in literatura [1] Kocijančič, S. in drugi, Učni načrt za izbirni predmet Elektrotehnika v osnovni šoli,
Ministrstvo za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 1999, Ljubljana
[2] Dosedla, I. in ostali, Elektrotehnika, Tehniška založba Slovenije, 1998, Ljubljana
[3] Žalar, Z., Osnove Elektrotehnike, učbenik za srednje izobraževanje, Tehniška
založba Slovenije, 1990, Ljubljana
[4] Kenda, M. in ostali, Elektrotehnika, učbenik za srednje izobraževanje, Tehniška
založba Slovenije, 1986, Ljubljana
[5] Fošnarič, S. in drugi, Tehnika in tehnologija 7, delovni zvezek z delovnim gradivom
za 7. razred devetletne osnovne šole, Izotech založba, 2004, Limbuš
[6] http://www2.arnes.si/~soppzupa/elek (obiskano 8.7.2008)
[7] Beznec, B. in drugi, Moja prva fizika 2, fizika za 8. Razred osnovne šole, Modrijan,
1998, Ljubljana
[8] Gerlič, I., Zanimiva elektrotehnika, Založba obzorja Maribor, 1995, Maribor
[9] http://eoet1.tsckr.si/material/eOet1_02_06-2.html (obiskano 8.7.2008)
[10] Kocijančič, S. in drugi, Tehnika in tehnologija za 7. razred devetletnega osnovnega
izobraževanja, Tehniška založba Slovenije, 1999, Ljubljana
[11] Parsons, A., Poskusi sam elektrika, Tehniška založba Slovenije, 1999, Ljubljana
[12] Florjančič, F. in drugi, Tehnika in delo, Tehniška založba Slovenije, 1994, Ljubljana
[13] Gerlič, I., ABC Elektrotehnike, Tehniška založba Slovenije, 1987, Ljubljana
[14] http://eoet1.evsebine.com/material/eOet1_02_07_03_02-2.html (obiskano 8.7.2008)
[15] http://www.pef.uni-lj.si/eprolab/comlab/overview/ov-elec-machines-si.htm (obiskano
8.7.2008)
[16] Fošnarič, S. in drugi, Tehnika in tehnologija 7, učbenik za 7. razred devetletne
osnovne šole, Izotech založba 2003, Limbuš
[17] http://ro.zrsss.si/~puncer/elektrika/kazalo.html (obiskano 8.7.2008)
[18] http://www.smrdelplast.com/montaze.htm (obiskano 8.7.2008)
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
92
8. Priloge Priloga 1: CD Elektrotehnika, izbirni predmet v osnovni šoli.
Naslov CD-ja je Elektrotehnika, izbirni predmet v osnovni šoli.
Na njem so zapisane sledeče mape: Fotografije_filmi, Simulacija CT ter
datoteka z diplomskim delom, imenovana Diploma.doc in Diploma.pdf.
V mapi Fotografije_filmi so fotografije vezij in filmi, ki prikazujejo
izvedbo in delovanje nalog z elektromotorjem in generatorjem.
Simulacije_CT vsebujejo narejene simulacije v programu Crocodile
Technology 3D.
Za ogled le teh potrebujemo že prej omenjeni program.
Priloga 2: Slike vezij so shranjene na CD-ju v mapi Simulacije CT.
Slika Datoteka na CD-ju
Slika 3.2 3.2 električni krog s stikalom.cxt
Slika 3.3 3.3 zaporedna in vzporedna vezava.cxt
Slika 3.5 3.5 električni krog in vezje brez stikala.cxt
Slika 3.7 3.7 vezava ampermetra.cxt
Slika 3.8 3.8-10 merjenje električnega toka.cxt
Slika 3.9 3.8-10 merjenje električnega toka.cxt
Slika 3.10 3.8-10 merjenje električnega toka.cxt
Slika 3.24 3.24 obrnjena polariteta pri žarnici.cxt
Slika 3.25 3.25 obrnjena polariteta pri motorju.cxt
Slika 3.33 3.34 električni krog s stikalom.cxt
Slika 3.34 3.34 električni krog s stikalom.cxt
Slika 3.35 3.35 vezava stikal.cxt
Slika 3.36 3.36 menjalna stikala hodnik.cxt
Slika 3.37 3.37 varovalka in hodnik.cxt
Slika 3.39 3.39-41 električno delo.cxt
Slika 3.40 3.39-41 električno delo.cxt
Slika 3.41 3.39-41 električno delo.cxt
Slika 3.74 3.74-76 transformator.cxt
ELEKTROTEHNIKA, IZBIRNI PREDMET V OSNOVNI ŠOLI
93
Slika 3.75 3.74-76 transformator.cxt
Slika 3.76 3.74-76 transformator.cxt