Účinky elektrického proudu Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Žáci ZŠ Teorie úlohy Elektrický proud jako jev je tvořen uspořádaným pohybem volných částic s elektrickým nábojem. Elektrický proud jako elektrická veličina je definován jako podíl elektrického náboje ΔQ, který projde příčným průřezem vodiče za čas Δt: ΔQ Matematicky: I = [ C/s = A] Δt   Elektrický proud vykazuje svým působením tzv. účinky elektrického proudu. Mohou být světelné, tepelné, magnetické. Světelné účinky elektrického proudu - elektrický proud procházející vláknem žárovky je schopen toto vlákno rozžhavit a vyrobit tak světlo. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

času po který proud vodičem prochází. Tepelné účinky elektrického proudu - elektrický proud procházející vodičem způsobuje podle Joulova – Lenzova zákona vznik tepla. Joulův – Lenzův zákon uvádí závislost velikosti vzniklého tepla na velikosti proudu protékajícího vodičem, napětím mezi konci vodiče a času po který proud vodičem prochází. Matematicky: W = U * I * t [J, V, A, s] U2 Odvozením: W = R * I2 * t, případně W = t R Teplo, které vzniká při průchodu ustáleného stejnosměrného proudu vodičem, je přímo úměrné součinu proudu, napětí a času, po který proud vodičem prochází. Teplo, které vznikne při průchodu proudu vodičem je přímo úměrné odporu vodiče a zvětšuje se s druhou mocninou proudu. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Magnetické účinky elektrického proudu – prochází-li vodičem elektrický proud, vytvoří se kolem vodiče magnetické pole. Obdobně prochází-li elektrický proud cívkou, vytvoří se magnetické pole uvnitř i vně cívky. U cívky lze navíc zjistit severní a jižní pól.   Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

2. Seznámení s úlohou, úkoly Úloha umožňuje prakticky ověřit účinky elektrického proudu. Úkoly pro žáky ZŠ: Měřením proudu procházejícího žárovkou a intenzity osvětlení vydávaného žárovkou ověřte světelné účinky elektrického proudu. Zjistěte závislost intenzity osvětlení na velikosti proudu protékajícího žárovkou. Měřením intenzity osvětlení žárovky napájené stejnosměrným zdrojem napětí a měřením intenzity osvětlení žárovky napájené střídavým zdrojem napětí ověřte závislost časového průběhu intenzity osvětlení na druhu protékajícího proudu. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

3. Měřením magnetické indukce vzniklé průchodem stejnosměrného proudu zjistěte magnetické účinky proudu. Zjistěte, jak závisí umístění pólů cívky na orientaci protékajícího proudu. Sestrojte grafickou závislost magnetické indukce na protékajícím proudu. Měřením teploty rezistoru a času zjistěte tepelné účinky elektrického proudu. Čas měření je 600s. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.1: Schéma měření intenzity osvětlení(zdroj: autor) 3. Postup zpracování úlohy: 1. Úkol - Úlohu zapojíme podle schéma zapojení v obr 1. Na baňku žárovky namíříme fotometr. Nastavení parametrů měření - ampérmetr na rozsah 1A s nulou na okraji, čas měření 20s, vzorkovací frekvence 1000Hz, zobrazení závislosti intenzity osvětlení na proudu z ampérmetru. Napětí na žárovce plynule zvyšujeme od nulové hodnoty do maximální hodnoty ( 40V) pomocí regulačního potenciometru. Obr.1: Schéma měření intenzity osvětlení(zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.2: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.3: Schéma měření průběhu intenzity osvětlení(zdroj: autor) 2. Úkol - K měření využijeme zdroj stejnosměrného napětí, zdroj střídavého napětí, žárovku 42V/25W, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, moduly ampérmetr a fotometr. Zapojení ponechat z 1. úkolu. Nastavení parametrů měření - čas měření: 0,1s, vzorkovací frekvence 1000Hz, zobrazení intenzity osvětlení z fotometru na čase. Nejdříve použijeme zdroj stejnosměrného napětí. Regulačním potenciometrem nastavíme na žárovce napětí 30V. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení žárovky. Nyní zapojíme zdroj střídavého napětí. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení. Obr.3: Schéma měření průběhu intenzity osvětlení(zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.4: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.5: Schéma měření magnetických účinků (zdroj: autor) 3. Úkol - K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, multimeter (ampérmetr) a měřič magnetické indukce. Zapojení úlohy podle schéma zapojení na obr.5. Parametry měření - měřič magnetické indukce na rozsahu 50mT, čas měření 20s, vzorkovací frekvence 20Hz, panel zobrazení digitální. Sondu měřiče magnetické indukce vložíme do dutiny cívky. Proud cívkou postupně zvyšujeme od nulové hodnoty po 0,1A do velikosti proudu 0,7A. Současně čteme z monitoru počítače velikost magnetické indukce a zapisujeme jednotlivé hodnoty. Do pracovního listu zakreslit výslednou závislost magnetické indukce na proudu. Obr.5: Schéma měření magnetických účinků (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.6: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.7: Schéma měření tepelných účinků (zdroj: autor) 4. Úkol - K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), rezistor (dva rezistory 110 Ω zapojené paralelně) a modul teploměr. Zapojení úlohy podle schéma na obr. 7. Nastavení parametrů měření - čas měření 600s, vzorkovací frekvence 300Hz, zobrazení závislosti teploty z modulu teploměr na čase. Na rezistoru nastavíme napětí 10V a na monitoru počítače budeme sledovat rostoucí teplotu. Obr.7: Schéma měření tepelných účinků (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.8: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Žáci SŠ 1. Teorie úlohy Elektrický proud jako jev je tvořen uspořádaným pohybem volných částic s elektrickým nábojem. Elektrický proud jako elektrická veličina je definován jako podíl elektrického náboje ΔQ, který projde příčným průřezem vodiče za čas Δt: ΔQ Matematicky: I = [ C/s = A] Δt Elektrický proud vykazuje svým působením tzv. účinky elektrického proudu. Mohou být světelné, tepelné, magnetické. Světelné účinky elektrického proudu - elektrický proud procházející vláknem žárovky je schopen toto vlákno rozžhavit a vyrobit tak světlo. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

času po který proud vodičem prochází. Tepelné účinky elektrického proudu - elektrický proud procházející vodičem způsobuje podle Joulova – Lenzova zákona vznik tepla. Joulův – Lenzův zákon uvádí závislost velikosti vzniklého tepla na velikosti proudu protékajícího vodičem, napětím mezi konci vodiče a času po který proud vodičem prochází. Matematicky: W = U * I * t [J, V, A, s] U2 Odvozením: W = R * I2 * t, případně W = t R Teplo, které vzniká při průchodu ustáleného stejnosměrného proudu vodičem, je přímo úměrné součinu proudu, napětí a času, po který proud vodičem prochází. Teplo, které vznikne při průchodu proudu vodičem je přímo úměrné odporu vodiče a zvětšuje se s druhou mocninou proudu. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

2. Seznámení s úlohou, úkoly Úloha umožňuje praktickým měřením ověřit účinky elektrického proudu Úkoly pro žáky SŠ: Měřením proudu procházejícího žárovkou a intenzity osvětlení vydávaného žárovkou ověřte světelné účinky elektrického proudu. Zjistěte závislost intenzity osvětlení na velikosti proudu protékajícího žárovkou. Sestrojte grafickou závislost intenzity osvětlení na proudu. Měřením intenzity osvětlení žárovky napájené stejnosměrným zdrojem napětí a měřením intenzity osvětlení žárovky napájené střídavým zdrojem napětí ověřte závislost časového průběhu intenzity osvětlení na druhu protékajícího proudu. Závislost intenzity osvětlení na druhu proudu graficky znázorněte. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Měřením magnetické indukce vzniklé průchodem stejnosměrného proudu zjistěte magnetické účinky proudu. Měření proveďte pro dvě cívky s různým počtem závitů. Zjistěte, jak závisí umístění pólů cívky na orientaci protékajícího proudu. Sestrojte grafickou závislost magnetické indukce na protékajícím proudu pro obě cívky. Měřením teploty rezistoru a času zjistěte tepelné účinky elektrického proudu. Nakreslete grafickou závislost teploty na čase. Čas měření je 600s. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

3. Postup zpracování úlohy: 1. Úkol - K měření využijeme zdroj stejnosměrného napětí. Úlohu zapojíme podle schéma zapojení na obr.9. Na baňku žárovky namíříme fotometr. Parametry měření - čas měření 20s, vzorkovací frekvence 1000Hz, panel zobrazení digitální. Napětí na žárovce plynule zvyšujeme od nuly po 5V do 40V. Na monitoru počítače sledujeme zvyšování intenzity osvětlení. Z ampérmetru čteme proud pro jednotlivé velikosti napětí. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. Obr.9: Schéma měření intenzity osvětlení (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.10: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

2. Úkol - K měření využijeme zdroj napětí, žárovku 42V/25W, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, moduly ampérmetr a fotometr. Zapojení můžeme ponechat podle schéma z úkolu 1. Parametry měření - čas měření: 0,1s, vzorkovací frekvence: 1000Hz, zobrazení intenzity osvětlení z fotometru na čase. Nejdříve použijeme zdroj stejnosměrného napětí. Na žárovce nastavíme napětí 30V. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení žárovky. Nyní zapojíme zdroj střídavého napětí. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.11: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.12: Schéma měření magnetických účinků (zdroj: autor) 3. Úkol - K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, Zapojení úlohy provedeme podle schéma zapojení na obr.12. Parametry měření - měřič magnetické indukce na rozsahu 50mT, čas měření 20s, vzorkovací frekvence 20Hz, panel zobrazení digitální. Sondu měřiče magnetické indukce vložíme do dutiny cívky. Proud cívkou postupně zvyšujeme. Současně čteme z monitoru počítače velikost magnetické indukce a zapisujeme jednotlivé hodnoty. Vyměníme cívku a měření opakujeme. Použité cívky mají 750 závitů a 1000 závitů. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. Obr.12: Schéma měření magnetických účinků (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.13: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.14: Schéma měření tepelných účinků(zdroj: autor) 4. Úkol - K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), rezistor a modul teploměr. Zapojení úlohy provedeme podle schéma zapojení na obr.14. Parametry měření - čas měření 600s, vzorkovací frekvence 300Hz, zobrazení ve dvou panelech. Panel zobrazení závislosti teploty na čase, panel digitální k zobrazení teploty z teploměru. Na rezistoru nastavíme napětí 10V a na monitoru počítače budeme sledovat rostoucí teplotu. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. Obr.14: Schéma měření tepelných účinků(zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech

Obr.15: Náhledy obrazovek ISES (zdroj: autor) Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030 Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech