Φύλλο Εργασίας 10 Το Ηλεκτρικό βραχυ-κύκλωμα Κίνδυνοι και "Ασφάλεια"

Transcript

1 Φύλλο Εργασίας 10 Το Ηλεκτρικό βραχυ-κύκλωμα Κίνδυνοι και "Ασφάλεια" α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι Στις εικόνες φαίνονται πολλές ηλεκτρικές πηγές που τροφοδοτούν με ηλεκτρικό ρεύμα διάφορα κυκλώματα συσκευών, μεταφορικών μέσων και κτιρίων. Αναγνώρισε όσες μπορείς και γράψε τις ονομασίες τους. Γράψε επίσης τις ενδείξεις (πχ. 1,5 V, ) που αναγράφονται στις ηλεκτρικές πηγές της πρώτης εικόνας, παρατηρώντας συγχρόνως το σχήμα τους. Διαπιστώνεις κάποια σχέση μεταξύ του σχήματός τους και των ενδείξεών τους; 1 η εικόνα: κυλινδρικές μπαταρίες σε διαφορετικά μεγέθη με ηλεκτρικές τάσεις 1,5V,σχήμα πλακέ 4,5V, σχήμα ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου 9V και αυτοκινήτου 12V. 2η εικόνα: Απεικονίζεται ένα δυναμό στη ρόδα του ποδηλάτου. Το δυναμό λειτουργεί ως γεννήτρια ρεύματος. 3η εικόνα: Ένας φωτοβολταϊκός μετατροπέας. 4η εικόνα: Πυλώνες με καλώδια της Δ.Ε.Η. τα οποία μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα από το εργοστάσιο της Πτολεμαΐδας. Διαπιστώνουμε ότι δεν υπάρχει σχέση ανάμεσα στο σχήμα και μέγεθος των ηλεκτρικών πηγών και των ενδείξεών τους. [1]

2 Παρατήρησε τις παρακάτω εικόνες στις οποίες φαίνονται μερικές «επικίνδυνες ενέργειες» όταν χρησιμοποιούμε το ηλεκτρικό ρεύμα ή βρισκόμαστε κοντά σε ηλεκτρικά κυκλώματα 220 V, στο σπίτι ή στην εξοχή. Ποιες είναι αυτές; Είναι επικίνδυνες ενέργειες σε ηλεκτρικά κυκλώματα 220 V : να βάζουμε μια ηλεκτρική συσκευή στην πρίζα με βρεγμένα χέρια να καρφώνουμε καρφιά σε σημεία που υπαρχουν ηλεκτρικά καλώδια να σκαλίζουμε ηλεκτρικές συσκευές όταν αυτές είναι συνδεδεμένες στην πρίζα να πετάμε αετό κοντά σε καλώδια του ηλεκτρικού ρεύματος της Δ.Ε.Η. β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους συμμαθητές σου για την αιτία για την οποία οι ενέργειες αυτές είναι επικίνδυνες και γράψε τις υποθέσεις σου. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις υπάρχει ενδεχόμενο να γίνει βραχυκύκλωμα, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα να γίνει πολύ μεγάλο, οπότε είναι πιθανό να γίνει ατύχημα και μάλιστα θανατηφόρο.(ηλεκτροπληξία) Ηλεκροπληξία ονομάζεται η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το ανθρώπινο σώμα και συμβαίνει όταν μεταξύ δύο σημείων του σώματος υπάρχει τάση (διαφορά δυναμικού) ικανή, ώστα να επιτευχθεί ροή του ρεύματος. γ. Ενεργώ, Πειραματίζομαι ΠΡΟΣΟΧΗ: Στους πειραματισμούς σου με ηλεκτρικά κυκλώματα δεν πρέπει ποτέ να χρησιμοποιείς ηλεκτρικές πηγές με ένδειξη μεγαλύτερη από 9 V. Όταν είναι απαραίτητη η χρήση 220 V σε ηλεκτρικές συσκευές, πρέπει να συμβουλεύεσαι πρώτα τον/την καθηγητή/τριά σου, πριν τις βάλεις στην πρίζα. [2]

3 Υλικά / Όργανα: μπαταρίες, βολτόμετρο (εάν υπάρχει), λαμπάκι με τη βάση του, καλώδια, μεταλλικοί συνδετήρες, σύρμα κουζίνας (ψιλό ατσαλόμαλλο). Πείραμα 1 Σύνδεσε με καλώδια τους πόλους μιας μπαταρίας με τους ακροδέκτες του βολτόμετρου, όπως στη διπλανή εικόνα, κάνοντας δοκιμές για να βρεις τη σωστή πολικότητα, με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σου. Διάβασε την ένδειξη του βολτόμετρου (4,5 V) και σύγκρινέ τη με την ένδειξη της μπαταρίας. Πρόσεξε τον τρόπο με τον οποίο συνδέουμε τα βολτόμετρα. Επανάλαβε το πείραμα με άλλες μπαταρίες. Η ένδειξη του βολτομέτρου είναι ίδια αναγραφόμενη τάση της μπαταρίας. με την Πείραμα 2 Πραγματοποίησε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας. Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τον ένα συνδετήρα στον άλλο και κλείσει το κύκλωμα; Όταν θα κλείσει το κύκλωμα ακουμπώντας τους συνδετήρες, θα ανάψει το λαμπάκι. Πείραμα 3 Πραγματοποίησε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας. Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τους δύο συνδετήρες μεταξύ τους; Παρατηρείς κάποιο "βραχυ-κύκλωμα"; Ναι, δημιουργείται ένα μικρό κύκλωμα (βραχυκύκλωμα) ανάμεσα στους συνδετήρες και την μπαταρία δηλαδή το ρεύμα ακολουθεί την ευκολότερη και συντομότερη πορεία μέσω των συνδετήρων και δεν πηγαίνει στο λαμπάκι, με αποτέλεσμα να σβήνει το λαμπάκι. [3]

4 Πείραμα 4 Πραγματοποίησε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας παρεμβάλλοντας στο καλώδιο του κυκλώματος μερικά πολύ λεπτά συρματάκια που έχεις ξεχωρίσει από σύρμα κουζίνας (ψιλό ατσαλόμαλλο). Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τους δύο συνδετήρες μεταξύ τους; Αρχικά ανάβει το λαμπάκι, μόλις όμως ακουμπήσουν οι συνδετήρες τότε γίνεται βραχυκύκλωμα, και σβήνει το λαμπάκι. Όμως, λόγω της ευκολότερης και συντομότερης πορείας του, το ηλεκτρικό ρεύμα μεγαλώνει με αποτέλεσμα το ατσαλόμαλλο να θερμανθεί, να φωτοβολήσει και να λιώσει, διακόπτοντας το κύκλωμα. Πείραμα 5 Πραγματοποίησε ένα άλλο κύκλωμα, αυτό της διπλανής εικόνας, παρεμβάλλοντας μερικά πολύ λεπτά συρματάκια από σύρμα κουζίνας (ψιλό ατσαλόμαλλο) στο καλώδιο που συνδέεται με τον ένα συνδετήρα. Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τους δύο συνδετήρες μεταξύ τους; Όταν ακουμπήσουν οι συνδετήρες, σβήνει το λαμπάκι λόγω του βραχυκλώματος. Το ατσαλόμαλλο όμως θερμαίνεται, φωτοβολεί και να λιώνει, διακόπτοντας το κύκλωμα. Τότε το ηλεκτρικό ρεύμα ακολουθεί την διαδρομή του κανονικού κυκλώματος που εξακολουθεί να είναι κλειστό με αποτέλεσμα να ανάβει ξανά το λαμπάκι. δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω Γράψε τα συμπεράσματά σου από τις παρατηρήσεις των πειραμάτων 3, 4 και 5: 3) Όταν σε ένα κύκλωμα δημιουργηθεί ένα βραχυ-κύκλωμα, τότε το ηλεκτρικό ρεύμα ακολουθεί την ευκολότερη διαδρομή του βραχυκυκλώματος. 4) Όταν ακουμπήσουν οι συνδετήρες γίνεται βραχυκύκλωμα με αποτέλεσμα να σβήνει το λαμπάκι, η θερμοκρασία των αγωγών να αυξάνεται, τα συρματάκια να λιώνουν και να καίγονται λειτουργώντας ως ασφάλεια. Το κύκλωμα παραμένει ανοικτό διότι τα συρματάκια έχουν συνδεθεί σε σειρά και τελικά δεν ανάβει ξανά το λαμπάκι. [4]

5 5) Όταν ακουμπήσουν οι συνδετήρες γίνεται βραχυκύκλωμα με αποτέλεσμα να σβήνει το λαμπάκι, η θερμοκρασία των αγωγών να αυξάνεται,τα συρματάκια να λιώνουν και να καίγονται. Το κύκλωμα παραμένει κλειστό διότι τα συρματάκια έχουν συνδεθεί παράλληλα και τελικά ανάβει ξανά το λαμπάκι. ε. Εφαρμόζω, Εξηγώ, Γενικεύω Εφάρμοσε τα συμπεράσματά σου για να εντοπίσεις πού γίνεται βραχυκύκλωμα στις εικόνες με τις "επικίνδυνες ενέργειες" της πρώτης σελίδας. Ποιες είναι οι συνέπειες; πρώτη εικόνα: Δημιουργείται βραχύκυκλωμα όπου το νερό μπορεί να γίνει "γέφυρα" ανάμεσα στην πρίζα και στο χέρι,στην συνέχεια να διαπεράσει το ανθρώπινο σώμα με καταστροφικές συνέπειες. δεύτερη εικόνα: Δημιουργείται βραχύκυκλωμα όπου το καρφί μπορεί να γίνει η "γέφυρα" και να περάσει το ρεύμα από το καλώδιο που θα έρθει σε επαφή με το καρφί στο χέρι μας, άρα και στο σώμα μας. τρίτη εικόνα: Δημιουργείται βραχύκυκλωμα όπου οτιδήποτε μεταλικό μπορεί να γίνει "γέφυρα" (μεταλικό μέρος συσκευής, μεταλικό μέρος από κατσαβίδι) σε επαφή με το ανθρώπινο σώμα. τέταρτη εικόνα: Δημιουργείται βραχύκυκλωμα όπου η πιθανή υγρασία της ατμόσφαιρας ή η μικρή αγωγιμότητα του βρεγμένου σκοινιού σε συνδυασμό με υψηλή τάση των ηλεκτρικών καλωδίων, μπορεί να γίνουν "γέφυρα" μέσω του χεριού μας. [5]

6 Έχει αποδειχθεί στην πράξη ότι η ενέργεια που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα είναι επικίνδυνη, όταν το πιστολάκι πέσει μέσα νερό ενώ λειτουργεί. Γιατί; Δημιουργείται βραχύκυκλωμα διότι όταν λειτουργεί το πιστολάκι σημαίνει ότι το κύκλωμα είναι κλειστό, το ηλεκτρικό ρεύμα να περνάει στη συνέχεια με γέφυρα το νερό μέσα στην μπανιέρα και να περάσει στον άνθρωπο με καταστροφικές συνέπειες. Εφάρμοσε τα συμπεράσματά σου για να εξηγήσεις πώς λειτουργεί και γιατί είναι απαραίτητη στα ηλεκτρικά κυκλώματα 220 V μια ηλεκτρική ασφάλεια όπως αυτή που φαίνεται στην αριστερή εικόνα ή στα ηλεκτρικά κυκλώματα 12 V των αυτοκινήτων όπως αυτή που φαίνεται στη δεξιά εικόνα. Αν σε ένα κύκλωμα δημιουργηθεί βραχύκυκλωμα αυτό υπερθερμαίνεται με κίνδυνο να λιώσουν τα καλώδια και να εκδηλωθεί πυρκαγιά. Γι αυτό τον λόγω παρεμβάλουμε τις ασφάλειες σε ένα κύκλωμα που αποτελούνται από λεπτά σύρματα και δίνουν προστασία από ανεπιθύμητη αυξήση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή αν το ρεύμα γίνει πολύ μεγάλο, λιώνει η ασφάλεια και ανοίγει το κύκλωμα με αποτέλεσμα την διακοπή παροχής ρεύματος για αποφυγή ατυχήματος. [6]

7 Ιδιοκατασκευή / Πείραμα 6 Μπορείς να κατασκευάσεις και εσύ μια ηλεκτρική πηγή, εφαρμόζοντας τον τρόπο λειτουργίας των μπαταριών και να τη δοκιμάσεις αν έχεις στη διάθεσή σου ένα βολτόμετρο. Υλικά / Όργανα: βολτόμετρο, καλώδια (από χάλκινο σύρμα), δύο ποτήρια, ξίδι, δύο λαμαρινόβιδες (από ψευδάργυρο) Ρίξε σε ένα μικρό ποτήρι ξίδι. Γύμνωσε τις άκρες δύο καλωδίων. Τύλιξε τη μια άκρη του ενός καλωδίου στη λαμαρινόβιδα (από ψευδάργυρο) και σύνδεσε την άλλη άκρη με το μαύρο ακροδέκτη (-) του βολτόμετρου. Βύθισε τη βίδα στο ξίδι. Σύνδεσε τη μία άκρη του άλλου καλωδίου (από χαλκό) με τον κόκκινο ακροδέκτη (+) του βολτόμετρου και βύθισε την άλλη άκρη του στο ξίδι. Διάβασε και γράψε την ένδειξη του βολτόμετρου 0,9 V H ηλεκτρική πηγή που κατασκεύασες ονομάζεται "ηλεκτρικό στοιχείο" και είναι παρόμοια με την πρώτη ηλεκτρική πηγή που κατασκευάστηκε (το 1800). Μπορείς στη συνέχεια να κατασκευάσεις και άλλες ίδιες και να τις συνδέσεις σε σειρά. Σύνδεσε μεταξύ τους και με το βολτόμετρο τις δύο πηγές που κατασκεύασες, όπως στη διπλανή εικόνα. Διάβασε και γράψε την ένδειξη του βολτόμετρου 1,8 V Σύγκρινε τις δύο τιμές: Του ενός ηλεκτρικού στοιχείου η τάση είναι 0,9 V ενώ των δύο συνδεδεμένων σε σειρά είναι 1,8 V Η σύνδεση σε σειρά ηλεκτρικών στοιχείων προσθέτει τις τιμές των τάσεων τους. Αν ανοίξεις μια μπαταρία 4,5 V θα καταλάβεις ότι περιέχει τρία ηλεκτρικά στοιχεία 1,5 V, παρόμοια με αυτά που κατασκεύασες, συνδεδεμένα σε σειρά. Αν αφαιρέσουμε το πλαστικό κάλυμμα από μία πλακέ μπαταρία 4,5 V θα διαπιστώσουμε πράγματι ότι αποτελείται από τρία απλά ηλεκτρικά στοιχεία των 1,5 V συνδεδεμένα σε σειρά διότι (1,5+1,5+1,5) V = 4,5 V [7]

8 Σε κάθε ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως αυτά που έχεις δημιουργήσει στα πειράματα 1, 2, 3, 4, 5 και 6 του Φύλλου Εργασίας 10, πρωταρχικά και απαραίτητα στοιχεία είναι η ηλεκτρική πηγή (πχ. μπαταρία), οι αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος (πχ. μεταλλικά σύρματα) και ο ηλεκτρικός αντιστάτης ή καταναλωτής (πχ. λαμπάκι). Αυτά τα τρία βασικά στοιχεία ενός ηλεκτρικού κυκλώματος (καθώς και το ίδιο το κύκλωμα) παρουσιάζονται παρακάτω με τρεις διαφορετικούς τρόπους: φωτογραφικό ή εικονιστικό(αριστερά), σχηματικό (στη μέση) και συμβολιστικό (δεξιά). Σύνθετο κύκλωμα / Πείραμα 7 Πραγματοποίησε το σύνθετο κύκλωμα που έχει σχεδιαστεί παρακάτω. Στο σχέδιο φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο πρέπει να συνδέσεις την ηλεκτρική πηγή (μπαταρία) με δυο λαμπτήρες Λ1 και Λ2, χρησιμοποιώντας καλώδιο και τρεις αυτοσχέδιους διακόπτες Δ, Δ1 και Δ2, ώστε να ελέγχεις το άναμμα των λαμπτήρων: Αν λάβεις υπόψη σου ότι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα «κλείνει», όταν ο διακόπτης «κλείνει», [8]

9 γράψε στον παρακάτω πίνακα τις λέξεις αναμμένο ή σβηστό, ανάλογα με το ποιο λαμπάκι προβλέπεις ότι ανάβει ή σβήνει, όταν οι διακόπτες είναι κλειστοί ή ανοιχτοί: Δ Δ1 Δ2 Λ1 Λ2 1 η Κλειστός ανοιχτός κλειστός σβηστό αναμμένο 2 η Κλειστός κλειστός ανοιχτός αναμμένο σβηστό 3 η Ανοιχτός κλειστός κλειστός σβηστό σβηστό 4 η Κλειστός κλειστός κλειστός αναμμένο αναμμένο Αναγνώρισε και σημείωσε με ποιο από τα παρακάτω συμβολιστικά κυκλώματα αντιστοιχεί με το παραπάνω σχηματικό κύκλωμα. Πείραμα 8 (με μετρήσεις) Πραγματοποίησε το κύκλωμα το οποίο φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία. Χρησιμοποίησε ως ηλεκτρικό αντιστάτη τη στήλη από γραφίτη ενός μολυβιού. Χρησιμοποίησε μεταλλικά σύρματα για να συνδέσεις τις άκρες της στήλης με τους πόλους των μπαταριών. Χρησιμοποίησε ως ηλεκτρική πηγή αρχικά πέντε μπαταρίες των 1,5 V, στερεωμένες με σελοτέιπ και συνδεδεμένες ηλεκτρικά μεταξύ τους σε σειρά όπως στη φωτογραφία (ο θετικός πόλος της μιας με τον αρνητικό πόλο της άλλης). Διάβασε την ένδειξη του βολτομέτρου (ακουμπώντας τους ακροδέκτες του στις άκρες της στήλης του γραφίτη) και γράψε την στη δεύτερη στήλη του πίνακα, στην πρώτη σειρά. Διάβασε την ένδειξη του αμπερομέτρου (παρεμβάλλοντάς το στο κύκλωμα) και γράψε την στην τρίτη στήλη του πίνακα, στην πρώτη σειρά. Αφαίρεσε μία μπαταρία (ώστε να μείνουν τέσσερις), διάβασε την ένδειξη του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου και γράψε τες στις αντίστοιχες στήλες του πίνακα, στη δεύτερη σειρά. [9]

10 Αφαίρεσε μία μπαταρία (ώστε να μείνουν τρεις), διάβασε την ένδειξη του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου και γράψε τες στις αντίστοιχες στήλες του πίνακα, στην τρίτη σειρά. Αφαίρεσε μία ακόμη μπαταρία (ώστε να μείνουν δύο), διάβασε την ένδειξη του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου και γράψε τες στις αντίστοιχες στήλες του πίνακα, στην τέταρτη σειρά. Αφαίρεσε μία ακόμη μπαταρία (ώστε να μείνει μία), διάβασε την ένδειξη του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου και γράψε τες στις αντίστοιχες στήλες του πίνακα, στην πέμπτη σειρά. Αφαίρεσε και την τελευταία μπαταρία (ώστε να μη μείνει καμία στο κύκλωμα), διάβασε την ένδειξη του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου και γράψε τες στις αντίστοιχες στήλες του πίνακα, στην έκτη σειρά. Αριθμός μπαταριών ένδειξη βολτομέτρου ένδειξη αμπερομέτρου 5 7,5 V 0,937 A 4 6 V 0,750 A 3 4,5 V 0,562 A 2 3 V 0,375 A 1 1,5 V 0,187 A 0 0 V 0 A Οι ενδείξεις του βολτομέτρου (σε Volts ή V) αντιστοιχούν στην ηλεκτρική τάση που δημιουργούν οι μπαταρίες στην άκρη του ηλεκτρικού αντιστάτη (τη στήλη από γραφίτη του μολυβιού). Η ηλεκτρική τάση είναι η αιτία της δημιουργίας ηλεκτρικού ρεύματος όταν υπάρχει κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα. Οι ενδείξεις του αμπερομέτρου (σε Ampere ή A) αντιστοιχούν στην ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει στους αγωγούς και στον αντιστάτη (τη στήλη από γραφίτη του μολυβιού). [10]

11 Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι το αποτέλεσμα της εφαρμογής μιας ηλεκτρικής τάσης σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα. Ο ηλεκτρικός αντιστάτης (που συνήθως στα εκπαιδευτικά ηλεκτρικά κυκλώματα είναι ένα λαμπάκι, ένα κομμάτι γραφίτη ) παρουσιάζει αντίσταση στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Η αντίσταση αυτή εξηγείται αν εξετάσουμε τι συμβαίνει στο μικρόκοσμο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται προς μία κατεύθυνση, λόγω της ηλεκτρικής τάσης, συγκροτούν το ηλεκτρικό ρεύμα. Στην κίνησή τους "αντιστέκονται" τα άτομα των αντιστατών λόγω συγκρούσεων. Τότε η αρχική χημική ενέργεια των μπαταριών, η οποία είχε μετατραπεί σε κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων του ηλεκτρικού ρεύματος, μετατρέπεται σε θερμότητα (όταν ο αντιστάτης είναι για παράδειγμα γραφίτης) ή και σε φωτεινή ενέργεια (όταν ο αντιστάτης είναι για παράδειγμα λαμπάκι). Σημείωσε με το σύμβολο x τα ζεύγη των ενδείξεων του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου στο διάγραμμα έντασης ηλεκτρικού ρεύματος ηλεκτρικής τάσης. Σύρε μια ευθεία γραμμή ανάμεσα στα σύμβολα x. [11]

12 Τι παρατηρείς στο διάγραμμα; Τι συμπεραίνεις για τη σχέση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος με την ηλεκτρική τάση που το προκαλεί; Από το παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε πώς η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον γραφίτη είναι ανάλογη της τάσης στα άκρα του γραφίτη. Η σχέση που συνδέει τα δύο φυσικά μεγέθη είναι γραμμική διότι η γραφική παράσταση τους είναι μία ευθεία γραμμή που διέρχεται από την αρχή των αξόνων. Τέτοια υλικά όπως ο γραφίτης στο συγκεκριμένο πείραμα ονομάζονται αντιστάτες. Ηλεκτρική αντίσταση (R) ονομάζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής τάσης(v) προς την ένταση (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που την διαρρέει : V R = => V=R I ======> ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ ΩΜ, Ι 1 V ΜΟΝΑΔΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ 1Ω = A [12]