Studiul curentului alternativ utilizând aplicaţii Flash Panait Bogdan, Pietruşel Andrei elevi L.T. Neagoe Basarab, Olteniţa, bogdan_blackthunder@yahoo.com Ghergu Cezar prof. L.T. Neagoe Basarab, Olteniţa, czghergu@yahoo.fr Abstract Lucrarea îşi propune realizarea de studii virtuale de fizică, utilizând aplicaţia Flash, ce permite modelarea matematică a fenomenelor la nivelul stabilit de profesor. Aplicaţia este creată sub forma unei pagini Web, elevii putând accesa oricând informaţiile pentru realizarea temei propuse. Teoria experimentală cuprinsă în cadrul acestui site este utilizată în aprofundarea temelor prezente în programa şcolară de liceu. Prin remodelarea teoriei se pot găsi şi alte forme de utilizare a situaţiilor experimentale abordate, fără a fi necesară o modificare a acesteia. Pagina Web prezentată permite şi publicarea acesteia pe nternet, constituind astfel o resursă disponibilă oricând elevilor pasionaţi de studiul fizicii sa utilizeze acest program.. Model de studiu virtual al circuitelor de curent alternativ În studiul curentului alternativ, se utilizează diferite tipuri de circuite care necesită multă aparatură de laborator şi în general încă insuficientă sau inexistentă, la nivelul laboratoarelor şcolare. Softul realizat în Flash în cadrul cercului de fizică din liceu, a urmărit simularea de tensiuni şi curenţi alternativi, similari celor obţinuţi cu ajutorul osciloscopului dotat cu comutator electronic, pentru studiul circuitelor de curent alternativ, obţinând o bună interactivitate, necesară obţinerii de date experimentale, ce vor fi ulterior prelucrate de elevi. Aplicaţiile respectă programa şcolară pentru liceu, iar experimentările sunt accesibile elevilor, prin plasarea acestora pe o pagină web şi publicarea ei pe nternet. Sunt simulate în principal grafice de curent şi tensiune, dând posibilitatea elevului să experimenteze în ritm propriu furnizând informaţiile şi datele necesare experimentării. Sunt verificate cunoştinţele de bază referitoare mărimile fizice specifice curentului alternativ şi aplicarea acestora pe situaţii concrete, ducând astfel la o bună înţelegere, în concordanţă directă cu formularea ipotezelor problemelor de laborator. S-a urmărit punerea în evidenţă a rezistenţei aparente şi o bună vizualizare a defazajelor dintre curent şi tensiune pentru diferite circuite serie şi paralel Putem observa prin animaţia simplă a graficelor, decalarea pe axa timpului a tensiunii pe bobină sau condensator faţă de cea de pe rezistor, aflată în fază cu curentul din circuit şi opoziţiile de fază dintre tensiunile elementelor reactive din aceste circuite. În cazul circuitului LC, poate fi evidenţiat aspectul predominant al condensatorului în raport cu bobina sau invers, prin reajustarea Figura. Pagina web de acces a aplicaţiei Flash
Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a V-a, 009 37 valorilor acestora în circuit. neori se iau reprezentări grafice separate, pentru a da interpretări mai clare, aspectelor legate de defazaje pe elementele reactive ale circuitului. Valorile pentru, L şi C, se aleg în apropierea punctului de rezonanţă. În acest caz se poate observa cu mici modificări de inductanţă L şi capacitate C, aspectul inductiv, capacitiv sau creşterile de curent şi tensiune în regim de rezonanţă. eprezentările grafice rezultate în urma prelucrărilor experimentale, la studiul rezonanţei serie şi paralel pot fi realizate în Excel sau Word... Determinarea unor mărimi caracteristice circuitului LC-serie de curent alternativ Cunoscând amplitudinea intensităţii curentului electric şi timpul din graficul circuitului serie, frecvenţa şi valorile elementelor LC, putem determina: pulsaţia, reactanţa inductivă şi capacitivă, impedanţa, defazajul, puterile activă, reactivă şi aparentă, factorul de calitate şi diagrama fazorială. m = ; ω = πν ; X L = ωl ; X C = ; Z = + ( X C ωc ) L X () X L X C tgϕ = ; P = ; P X r = ; S = ; X = X L X C ; Q = L () C extragem valorile numerice ale elementelor din circuitul electric, iar din graficul simulării intensităţii curentului electric funcţie de timp, determinăm amplitudinea acestuia; calculăm mărimile fizice specifice circuitului LC serie şi completăm tabelul cu datele experimentale, obţinute pe baza relaţiilor de calcul enumerate; după calculul tensiunilor pe elementele circuitului, se trasează diagrama fazorială. Figura. Studiul circuitului LC-serie m (ma) (ma) X L (Ω) X C (kω) Z(kΩ) tgφ P(μW) S(μVA) P r (mva) Q 0,4 0,09 3,4 3,84 30,39,87 0,08 0,4 6,67 0,03 Tabelul. Determinări experimentale ale mărimilor fizice caracteristice circuitelor LC-serie
38 niversitatea din Bucureşti şi niversitatea Tehnică Gh. Asachi aşi = = 0, 9V ; L = X L = 0, 8V ; C = X C =, 86V (3) Figura 3. Diagrama fazorială a circuitului LC de c.a. eprezentarea tensiunilor electrice alternative pe diagrama fazorială evidenţiază caracterul capacitiv al circuitului...determinarea unor mărimi caracteristice circuitului LC-paralel de curent alternativ Simulând amplitudinea tensiunii la bornele generatorului de curent electric alternativ, timpul şi valorile elementelor LC din circuitul paralel, putem determina mărimile fizice specifice curentului alternativ ca: amplitudinea tensiunii la bornele circuitului, tensiunea efectivă la bornele circuitului, pulsaţia, rezistenţa electrică, reactanţa inductivă, reactanţa capacitivă, reactanţa circuitului, impedanţa circuitului, tangenta unghiului de defazaj, puterea activă, puterea aparentă, puterea reactivă, intensitatea efectivă a curentului electric prin rezistor, intensitatea efectivă curentului electric prin bobină, intensitatea efectivă curentului electric prin condensator şi reprezentăm diagrama fazorială. elaţiile matematice corespunzătoare acestor mărimi fizice specifice sunt: ω=πν; X L =ωl; X C = ; X = X C ϖc L X ;; P= ; S=; P r =X (4) tgϕ = ; X L X C m = ; m = ; = ; Z Z = (5) = ; + X L X C L = ; C = X X (6) extragem valorile numerice ale elementelor de circuit prezente în schema electrică iar din graficul simulării tensiunii electrice alternative de la bornele circuitului, determinăm amplitudinea acestuia; calculăm mărimile fizice specifice circuitului LC paralel, prezentate în teoria lucrării şi completam tabelul cu datele experimentale; după calculul intensităţilor curenţilor electrici pe elementele circuitului, se trasează diagrama fazorială. m (V) (V) X L (Ω) X C (Ω) Z(Ω) (A) tgφ P(W) S(VA) P r (VA),4 6,8 59,3 5,49 0,36,5 0,0 0,36 0,3 Tabelul. Determinări experimentale ale mărimilor fizice caracteristice circuitelor LC-paralel L C
Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a V-a, 009 39 Figura 4. Studiul circuitului LC-paralel Figura 5. Diagrama fazorială a circuitului LC-paralel = = 0,4 A; L = = 0,; A; C = = 8,85 ma. (7) X L X C eprezentarea curenţilor electrici alternativi pe diagrama fazorială, evidenţiază caracterul capacitiv al circuitului..3. Trasarea curbelor de rezonanţă ale circuitelor de curent alternativ Frecvenţa proprie de oscilaţie a unui circuit, depinde de valorile inductanţei L a bobinei şi capacităţii C a condensatorului, conform relaţiei: ν 0 = (8) π LC În cazul rezonanţei serie, intensitatea curentului din circuit devine maximă, când frecvenţa generatorului, devine egală cu frecvenţa proprie a circuitului. În cazul rezonanţei paralel, tensiunea de la bornele bobinei sau condensatorului devine maximă, când frecvenţa generatorului, devine egală cu frecvenţa proprie a circuitului. se realizează circuitele experimentale serie şi paralel, în care condesatorul şi bobina au valori numerice date; cu ajutorul softului se obţin graficele intensităţilor curentului electric din circuit pentru diferite valori ale frecvenţei, în jurul valorii frecvenţei proprii a circuitelor, calculată cu relaţia (8); trecem datele experimentale într-un tabel şi reprezentăm grafic pentru fiecare circuit =f(ν), utilizând aplicaţia Excel. a)serie b)paralel Nr.det. ν(khz) (μa) ν 0 (khz) ν(khz) (μa) ν 0 (khz) 0,50 5,59 0,5 95,59,00 8,59 0,50 88,59 3,50 5,59,50 8,59 4,00 9,59,50 90,59 5,50 6,59,75 89,59 Tabelul 3. Date experimentale pentru trasarea curbelor de rezonanţă ale circuitelor LC serie şi paralel
40 niversitatea din Bucureşti şi niversitatea Tehnică Gh. Asachi aşi Figura 6. Graficele curbelor de rezonanţă serie şi paralel Observăm că în cazul rezonanţei serie se obţine un maxim de intensitate a curentului electric, iar în cazul rezonanţei paralel un minim de intensitate a curentului electric.. Argumente care vin în sprijinul utilizării experimentelor virtuale Procesele fizice care durează un timp foarte scurt sau foarte lung, ce nu pot fi experimentate în condiţii obişnuite, pot fi modelate şi vizualizate, repetate şi analizate în detaliu prin experimentare virtuală. eferatele de laborator, utilizează programe studiate la disciplna TC. Formează elevilor deprinderi de investigaţie ştintifică şi le dezvoltă aparatul matematic prin utilizarea de funcţii, reprezentări grafice, etc. Dezvoltă aptitudini de însuşire şi utilizare a limbilor străine. Timpul de instalare şi dezinstalare al aparaturii de laborator utilizate pentru experimentare este eliminat. Timpul necesar prelucrărilor experimentale se reduce mult, dacă se utilizează aplicaţia Excel. Se evită distrugerea unor componente ale aparaturii existente la nivelul laboratorului. Sunt realizate experimente pentru care nu există aparatură de laborator. Testarea virtuală economiseşte timp şi elimină subiectivitatea în notare. Dezvoltă creativitatea elevului, reducând astfel starea de stres şi emotivitate. Prin utilizarea aplicaţiilor computerizate se crează un mediu de lucru ideal eliminând erorile umane inerente ce apar în experimentările reale. Elevii îşi însuşesc un conţinut riguros ştiinţific, îşi dezvoltă capacităţi de investigaţie, creativitate, modelare, analizare, interpretare, confirmare şi de generalizare a fenomenelor studiate. BBLOGAFE [] B. Logofătu, M. Logofătu, nstruirea asistată de calculator, Editura Credis, Bucureşti, 00. [] C. Ghergu, B. Logofătu, Modalităţi de introducere a Tehnologiei nformaţiei şi Comunicării în învăţământ - disertaţie, Editura Credis, Bucureşti, 007. [3] G. Enescu, N. Gherbanovschi, M. Prodan, Ş. Levay, Fizica clasa a X-a, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 995.