Στατικός Ηλεκτρισμός Ηλεκτροσκόπιο Διδακτικοί στόχοι: 1. Να διαπιστώσουμε πειραματικά ότι με την τριβή κάποια σώματα φορτίζονται ηλεκτρικά. 2. Να ανακαλύψουμε πειραματικά ότι τα ομώνυμα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται και τα ετερώνυμα ηλεκτρικά φορτία έλκονται. Π 1: Στατικός ηλεκτρισμός Ηλέκτριση με τριβή Πείραμα Όργανα Υλικά Πλαστικό καλαμάκι - Χαρτομάντιλο - Μικρά κομματάκια χαρτομάντιλου Αντί για πλαστικό καλαμάκι: πλαστικός χάρακας, πλαστική σακούλα τροφίμων, πλαστικό μέρος στυλό, μπαλόνι. Αντί για χαρτομάντιλο: χαρτοπετσέτα, χαρτί κουζίνας, μάλλινο ύφασμα. Αντί για μικρά κομμάτια χαρτομάντιλου: μικρά κομμάτια αλουμινόχαρτου, ξύσμα από μύτη μολυβιού, ζάχαρη, αλάτι, ρίγανη. Οδηγίες εκτέλεσης Κόψε μερικά μικρά κομμάτια από χαρτομάντιλο και βάλε τα πάνω στο θρανίο σου. Τρίψε το καλαμάκι ή το μπαλόνι με το χαρτομάντιλο 5-6 φορές. Και πλησίασέ το στα μικρά κομμάτια χαρτομάντιλου. Τι παρατηρείς; 1
Π 2: Στατικός ηλεκτρισμός Ηλέκτριση με τριβή Πείραμα Όργανα Υλικά Πλαστικά καλαμάκια ή μακρόστενα μπαλόνια Χαρτομάντιλα ή μάλλινη μπλούζα Ορθοστάτης Ράμμα Οδηγίες εκτέλεσης Α Κρέμασε το πλαστικό καλαμάκι με το νήμα στον ορθοστάτη. Τρίψε με τη μάλλινη μπλούζα το καλαμάκι που κρέμεται, τρίψε και την άκρη του μπαλονιού και πλησίασε το μπαλόνι στο καλαμάκι. Τι παρατηρείς; Οδηγίες εκτέλεσης Β Τρίψε με ένα χαρτομάντιλο το καλαμάκι που κρέμεται και πλησίασε στο καλαμάκι το μέρος του ίδιου χαρτομάντιλου που το έτριψες. Τι παρατηρείς; Συμπλήρωσε τα κενά: Στη φύση υπάρχουν ηλεκτρικών φορτίων: το φορτίο των πρωτονίων και το αρνητικό των. Όταν κάποια σώματα τρίβονται, μπορεί να μεταφερθούν από το ένα σώμα στο άλλο. Αν ένα σώμα πάρει, φορτίζεται ή αποκτά αρνητικό (ηλεκτρικό) φορτίο ( - ). Το σώμα που έδωσε τα θα έχει τώρα λιγότερα (έλλειμμα) και περισσότερα και τότε το σώμα φορτίζεται θετικά ή αποκτά θετικό (ηλεκτρικό) φορτίο ( + ). Όταν τρίβουμε το πλαστικό καλαμάκι με το χαρτομάντιλο, μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το στο καλαμάκι. Το καλαμάκι φορτίζεται Το καλαμάκι φορτίζεται και το χαρτομάντιλο φορτίζεται. Αν τρίψουμε μια ράβδο από γυαλί ή πλαστικό με μεταξωτό ύφασμα, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τη στο και έτσι η ράβδος φορτίζεται και το μετάξι. 2
Το Ηλεκτροσκόπιο Ηλεκτρικό εκρεμμές ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ: 1. Να ανακαλύψουμε πειραματικά ότι τα ομώνυμα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται και τα ετερώνυμα ηλεκτρικά φορτία έλκονται. 2. Να διαπιστώσουμε πειραματικά τον τρόπο λειτουργίας του ηλεκτροσκόπιου. Π 1: Στατικός ηλεκτρισμός Ηλεκτροσκόπιο Πείραμα Όργανα Υλικά Διαφάνεια λεία - Χαρτομάντιλο ή μάλλινο ύφασμα - Ψαλίδι Οδηγίες εκτέλεσης Τρίψε καλά με το χαρτομάντιλο ή το μάλλινο ύφασμα τις δύο λωρίδες από τις διαφάνειες, κράτησέ τις με τα χέρια σου από τις άκρες και πλησίασε τη μία στην άλλη. Τι παρατηρείς και γιατί; Ηλεκτροσκόπιο εργαστηρίου Τρίψε καλά το καλαμάκι ή το μπαλόνι με το χαρτομάντιλο ή το μάλλινο ύφασμα και πλησίασέ το στο πάνω μέρος του ηλεκτροσκόπιου. Τι παρατηρείς; 3
Εξήγηση: Οι δύο διαφάνειες μοιάζουν με τα δύο φύλλα αλουμινίου στο ηλεκτροσκόπιο. Με το ηλεκτροσκόπιο διαπιστώνουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο. Απλό ηλεκτρικό εκκρεμές. Τρίψε με το χαρτομάντιλο ή το μάλλινο ύφασμα το καλαμάκι ή το μπαλόνι και πλησίασέ το στο μπαλάκι του εκκρεμούς. Τι παρατηρείς; Αν το σώμα δεν έλκει το μπαλάκι του εκκρεμούς, σημαίνει ότι δεν είναι ηλεκτρισμένο. 4
Παιχνίδια με το στατικό ηλεκτρισμό Όργανα Υλικά Πλαστικά καλαμάκια ή Μπαλόνια μακρόστενα Χαρτομάντιλα ή Χαρτοπετσέτες ή Χαρτί κουζίνας ή Μάλλινο ύφασμα Αλάτι Ζάχαρη Ρίγανη - Κουτί αλουμινίου από αναψυκτικό - Αλουμινόχαρτο Ηλεκτρικός στρόβιλος Βρύση - Ηλεκτρικός θύσανος - Μαλλιά Οδηγίες εκτέλεσης Τρίψε με χαρτομάντιλο ή με χαρτοπετσέτα ή με χαρτί κουζίνας ή με μάλλινο ύφασμα ένα καλαμάκι ή ένα μακρόστενο μπαλόνι και μάθε διασκεδάζοντας για το στατικό ηλεκτρισμό, χρησιμοποιώντας τα παραπάνω υλικά. Προτιμάς γλυκό ή αλμυρό; Καλαμάκι ή μπαλόνι ζαχαρωτό ή αλμυρό. Ούτε γλυκό, ούτε αλμυρό, προτιμώ τα αρωματικά φυτά. Καλαμάκι ή μπαλόνι ριγανάτο Το μπαλόνι προσπαθεί να «δροσιστεί». Το μπαλόνι «σκουπίζεται» και ντύνεται 1
Περιστρέφει τον ηλεκτρικό στρόβιλο. Ο ηλεκτρικός στρόβιλος περιστρέφεται από τον αέρα, ο οποίος ιονίστηκε από το ηλεκτρικό πεδίο των φορτισμένων σωμάτων (καλαμάκι, μπαλόνι). Ο ηλεκτρικός θύσανος «ανατρίχιασε» με το πλησίασμα του μπαλονιού. Οι ελεύθερες άκρες των νημάτων (μετάξι), απωθούνται λόγω των ομώνυμων φορτίων τους. Μ` αυτά που ακούμε και βλέπουμε μας σηκώνεται η τρίχα. Εκτροπή νερού. Με καλαμάκι και με μπαλόνι Σχημάτισε το μονόγραμμά σου! Με καλαμάκια και για όσους δεν βλέπουν για διάφορους λόγους με μπαλόνια. 2
Ηλεκτρικό ρεύμα. Κλειστό Ανοικτό κύκλωμα Διδακτικοί στόχοι: 1. Να διαπιστώσουμε πειραματικά την έννοια του κλειστού και ανοικτού ηλεκτρικού κυκλώματος 2. Να εξηγήσουμε απλά την έννοια των «ελεύθερων» ηλεκτρονίων. 3. Να κατανοήσουμε ότι η προσανατολισμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Π :Ηλεκτρικό ρεύμα Ροή ηλεκτρονίων. Κλειστό Ανοικτό κύκλωμα Πείραμα Όργανα Υλικά Μπαταρία - Καλώδια με κροκοδειλάκια και μπανάνες - Λαμπάκι Λυχνιολαβή Κοφτάκι - Απογυμνωτής (γδάρτης) Οδηγίες εκτέλεσης Με τα παραπάνω όργανα και υλικά κατασκεύασε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, έτσι ώστε το λαμπάκι να ανάψει. Τι σχηματίζουν τα καλώδια συνδεμένα με την μπαταρία και το λαμπάκι της λυχνιολαβής; Σχηματίζουν Το κύκλωμα είναι σε κάποιο σημείο του αποσυνδεμένο; Είναι σε κάποιο σημείο του ανοικτό; 1
Το κύκλωμα Αποσύνδεσε το ένα καλώδιο από την μπαταρία ή από τη λυχνιολαβή. Τι παρατηρείς; Το κύκλωμα είναι σε κάποιο σημείο του αποσυνδεμένο; Είναι σε κάποιο σημείο του ανοικτό; Το κύκλωμα Σε ποιο από τα δύο κυκλώματα το λαμπάκι ανάβει; Το λαμπάκι ανάβει στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Εξήγηση: Στο δυναμικό ηλεκτρισμό, τα πιο απομακρυσμένα ηλεκτρόνια από τον πυρήνα, που λέγονται εξωτερικά ή ελεύθερα είναι αυτά που μπορούν εύκολα να αποσπαστούν από το άτομο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κυκλοφορούν στο κύκλωμα με τη βοήθεια της ενέργειας, που τους παρέχουν οι πηγές του ηλεκτρικού ρεύματος, (γεννήτριες και μπαταρίες). Σε ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα στο οποίο υπάρχει μια ηλεκτρική πηγή, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινηθούν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Τη ροή αυτή των ηλεκτρονίων ή τη προσανατολισμένη κίνησή τους την ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα. 2
Διακόπτης Διδακτικοί στόχοι: 1. Να διαπιστώσουμε πειραματικά τη χρησιμότητα του διακόπτη σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. 2. Να αναγνωρίζουμε τα σύμβολα για τον ανοιχτό και για τον κλειστό διακόπτη. Π : Διακόπτουμε τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος Πείραμα Όργανα Υλικά Μπαταρία - Καλώδια με κροκοδειλάκια και μπανάνες Λαμπάκι Λυχνιολαβή - Κοφτάκι Οδηγίες εκτέλεσης Κατασκεύασε το κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα που βλέπεις στην παραπάνω εικόνα. Βρες διάφορους τρόπους για να διακόψεις τη ροή του ρεύματος και να σταματήσει να φωτίζει το λαμπάκι. 1 ος τρόπος: 2 ος τρόπος: 3 ος τρόπος: 4 ος τρόπος: Σύμβολα που αντιστοιχούν στο διακόπτη: Κλειστός διακόπτης Ανοικτός διακόπτης 3
Διακόπτης μαχαιρωτός, εργαστηρίου Πώς λειτουργεί ο διακόπτης; Συμπλήρωσε: Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός (ενώνονται οι δύο του επαφές σαν γέφυρα), στο κύκλωμα Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός (δεν ενώνονται οι δύο του επαφές, η γέφυρα είναι ανοικτή), στο κύκλωμα Διακόπτης μπουτόν, εργαστηρίου Πώς λειτουργεί ο διακόπτης; Ο διακόπτης λειτουργεί πιέζοντας Σε ένα κύκλωμα με ένα λαμπάκι ο διακόπτης μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιαδήποτε θέση του κυκλώματος, αρκεί να μας εξυπηρετεί για να τον χρησιμοποιούμε. Χρησιμοποιώντας τους διακόπτες 4
Σύνδεση σε σειρά Παράλληλη σύνδεση Διδακτικοί στόχοι: 1. Να διαπιστώσουμε πειραματικά διαφορές και ομοιότητες μεταξύ της σύνδεσης σε σειρά και της παράλληλης σύνδεσης. 2. Να κατανοήσουμε ότι οι ηλεκτρικές συνδέσεις στα σπίτια μας είναι παράλληλες. 3. Να διακρίνουμε τη σύνδεση σε σειρά από την παράλληλη σύνδεση σε ένα σκίτσο ηλεκτρικού κυκλώματος με σύμβολα. Π 1: Σύνδεση σε σειρά Εικόνα 1 Πείραμα Όργανα Υλικά Μπαταρία - Καλώδια με κροκοδειλάκια και μπανάνες - Λαμπάκια Λυχνιολαβές Διακόπτης - Κοφτάκι - Απογυμνωτής καλωδίων Οδηγίες εκτέλεσης Κατασκεύασε το κύκλωμα που βλέπεις στην εικ. 1. 1
Πώς είναι συνδεμένα τα λαμπάκια στο κύκλωμα; Τα λαμπάκια στο κύκλωμα είναι συνδεμένα Ονομάζουμε τη σύνδεση αυτή Κλείσε τον διακόπτη. Τι παρατηρείς; Αφαίρεσε το ένα λαμπάκι από το κύκλωμα, ξεβιδώνοντάς το. Τι παρατηρείς; Σύνδεσε το λαμπάκι που αφαίρεσες από το κύκλωμα. Τι παρατηρείς; Ξεβίδωσε τώρα το άλλο λαμπάκι. Τι παρατηρείς; Σύνδεσε πάλι το λαμπάκι που αφαίρεσες από το κύκλωμα. Τι παρατηρείς; Άνοιξε τώρα τον διακόπτη του κυκλώματος. Τι παρατηρείς; Κλείσε τον διακόπτη του κυκλώματος. Τι παρατηρείς; Στη σύνδεση σε σειρά οι δύο λαμπτήρες διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Με τη σύνδεση του δεύτερου λαμπτήρα η συνολική αντίσταση του κυκλώματος, δηλαδή η δυσκολία κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων, μεγαλώνει, με αποτέλεσμα να μειώνεται η ένταση του ρεύματος. Στη σύνδεση σε σειρά η φωτεινότητα της ακτινοβολίας κάθε λαμπτήρα εξαρτάται από το πλήθος των λαμπτήρων που είναι συνδεμένοι στο κύκλωμα. 2
Π 2: Παράλληλη σύνδεση Πείραμα Οδηγίες εκτέλεσης Εικόνα 1 Κατασκεύασε τα κυκλώματα που βλέπεις στην εικ. 1. Πώς είναι συνδεμένα τα λαμπάκια στο κύκλωμα; Τα λαμπάκια στο κύκλωμα είναι συνδεμένα στην μπαταρία Ονομάζουμε τη σύνδεση αυτή Ας υποθέσουμε ότι τα τρία κυκλώματα αντιστοιχούν σε τρία δωμάτια ενός σπιτιού. Κλείσε τον διακόπτη του 1 ου δωματίου. Τι παρατηρείς; Κλείσε τον διακόπτη του 2 ου δωματίου. Τι παρατηρείς; Κλείσε τον διακόπτη και του 3 ου δωματίου. Τι παρατηρείς; 3
Έστω ότι ο λαμπτήρας του 2 ου δωματίου κάηκε (αποσύνδεσε το λαμπάκι). Τι παρατηρείς; Στην παράλληλη σύνδεση οι επαφές κάθε λαμπτήρα συνδέονται απευθείας με τους πόλους της ηλεκτρικής πηγής. Στη περίπτωση αυτή δε μεταβάλλεται η φωτεινότητα του πρώτου λαμπτήρα, όταν συνδεθεί και δεύτερος, αφού η ένταση του ρεύματος που διαρρέει κάθε λαμπτήρα, δε μεταβάλλεται. Πώς είναι οι ηλεκτρικές συνδέσεις στα σπίτια; Απάντηση: 4
Βραχυκύκλωμα Ασφάλειες Διδακτικοί στόχοι: 1. Να διαπιστώσουμε πειραματικά τα αποτελέσματα του βραχυκυκλώματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. 2. Να διαπιστώσουμε πειραματικά τη χρησιμότητα της ασφάλειας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. 3. Να δούμε ασφάλειες διαφόρων ειδών. Π 1: Βραχυκύκλωμα Πείραμα Όργανα Υλικά Μπαταρία - Καλώδια με κροκοδειλάκια και μπανάνες Λαμπάκι - Λυχνιολαβή Διακόπτης - Κοφτάκι - Απογυμνωτής καλωδίων - Μονωτική ταινία Οδηγίες εκτέλεσης Α Κατασκεύασε το κύκλωμα που βλέπεις στην εικόνα. Ακούμπησε το ένα καλώδιο στο άλλο (όχι από το μέρος που έχει αφαιρεθεί το πλαστικό) και κλείσε τον διακόπτη, όπως στην εικ. 1 και 2, τι παρατηρείς; Εικόνα 1 Εικόνα 2 1
Οδηγίες εκτέλεσης Β Ακούμπησε πάλι το ένα καλώδιο στο άλλο, στο σημείο που έχεις αφαιρέσει το μονωτικό υλικό και κλείσε τον διακόπτη. Τι παρατηρείς; Ο δύσκολος δρόμος είναι ο δρόμος από το λαμπάκι, γιατί το συρματάκι του παρουσιάζει αντίσταση. Οδηγίες εκτέλεσης Γ Στο ίδιο κύκλωμα, τύλιξε με μονωτική ταινία τα «γυμνά» σύρματα των δύο καλωδίων. Με ένα επιπλέον κομμάτι καλώδιο, σύνδεσε μεταξύ τους τα δύο καλώδια στα σημεία όπου αυτά ακουμπούν στις δύο επαφές της λυχνιολαβής και κλείσε τον διακόπτη. Τι παρατηρείς; Ο δύσκολος δρόμος είναι ο δρόμος από το λαμπάκι, γιατί το συρματάκι του παρουσιάζει αντίσταση. Η ανάλυση της λέξης «βραχυκύκλωμα» (κοντό κύκλωμα) δεν εδραιώνει τη λανθασμένη αντίληψη ότι ο «εύκολος δρόμος» είναι πάντοτε ο «σύντομος δρόμος». Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι πιθανό, λόγω λανθασμένης σύνδεσης ή κάποιας βλάβης, οι πόλοι μιας ηλεκτρικής πηγής να συνδεθούν μέσω ενός αγωγού με πολύ μικρή ή αμελητέα αντίσταση. Στην περίπτωση αυτή η ένταση του ρεύματος, το πλήθος δηλαδή των ηλεκτρικών φορτίων που διαρρέουν ένα συγκεκριμένο σημείο του αγωγού στη μονάδα του χρόνου, είναι μεγάλη, με αποτέλεσμα ο αγωγός να υπερθερμαίνεται, με κίνδυνο να λιώσει προκαλώντας ακόμα και πυρκαγιά. Κάθε κύκλωμα αμελητέας αντίστασης ονομάζεται βραχυκύκλωμα. 2
Π 2: Ασφάλειες Πείραμα Όργανα Υλικά Μικρό κομμάτι ξύλο Βίδες Κατσαβίδι Μπαταρία - Καλώδια με κροκοδειλάκια και μπανάνες Λαμπάκι Λυχνιολαβή - Διακόπτης Κοφτάκι - Απογυμνωτής καλωδίων - Συρματάκι κουζίνας - Μονωτική ταινία Οδηγίες εκτέλεσης Α Σύμβολο ασφάλειας Από το συρματάκι κουζίνας πάρε μόνο 2-3 «τρίχες» και στερέωσέ τις στα κροκοδειλάκια, έτσι ώστε να τεντώσουν. Κατασκεύασε το παραπάνω κύκλωμα και κλείσε τον διακόπτη. Τι παρατηρείς; 3
Οδηγίες εκτέλεσης Β Στο προηγούμενο κύκλωμα, αφού αφαιρέσεις το μονωτικό υλικό των δύο καλωδίων, ακούμπησε το ένα καλώδιο στο άλλο, στο σημείο που έχεις αφαιρέσει το μονωτικό υλικό και κλείσε τον διακόπτη. Τι παρατηρείς; Για την προστασία από τα βραχυκυκλώματα χρησιμοποιούνται οι ασφάλειες. Οι ασφάλειες είναι δύο τύπων, τηκόμενες και αυτόματες. Οι τηκόμενες ασφάλειες αποτελούνται από λεπτό και εύτηκτο μέταλλο, που λιώνει μόλις η ένταση του ρεύματος ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή, διακόπτοντας τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος και προστατεύοντας τις συσκευές που είναι συνδεμένες στο κύκλωμα. Στις αυτόματες ασφάλειες η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος διακόπτεται χάρη σε ένα διμεταλλικό έλασμα, το οποίο καμπυλώνεται, με την αύξηση της θερμοκρασίας σε περίπτωση βραχυκυκλώματος, διακόπτοντας τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. 4