Massa elèctrica
Lliçó patrocinada per KEYSIGHT Technologies
En aquesta lliçó, els estudiants aprendran sobre electricitat i circuits utilitzant massa conductora i aïllant per construir creacions elèctriques creatives. Aquesta activitat es basa en el treball de la doctora AnnMarie Thomas i el seu equip de la Universitat de St. Thomas.
- Els conceptes bàsics d’electricitat i circuits elèctrics.
- Conceptes d’aïllament i conducció elèctrica.
- Com es construeixen circuits i com es produeixen els curts circuits.
Nivells d’edat: 8 - 14
Materials requerits
- Pasta conductora (vegeu la recepta a continuació)
- Pasta no conductora / aïllant (vegeu la recepta a continuació)
- piles AA
- Bateries amb terminals
- LEDs (es recomana una mida de 10 mm)
- Filferro amb clips de cocodril
Materials opcionals (taula de possibilitats)
- Motors elèctrics mini hobby DC
- Ventiladors, brunzidors i altres components
Recepta de massa conductora
Ingredients:
- 1 tassa d'aigua
- 1 1⁄2 tassa de farina
- 1⁄4 tassa de sal
- 3 cullerades crema de tartar
- 1 cullerada oli vegetal
- Colorant alimentari
- Barregeu aigua amb 1 tassa de farina, sal, crema de tàrtar, oli vegetal i colorant alimentari en una olla de mida mitjana.
- Coeu la barreja a foc mitjà sense deixar de remenar.
- Continueu remenant fins que la barreja formi una bola al centre de l'olla.
- Col·loqueu la bola sobre una superfície lleugerament enfarinada. La massa estarà ben calenta. Deixeu-lo refredar uns minuts abans de manipular-lo.
- Pastar les ½ tassa de farina restants a la bola fins que assoleixi la consistència desitjada.
- Emmagatzemeu la massa en un recipient hermètic.
Recepta de massa no conductora / aïllant
Ingredients:
- 1 1⁄2 tassa de farina
- 1⁄2 tassa de sucre
- 3 cullerada oli vegetal
- ½ tassa d’aigua (el millor és desionitzar-se o destil·lar-se, però es pot utilitzar aigua de l’aixeta)
- Barregeu 1 tassa de farina, sucre i oli en un bol.
- Incorporar una petita quantitat d’aigua. Continueu afegint aigua i remeneu fins que la major part de l'aigua s'absorbeixi.
- Quan la barreja tingui la consistència de petits grups separats, pasteu la barreja amb les mans fins que formi un sol grumoll.
- Afegiu aigua a la massa i continueu pastant fins que tingui una textura enganxosa i semblant a la massa.
- Afegiu una mica de la farina que queda i pasteu-la a la massa fins que hagi assolit la textura desitjada.
- Emmagatzemeu la massa en un recipient hermètic.
materials
- Utilitzeu elements del kit de construcció
Procés
- Comenceu amb una bola de la massa conductora. Introduïu els cables de la bateria als costats oposats de la massa. Introduïu un LED a la massa. Mireu què passa.
- A continuació, separeu la massa conductora en dos trossos. Introduïu un cable de la bateria en un tros de massa i l’altre en l’altre tros de massa. Ara, introduïu el LED amb un cable en un tros de la massa i l’altre en el segon tros de massa. Mireu què passa.
- A continuació, traieu el LED i gireu-lo, amb els cables en la direcció oposada. Mireu què passa. Documenta per què creus que va passar això.
- Amb el LED en posició il·luminada, toqueu els dos trossos de massa junts. Mireu què passa. Documenta per què creus que va passar això.
- Afegiu un tros de massa aïllant entre els dos trossos de massa conductora i poseu-los perquè es toquin. Amb el LED a cavall entre la massa aïllant i inserida a les dues seccions de la massa conductora. El LED s’encén?
- Utilitzeu la massa conductora i aïllant per crear un circuit en sèrie amb dos o més LEDs. Què es nota de les llums? Documenta per què creus que va passar això.
- Utilitzeu la massa conductora i aïllant per crear un circuit paral·lel amb tres LED. Què es nota de les llums? En què es diferencien de les llums del circuit de la sèrie? Documenta per què creus que va passar això.
TED Talk: AnnMarie Thomas
Font: canal de YouTube TED
Escultura Squishy Circuit d'AnnMarie Thomas
Font: canal de YouTube de la Universitat de St. Thomas
Disseny de repte
Ets un enginyer que treballa per dissenyar i construir electricitat que condueix creacions a partir de massa.
Criteris
- Cal utilitzar dos tipus de massa (conductiva i no conductora)
per alimentar LED (s).
Restriccions
Completa la teva escultura en un termini determinat.
- Divideix la classe en equips de 2.
- Repartiu el full de treball de la massa elèctrica i les receptes per a la massa conductora i no conductora.
- Discutiu els temes a la secció Conceptes de fons.
- Reviseu el procés de disseny d'enginyeria, el repte de disseny, els criteris, les restriccions i els materials. Si el temps ho permet, reviseu "Aplicacions del món real" abans de dur a terme el repte de disseny.
- Abans d’indicar als estudiants que comencin a fer pluja d’idees i esbossar els seus dissenys, demaneu-los que considerin el següent
● Com funcionen els circuits en sèrie i paral·lels
● Les diferències entre materials conductors i aïllants
● Què és un curtcircuit?
● Què és la polaritat? - Proporcionar a cada equip els seus materials.
- Expliqueu que els estudiants han de fabricar massa conductora i no conductora (aïllant). Provaran la massa fent diferents circuits mitjançant llums LED.
- Anuncieu el temps que han de dissenyar i construir (es recomana 1 hora).
- Utilitzeu un temporitzador o un cronòmetre en línia (funció de compte enrere) per assegurar-vos de mantenir-vos a temps. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Doneu als estudiants "controls de temps" periòdics perquè continuïn amb la tasca. Si tenen problemes, feu preguntes que els portin a una solució més ràpida.
- Els equips fan la seva massa.
- Proveu la massa seguint els passos de prova de la secció de processos i materials de prova.
- Els equips haurien de documentar els resultats de cada pas de prova.
- Com a classe, discutiu les preguntes de reflexió dels estudiants.
variacions
Utilitzeu llums LED, motors, brunzidors, ventiladors o qualsevol altre material per ser creatius.
circuits
El bucle que travessa l’electricitat s’anomena circuit. Un circuit comença per una font d’energia, com ara una bateria, i flueix a través de cables i components elèctrics (com ara llums, motors, etc.). Hi ha dos tipus de circuits: circuits en sèrie i circuits paral·lels.
Circuits de sèries
Els circuits de la sèrie només permeten que hi circuli un camí. En un circuit en sèrie amb LED, els LED més allunyats de la font d’alimentació semblaran més atenuats, perquè hi ha menys electricitat disponible per alimentar-los. Si es cremés un LED o s’eliminés en un circuit en sèrie, també s’apagarien totes les llums posteriors, perquè es desconnectaria el camí cap a les llums restants.
Circuits paral·lels
Els circuits paral·lels permeten que hi hagi diversos camins perquè hi circuli electricitat. En un circuit paral·lel amb LED, cada LED té electricitat que flueix directament cap a ell pel seu propi camí. Cada LED pot brillar intensament sense importar
on és, perquè l’electricitat arriba directament a cada LED. A més, en un circuit paral·lel, si una llum es crema o s’elimina, les altres continuaran brillant.
Materials conductors i aïllants
Materials conductors: permeten que l’electricitat flueixi a través d’ells. Se us acudeixen alguns materials que condueixen l’electricitat?
Materials aïllants: no permeti que hi circuli electricitat. Se us ocorre algun material aïllant? L’aïllament es mesura en resistència. Com més aïllant és el material, més resistència té. La massa aïllant amb la qual treballareu és resistiva, és a dir, hi pot circular poca electricitat. Els aïllants actuen com una paret que bloqueja l’electricitat.
Curtcircuit
Un curtcircuit passa quan els cables que no se suposa que entraran en contacte els uns amb els altres es toquen. És per això que un LED no s’encén quan s’insereix en una sola peça de massa conductora o dins
dos trossos de massa conductora que després es toquen.
Polaritat
La direcció del flux de corrent en un circuit s’anomena polaritat. En aquesta activitat, el fil vermell del paquet de bateries és el pol positiu i el fil negre el pol negatiu. Alguns components electrònics també tenen un costat positiu i negatiu i s’han d’adjuntar en la direcció correcta per poder funcionar.
Els LED d’aquesta activitat tenen cadascun dos cables, un curt i un llarg. L’avantatge més llarg passa al costat positiu i l’avantatge més curt passa al costat negatiu.
Reflexió dels estudiants (quadern d’enginyeria)
- L’electricitat sempre pren el camí de la menor resistència. Al pas 1, per què creieu que el LED no es va encendre quan es va inserir en un tros de massa conductora? Al pas 4, per què creieu que el LED es va apagar quan els dos trossos de massa conductora es van tocar?
- La massa conductora està formada per aigua, farina, sal, crema de tàrtar i oli vegetal. La massa aïllant està feta d’aigua, farina, sucre i oli vegetal. Què creieu que fa que una massa condueixi l’electricitat i que l’altra no?
- Quins altres materials creus que són conductors?
- Quins altres materials creus que són aïllants?
Modificació del temps
La lliçó es pot fer en només un període de classe per a estudiants més grans. Tanmateix, per ajudar els estudiants a no sentir-se precipitats i per garantir l'èxit dels estudiants (especialment per als estudiants més joves), dividiu la lliçó en dos períodes donant-los més temps per fer una pluja d'idees, provar idees i finalitzar el seu disseny. Realitzeu les proves i el resum en el següent període de classes.
circuits
Un circuit és un bucle per on circula electricitat. Un circuit comença per una font d’energia, com ara una bateria, i flueix a través de cables i components elèctrics (com ara llums, motors, etc.). Hi ha dos tipus de circuits: circuits en sèrie i circuits paral·lels.
Circuits de sèrie només permet que hi circuli un camí. En un circuit de sèrie amb LED, els LED més allunyats de la font d’alimentació semblaran més atenuats, perquè hi ha menys electricitat per alimentar-los. Si es cremés un LED o s’eliminés en un circuit en sèrie, també s’apagarien totes les llums posteriors, perquè es desconnectaria el camí cap a les llums restants.
Circuits paral·lels permetre que hi circulin múltiples camins perquè l’electricitat circuli. En un circuit paral·lel amb LED, cada LED té electricitat que flueix directament cap a ell pel seu propi camí. Cada LED pot brillar intensament, independentment d’on sigui, perquè l’electricitat arriba directament a cada LED. A més, en un circuit paral·lel, si una llum es crema o s’elimina, les altres continuaran brillant.
Conductivitat i aïllament
Els materials que condueixen l’electricitat, que permeten que circuli electricitat a través d’ells, s’anomenen conductors. Materia conductora
també es poden utilitzar per crear circuits. Això pot significar l’ús de filferro metàl·lic o coses més inusuals com fruita, patates i fins i tot massa. A la massa conductora que utilitzeu, la sal de la massa ajuda a moure l’electricitat a través d’ella dissociant-se en ions Na + i Cl-.
Els materials que no permeten que hi circuli electricitat s’anomenen aïllants. L’aïllament es mesura en resistència. Com més aïllant és el material, més resistència té. La massa aïllant amb la qual treballareu és resistiva, és a dir, hi pot circular poca electricitat.
Els aïllants actuen com a paret de l’electricitat. L'electricitat és aturada per un aïllant o ha de trobar una manera de solucionar-la. Com que la massa aïllant no condueix electricitat, es pot utilitzar per separar la massa conductora i forçar l’electricitat a fluir a través d’altres components elèctrics, com ara LEDs i motors.
La resistència també és important per ajudar a frenar el flux d’electricitat a un determinat component. Fo
Per exemple, la massa conductora permet que hi circuli electricitat, però també ofereix certa resistència. Això ajuda a frenar el flux d’electricitat des de la bateria fins als LED. Si el LED es connectés directament a la bateria, el LED es cremaria.
Curtcircuit
L’electricitat sempre pren el camí de la menor resistència. En lloc de fluir lentament a través d’un material resistent, l’electricitat seguirà un camí a través d’alguna cosa més conductora, com ara un LED, un motor, un cable o un altre material més conductor. És així com es poden utilitzar materials aïllants per canviar el rumb de l’electricitat i moure’s pels components que voleu que flueixi.
Si hi ha un recorregut al voltant d’un component elèctric, com ara un LED, que ofereix menys resistència, l’electricitat eludirà el LED i prendrà el recorregut de menys resistència. Això s’anomena curtcircuit. Per això, un LED inserit en una sola peça de massa conductora o
- Conductor: Material que permet que hi circuli electricitat.
- aïllador: Material que no permet que hi circuli electricitat.
- Resistència: L'aïllament es mesura en resistència. Com més aïllant és el material, més resistència té.
- Circuit: El bucle que travessa l’electricitat. Un circuit comença per una font d’energia, com ara una bateria, i flueix a través de cables i components elèctrics (com ara llums, motors, etc.).
- Circuit de sèries: Permet que hi circuli electricitat un camí.
- Circuit paral·lel: Permet que hi hagi diversos camins perquè hi circuli electricitat.
- Curtcircuit: Quan els cables que no se suposa que entrin en contacte els uns amb els altres es toquen.
Connexions a Internet
- Circuits Squishy
- Makerspaces.com: Circuits Squishy
- AnnMarie Thomas: Ciència pràctica amb circuits delicats
lectura recomanada
- Electrònica per a nens: juga amb circuits senzills i experimenta amb electricitat. (ISBN: 978-1593277253)
- Una guia per a principiants de circuits: nou projectes senzills amb llums, sons i molt més. (ISBN: 978-1593279042)
- Construint circuits Squishy (ISBN: 978-1634727235)
- The Big Book of Makerspace Projects: Inspiring Makers to Experiment, Create and Learn (ISBN: 978-1259644252)
Activitat d’escriptura
En aquesta activitat, construireu objectes amb un material capaç de conduir electricitat. Això us permetrà afegir llums, motors, ventiladors i altres elements elèctrics a la vostra creació. Chris Tuan, enginyer civil de la Universitat de Nebraska, Lincoln va desenvolupar una fórmula per fabricar formigó conductor que es pugui fer per fer carreteres i voreres que puguin fondre gel i neu. Si poguessis construir un edifici amb materials conductors, com faries servir les seves propietats elèctriques?
Alineació als marcs d’estudis
Nota: Tots els plans de lliçons d'aquesta sèrie estan alineats amb els estàndards d'informàtica de l'Associació de Professors d'Informàtica K-12, els estàndards bàsics comuns dels Estats Units per a matemàtiques i, si escau, també amb els principis i normes del Consell Nacional de Professors de Matemàtiques. Matemàtiques, els estàndards per a l'alfabetització tecnològica de l'Associació Internacional d'Educació Tecnològica, i les Normes Nacionals d'Educació en Ciències dels Estats Units, elaborades pel Consell Nacional de Recerca.
Estàndards científics de nova generació
Els estudiants que demostren comprensió poden
- 3-5-ETS1-1. Definiu un problema de disseny simple que reflecteixi una necessitat o un desig que inclogui criteris d'èxit específics i restriccions en materials, temps o costos.
- 3-5-ETS1-2. Generar i comparar múltiples solucions possibles a un problema en funció de la probabilitat que cadascú compleixi els criteris i les limitacions del problema.
- 3-5-ETS1-3. Planifiqueu i realitzeu proves justes en què es controlin les variables i es considerin els punts de fallada per identificar els aspectes d’un model o prototip que poden ser
millorat. - 4-PS3-2. Feu observacions per proporcionar evidències que l'energia es pot transferir d'un lloc a un altre mitjançant el so, la llum, la calor i els corrents elèctrics
- 4-PS3-4. Apliqueu idees científiques per dissenyar, provar i perfeccionar un dispositiu que converteixi
energia d’una forma a una altra. - MS-ETS1-1. Definiu els criteris i les restriccions d’un problema de disseny amb suficient
precisió per garantir una solució amb èxit, tenint en compte els coneixements científics rellevants
principis i possibles impactes sobre les persones i el medi natural que poden limitar possibles solucions. - MS-ETS1-2. Avaluar solucions de disseny competents mitjançant un procés sistemàtic per
determinar fins a quin punt compleixen els criteris i les limitacions del problema. - MS-ETS1-3. Analitzeu les dades de les proves per determinar similituds i diferències entre diverses solucions de disseny per identificar les millors característiques de cadascuna que es puguin combinar en una nova solució per complir millor els criteris d’èxit.
- MS-ETS1-4. Desenvolupeu un model per generar dades per provar i modificar iterativament un objecte, eina o procés proposat de manera que es pugui aconseguir un disseny òptim.
Normes d’alfabetització tecnològica: totes les edats
- Capítol 8 - Els atributs del disseny
- Definicions de Disseny
- Requisits del disseny
- Capítol 9 - Disseny d'enginyeria
- Processos de Disseny d'Enginyeria
- Creativitat i tenint en compte totes les idees
- Models
- Capítol 10 - El paper de la solució de problemes, investigació i desenvolupament, invenció i experimentació en la resolució de problemes
- Solució de problemes
- Invenció i innovació
- Experimentació
- Capítol 11 - Aplicació del procés de disseny
- Recopila informació
- Visualitzar una solució
- Provar i avaluar solucions
- Millorar el disseny
- Capítol 16 - Tecnologies de l'energia i l'energia
- L’energia es presenta en diferents formes
- Eines, màquines, productes i sistemes
circuits
Un circuit és un bucle per on circula electricitat. Un circuit comença per una font d’energia, com ara una bateria, i flueix a través de cables i components elèctrics (com ara llums, motors, etc.). Hi ha dos tipus de circuits: circuits en sèrie i circuits paral·lels.
Circuits de sèrie només permeteu que hi circuli un camí. En un circuit en sèrie amb LED, els LED més allunyats de la font d’alimentació semblaran més atenuats, perquè hi ha menys electricitat per alimentar-los. Si es cremés un LED o s’eliminés en un circuit en sèrie, també s’apagarien totes les llums posteriors, perquè es desconnectaria el camí cap a les llums restants.
Circuits paral·lels permeten que hi circulin diversos camins perquè l’electricitat circuli. En un circuit paral·lel amb LED, cada LED té electricitat que flueix directament cap a ell pel seu propi camí. Cada LED pot brillar intensament independentment d’on es trobi, perquè l’electricitat arriba directament a cada LED. A més, en un circuit paral·lel, si una llum es crema o s’elimina, les altres continuaran brillant.
Conductivitat i aïllament
Els materials que condueixen l’electricitat, que permeten que flueixi l’electricitat, s’anomenen conductors. Es poden utilitzar materials conductors per crear circuits. Això pot significar l'ús de filferro metàl·lic o coses més inusuals com fruites, patates i fins i tot massa. A la massa conductora que utilitzeu, la sal de la massa ajuda a moure l’electricitat a través d’ella dissociant-se en ions Na + i Clions.
Els materials que no permeten que hi circuli electricitat s’anomenen aïllants. L’aïllament es mesura en resistència. Com més aïllant és el material, més resistència té. La massa aïllant amb la qual treballareu és resistiva, és a dir, hi pot circular poca electricitat.
Els aïllants actuen com a paret de l’electricitat. L’electricitat és aturada per un aïllant o ha de trobar una manera de solucionar-la. Com que la massa aïllant no condueix electricitat, es pot utilitzar per separar la massa conductora i forçar l’electricitat a fluir a través d’altres components elèctrics, com ara LEDs i motors.
La resistència també és important per ajudar a frenar el flux d’electricitat cap a un determinat component. Per exemple, la massa conductora permet que hi circuli electricitat, però també ofereix certa resistència. Això ajuda a frenar el flux d’electricitat des de la bateria fins als LED. Si el LED es connectés directament a la bateria, el LED es cremaria.
Curtcircuit
L’electricitat sempre pren el camí de la menor resistència. En lloc de fluir lentament a través d’un material resistent, l’electricitat seguirà un camí a través d’alguna cosa més conductora, com ara un LED, un motor, un cable o un altre material més conductor. És així com es poden utilitzar materials aïllants per canviar el rumb de l’electricitat i moure’s pels components que voleu que flueixi.
Si hi ha un recorregut al voltant d’un component elèctric, com ara un LED, que ofereix menys resistència, l’electricitat eludirà el LED, prenent el recorregut de menys resistència. Això s’anomena curtcircuit. És per això que un LED inserit en una sola peça de massa conductora o en dos trossos de massa conductora que després es toquen, el LED no s’encendrà.
Polaritat
El corrent elèctric flueix des del pol positiu d’una font d’energia fins al pol negatiu. La direcció del flux de corrent en un circuit s’anomena polaritat. En aquesta activitat, el fil vermell del paquet de bateries és el pol positiu i el fil negre el pol negatiu. Alguns components electrònics també tenen un costat positiu i negatiu i s’han d’adjuntar en la direcció correcta per poder funcionar. Els LED amb els quals treballareu tenen dos cables, un curt i un llarg. L’avantatge més llarg passa al costat positiu i l’avantatge més curt passa al costat negatiu. Si el LED està connectat en la direcció equivocada, no s’encendrà fins que no s’hagi girat. Els motors funcionaran quan estiguin connectats en qualsevol direcció. No obstant això, la direcció en què flueix l'electricitat determinarà la direcció de gir de l'eix del motor.
En aquesta activitat, crearàs creacions a partir de massa, tal com feies quan eres més jove. Només aquestes creacions poden conduir electricitat, cosa que us permet crear circuits i afegir funcions com llums, motors i molt més. Treballareu amb dos tipus de massa. Una massa (de color) és conductora i permetrà que hi circuli electricitat. L’altre (blanc) és aïllant i no permet que hi passi electricitat. Començareu explorant els dos tipus de massa i com funcionen junts per crear circuits. Aleshores, podeu divertir-vos creatiu.
Circuits de pràctiques / Conèixer la vostra massa
- Comenceu amb una bola de la massa conductora. Introduïu els cables de la bateria als costats oposats de la massa. Introduïu un LED a la massa. Què passa?
- A continuació, separeu la massa conductora en dos trossos. Introduïu un cable de paquet de bateries en un tros de massa i l’altre en l’altre tros de massa. Ara introduïu el LED amb un cable en un tros de la massa i l’altre en el segon tros de massa. Què passa?
- A continuació, traieu el LED i gireu-lo i, a continuació, torneu-lo a inserir en els dos trossos de massa amb els cables en la direcció oposada a com eren abans. Què passa? Per què creieu que va passar?
- Amb el LED en posició il·luminada, toqueu els dos trossos de massa junts. Què passa? Per què creieu que va passar?
- A continuació, afegiu un tros de massa aïllant entre els dos trossos de massa conductora i poseu-los perquè es toquin. Amb el LED a cavall entre la massa aïllant, inserida a les dues seccions de la massa conductora, teniu un objecte sòlid. El LED s’encén, però, perquè no passa cap curtcircuit. Com que la massa aïllant no permet que l’electricitat flueixi a través d’ella, l’electricitat passa a través del LED, il·luminant-la.
- Utilitzeu la massa conductora i aïllant per crear un circuit en sèrie amb dos o més LEDs. Què es nota de les llums? Per què creus que és això?
- Utilitzeu la massa conductora i aïllant per crear un circuit paral·lel amb tres LED. Què es nota de les llums? En què es diferencien de les llums del circuit de la sèrie? Per què creus que és això?
Obtingueu un missatge creatiu
Ara que ja enteneu com utilitzar els dos tipus de massa per alimentar un LED i fer funcionar un motor, proveu de crear quelcom creatiu. Podeu utilitzar LEDs, motors, brunzidors, ventiladors o qualsevol altre material que el vostre professor hagi proporcionat. Es podria fer un animal amb ulls il·luminats, un helicòpter amb una hèlix giratòria o qualsevol altra cosa que pugui imaginar. Un cop hàgiu acabat, compartiu la vostra creació amb la resta de la classe i veureu el que heu pensat els companys. Aquí teniu algunes creacions que han fet altres estudiants:
Gràcies a Matt Francis, doctor, IEEE East Area Chair, Regió 5 per compartir-lo.
Traducció del pla de lliçons