Elektriline tainas

Nõutavad materjalid

• Juhtiv tainas (vt retsepti allpool)
• Mittejuhtiv / isoleeriv tainas (vt retsepti allpool)
• AA patareid
• Klemmidega akupakid
• LEDid (soovitatav 10 mm suurune)
• Traat alligaatori klambritega

Vabatahtlikud materjalid (võimaluste tabel)

• Mini DC elektrilised hobimootorid
• Ventilaatorid, sumisevad seadmed ja muud komponendid

Juhtiv taigna retsept

Koostis:

• 1 tassi vett
• 1 1⁄2 tassi jahu
• 1⁄4 tassi soola
• 3 spl. koor hambakivi
• 1 spl. taimeõli
• Toiduvärvid

1. Keskmise suurusega potis segage vett 1 tassi jahu, soola, hambakreemi, taimeõli ja toiduvärvidega.
2. Küpseta segu pidevalt segades keskmisel kuumusel.
3. Jätkake segamist, kuni segu moodustab poti keskele palli.
4. Pange pall kergelt jahusel pinnal. Tainas saab olema väga kuum. Enne käitlemist laske sellel mõni minut jahtuda.
5. Sõtku ülejäänud 1⁄2 tassi jahu palli, kuni see on saavutanud soovitud konsistentsi.
6. Hoidke tainas õhukindlas anumas.

Mittejuhtiv / isoleeriv taina retsept

Koostis:

• 1 1⁄2 tassi jahu
• 1⁄2 tassi suhkrut
• 3 spl. taimeõli
• ½ tassi vett (parim on deioniseeritud või destilleeritud, kuid kasutada saab kraanivett)

1. Sega kausis 1 tass jahu, suhkur ja õli.
2. Segage väike kogus vett. Jätkake vee lisamist ja segage, kuni suurem osa veest imendub.
3. Kui segu on väikeste eraldatud tükkide konsistentsiga, mudige segu oma kätega, kuni see moodustab ühe tükikese.
4. Lisage tainale vett ja jätkake sõtkumist, kuni see on kleepuva tainasarnase tekstuuriga.
5. Lisage järelejäänud jahu ja segage see tainasse, kuni see on saavutanud soovitud tekstuuri.
6. Hoidke tainas õhukindlas anumas.

materjalid

• Kasutage ehituskomplekti elemente

Protsess

1. Alustage juhtiva taigna palliga. Pange aku juhtmed taina vastaskülgedele. Pange tainasse LED. Jälgi, mis juhtub.
2. Seejärel eraldage juhtiv tainas kaheks osaks. Pange üks akutraadi juhe ühte tainatükki ja teine ​​teise taigna sisse. Nüüd pange ühe pliidiga LED ühte tainatükki ja teine ​​plii teise taigna sisse. Jälgi, mis juhtub.
3. Järgmisena eemaldage LED ja keerake see ümber, juhtmed vastassuunas. Jälgi, mis juhtub. Dokumenteerige, miks see teie arvates juhtus.
4. Kui valgusdiood on valgustatud, puudutage kahte tainatükki koos. Jälgi, mis juhtub. Dokumenteerige, miks see teie arvates juhtus.
5. Lisage isoleeriva taigna tükk kahe juhtiva taigna vahele ja kinnitage need nii, et need puudutaksid. Valgusdioodiga, mis asub isoleeriva taigna piires ja on sisestatud juhtivat taina kahte ossa. Kas LED põleb?
6. Kasutage juhtivat ja isoleerivat tainast kahe või enama LED-iga seeriaahelate loomiseks. Mida märkate tuledes? Dokumenteerige, miks see teie arvates juhtus.
7. Kolme valgusdioodiga paralleelse vooluringi loomiseks kasutage juhtivat ja isoleerivat tainast. Mida märkate tuledes? Kuidas nad erinevad seeriaahelate tuledest? Dokumenteerige, miks see teie arvates juhtus.

TEDi vestlus: AnnMarie Thomas

Allikas: TED YouTube'i kanal

AnnMarie Thomase skulptuur Squishy

Allikas: Püha Thomase ülikooli YouTube'i kanal

Design Challenge

Olete insener, kes töötab taignast elektrit juhtivate loomingute kujundamiseks ja ehitamiseks.

Kriteeriumid

• Peab kasutama kahte tüüpi tainast (juhtiv ja mittejuhtiv)
  LED (de) toitmiseks.

Piirangud

Lõpetage skulptuur etteantud aja jooksul.

1. Murdke klass 2-liikmelistesse meeskondadesse.
2. Jagage Electric Dough tööleht ja juhtiva ja mittejuhtiva taigna retseptid.
3. Arutage teemasid jaotises Taustamõisted.
4. Vaadake üle projekteerimise protsess, disaini väljakutse, kriteeriumid, piirangud ja materjalid. Kui aeg lubab, vaadake enne projekteerimisprobleemi tegemist läbi reaalse maailma rakendused.
5. Enne kui juhendate õpilasi alustama ajurünnakuid ja visandama visandeid, paluge neil kaaluda järgmist
   ● Kuidas toimivad jada- ja paralleelahelad
   ● Juhtivate ja isoleerivate materjalide erinevused
   ● Mis on lühis?
   ● Mis on polaarsus?
6. Varustage igat meeskonda nende materjalidega.
7. Selgitage, et õpilased peavad valmistama juhtivat ja mittejuhtivat (isoleerivat) tainast. Nad katsetavad tainast, tehes LED-tulede abil erinevaid vooluringe.
8. Andke teada, kui palju aega nad peavad projekteerima ja ehitama (soovitatav on 1 tund).
9. Õigel ajal püsimiseks kasutage taimerit või on-line stopperit (loenduri funktsioon). (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Andke õpilastele regulaarselt ajakontrolli, et nad jääksid ülesandele. Kui nad on hädas, esitage küsimusi, mis viivad nad kiiremini lahenduseni.
10. Võistkonnad teevad oma taina.
11. Testige tainast, kasutades jaotises Katsematerjalid ja protsess olevaid testimisetappe.
12. Võistkonnad peaksid dokumenteerima iga testimisetapi tulemused.
13. Klassina arutage õpilaste mõtisklusküsimusi.

Variatsioonid

Loovuse huvides kasutage LED-tulesid, mootoreid, sumisejaid, ventilaatoreid või muid materjale!

vooluringid

Silmust, mille kaudu elekter voolab, nimetatakse vooluringiks. Vooluahel algab vooluallikast, näiteks akust, ja voolab läbi juhtmete ja elektriliste komponentide (näiteks tuled, mootorid jne). On kahte tüüpi ahelaid - seeriaahelad ja paralleelahelad.

Seeriaahelad

Seeriaahelad võimaldavad voolata ainult ühte teed. LED-idega seeriaahelas näivad jõuallikast kaugemal asuvad LED-id hämaramad, kuna nende toitmiseks on saadaval vähem elektrit. Kui valgusdiood põleks läbi või eemaldataks jadaahelas, kustuksid ka kõik sellele järgnevad tuled, kuna üks tee ülejäänud tulede juurde oleks lahti ühendatud.

Paralleelsed ahelad

Paralleelsed ahelad võimaldavad elektri voolamiseks mitut rada. LED-idega paralleelses vooluringis voolab iga LED elektrit otse oma teed mööda. Iga LED võib särada eredalt, ükskõik
kus see on, sest elekter jõuab otse iga LED-ni. Samuti paralleelses vooluringis, kui üks tuli põleb läbi või eemaldatakse, jätkavad teised säramist.

Juhtivad ja isoleerivad materjalid

Juhtivad materjalid: laske elektril neist läbi voolata. Kas saaksite mõelda mõnele materjalile, mis juhib elektrit?

Isolatsioonimaterjalid: ärge laske elektril neist läbi voolata. Kas saaksite mõelda mõnele isoleermaterjalile? Isolatsiooni mõõdetakse takistuses. Mida isoleerivam materjal, seda suurem on selle vastupidavus. Isolatsioonitainas, millega te töötate, on takistuslik, see tähendab, et sellest võib voolata vähe elektrit. Isolaatorid toimivad elektrit blokeeriva seinana.

Lühis

Lühis juhtub siis, kui juhtmed, mis ei peaks omavahel kokku puutuma, puutuvad kokku. Seetõttu ei sütti LED, kui see sisestatakse ühte tükki juhtivat tainasse või sisse
kaks juhtivat tainatükki, mis seejärel üksteist puudutavad.

Polaarsus

Voolu voolu suunda vooluringis nimetatakse polaarsuseks. Selles tegevuses on aku punane juhe positiivne pool ja must juhe on negatiivne. Mõnel elektroonikakomponendil on ka positiivne ja negatiivne külg ning need peavad töötamiseks olema õiges suunas kinnitatud.

Selle tegevuse LED-idel on mõlemal kaks juhet, üks lühike ja pikk. Mida kauem viib pluss positiivsele ja lühem pluss negatiivsele.

Õpilaste mõtisklus (insenerimärkmik)

1. Elekter läheb alati kõige väiksema takistuse teed. Miks arvate 1. etapis, et LED ei süttinud, kui see pandi ühte juhtivat tainatükki? Miks arvate 4. etapis, et LED kustus, kui kaks juhtivat tainatükki üksteist puudutasid?
2. Juhtiv tainas on valmistatud veest, jahust, soolast, hambakreemist ja taimeõlist. Isolatsioonitainas on valmistatud veest, jahust, suhkrust ja taimeõlist. Mis paneb teie arvates ühe taigna elektrit juhtima ja teise mitte?
3. Millised muud materjalid on teie arvates juhtivad?
4. Mis materjalid veel teie arvates isoleerivad?

Tundi saab teha vanemate õpilaste jaoks juba 1 tunni jooksul. Kuid selleks, et aidata õpilastel kiirustada ja tagada õpilaste edu (eriti nooremate õpilaste jaoks), jagage tund kaheks perioodiks, andes õpilastele rohkem aega ajurünnakuteks, ideede testimiseks ja nende kujunduse viimistlemiseks. Tehke testimine ja ülevaade järgmisel klassiperioodil.

• Dirigent: Materjal, mis laseb elektril sellest läbi voolata.
• isolaator: Materjal, mis ei lase elektril sellest läbi voolata.
• Vastupidavus: Isolatsiooni mõõdetakse takistuses. Mida isoleerivam materjal, seda suurem on selle vastupidavus.
• Vooluring: Silmus, millest elekter voolab. Vooluahel algab vooluallikast, näiteks akust, ja voolab läbi juhtmete ja elektriliste komponentide (näiteks tuled, mootorid jne).
• Seeria vooluring: Laseb elektril läbi voolata ühe tee.
• Paralleelringlus: Võimaldab mitmel teel voolata elektrit.
• Lühis: Kui juhtmed, mis ei peaks üksteisega kokku puutuma, puudutavad.

Interneti-ühendused

• Squishy vooluringid
• Makerspaces.com: Squishy vooluringid
• AnnMarie Thomas: Praktiline teadus, millel on squishy ahelad

Soovituslik kirjandus

• Elektroonika lastele: mängige lihtsate vooluringidega ja katsetage elektrit! (ISBN: 978-1593277253)
• Algajate juhend vooluringide kohta: üheksa lihtsat projekti valguste, helide ja muuga! (ISBN: 978-1593279042)
• Squishy vooluringide ehitamine (ISBN: 978-1634727235)
• Makerspace'i projektide suur raamat: inspireerides tegijaid katsetama, looma ja õppima (ISBN: 978-1259644252)

Kirjutustegevus

Selles tegevuses ehitate objekte, kasutades materjali, mis suudab juhtida elektrit. See võimaldab teil oma loomingusse lisada tulesid, mootoreid, ventilaatoreid ja muid elektrilisi elemente. Nebraska ülikooli ehitusinsener Chris Tuan, Lincoln, töötas välja valemi juhtiva betooni valmistamiseks, mida saab kasutada jää ja lume sulatamiseks mõeldud teede ja kõnniteede valmistamiseks. Kui saaksite ehitada juhtivate materjalidega hoone, kuidas kasutaksite selle elektrilisi omadusi?

Vastavusse viimine õppekava raamistikuga

Märkus: kõik selle seeria tunniplaanid on kooskõlas arvutiteaduse õpetajate assotsiatsiooni K-12 arvutiteaduse standarditega, USA matemaatika üldiste põhiõigusstandarditega ning vajaduse korral ka riikliku matemaatikaõpetajate nõukogu põhimõtete ja koolistandarditega. Matemaatika, Rahvusvahelise Tehnoloogiahariduse Assotsiatsiooni tehnilise kirjaoskuse standardid ja USA riiklikud teadushariduse standardid, mille koostas Riiklik Teadusnõukogu.

Järgmise põlvkonna teadusstandardid

Õpilased, kes näitavad mõistmist, suudavad

• 3-5-ETS1-1. Määratlege lihtne disainiprobleem, mis kajastab vajadust või soovi, mis sisaldab kindlaksmääratud edukriteeriume ning materjalide, aja või hinna piiranguid.
• 3-5-ETS1-2. Looge ja võrrelge probleemile mitu võimalikku lahendust selle põhjal, kui hästi igaüks neist tõenäoliselt vastab probleemi kriteeriumidele ja piirangutele.
• 3-5-ETS1-3. Planeerige ja viige läbi õiged testid, mille käigus kontrollitakse muutujaid ja kaalutakse ebaõnnestumispunkte, et tuvastada mudeli või prototüübi aspekte, mida saab kasutada
  paranenud.
• 4-PS3-2. Tehke vaatlusi, et tõestada, et energiat saab heli, valguse, soojuse ja elektrivoolude abil ühest kohast üle kanda
• 4-PS3-4. Rakendage teaduslikke ideid teisendava seadme kujundamiseks, testimiseks ja täiustamiseks
  energia ühest vormist teise.
• MS-ETS1-1. Piisavalt määratlege disainiprobleemi kriteeriumid ja piirangud
  eduka lahenduse tagamiseks täpselt, võttes arvesse asjakohaseid teaduslikke
  põhimõtted ja võimalik mõju inimestele ja looduskeskkonnale, mis võivad võimalikke lahendusi piirata.
• MS-ETS1-2. Hinnake konkureerivaid disainilahendusi, kasutades süstemaatilist protsessi
  teha kindlaks, kui hästi nad vastavad probleemi kriteeriumidele ja piirangutele.
• MS-ETS1-3. Analüüsige testide andmeid, et teha kindlaks mitme disainilahenduse sarnasused ja erinevused, et teha kindlaks nende parimad omadused, mida saab edukuse kriteeriumide paremaks täitmiseks ühendada uueks lahenduseks.
• MS-ETS1-4. Töötage välja kavandatud objekti, tööriista või protsessi iteratiivse testimise ja modifitseerimise andmete genereerimise mudel, nii et oleks võimalik saavutada optimaalne disain.

Tehnoloogilise kirjaoskuse standardid - igas vanuses

• 8. peatükk - Disaini atribuudid
  • Disaini mõisted
  • Kujundusnõuded
• 9. peatükk - Inseneridisain
  • Inseneridisaini protsess
  • Loovus ja kõigi ideede arvestamine
  • Mudelid
• 10. peatükk - tõrkeotsingu, uurimis- ja arendustegevuse, leiutamise ja katsetamise roll probleemide lahendamisel
  • Probleemid
  • Leiutamine ja innovatsioon
  • Katse
• 11. peatükk - kujundusprotsessi rakendamine
  • Koguge teavet
  • Visualiseerige lahendus
  • Testige ja hinnake lahendusi
  • Parandage kujundust
• Peatükk 16 - energeetika ja elektritehnoloogia
  • Energiat tuleb erineval kujul
  • Tööriistad, masinad, tooted ja süsteemid

vooluringid

Ahel on silmus, mille kaudu elekter voolab. Vooluahel algab toiteallikast, näiteks akust, ja voolab läbi juhtmete ja elektrikomponentide (nt tuled, mootorid jne). On kahte tüüpi vooluahelaid - seeriaahelad ja paralleelsed ahelad.

Seeriaahelad lubage elektrit läbida ainult ühel teel. LED -idega jadavooluahelas näivad toiteallikast kaugemal asuvad LED -id tuhmimad, kuna nende toiteks on vähem elektrit. Kui LED põleks või eemaldataks jadaahelas, kustuksid ka kõik sellele järgnevad tuled, sest üks tee ülejäänud tulede juurde oleks lahti ühendatud.

Paralleelsed ahelad võimaldada elektri voolamist mitmel viisil. LEDidega paralleelses vooluahelas voolab iga LED otse oma teed mööda. Iga LED võib eredalt särada olenemata sellest, kus see asub, sest elekter jõuab otse iga valgusdioodini. Samuti, kui paralleelses vooluringis üks tuli põleb või eemaldatakse, jätkavad teised sära.

Juhtivus ja isolatsioon

Elektrit juhtivaid materjale - mis võimaldavad elektril läbi nende voolata - nimetatakse juhtivaks. Ahelate loomiseks saab kasutada juhtivaid materjale. See võib tähendada metalltraadi või ebatavalisemate asjade, näiteks puuviljade, kartulite ja isegi taigna kasutamist. Kasutatavas elektrit juhtivas tainas aitab tainas olev sool selle kaudu elektrit liigutada, eraldudes Na+ ja Cl-ioonideks.

Materjale, mis ei lase elektril läbi nende voolata, nimetatakse isolatsiooniks. Isolatsiooni mõõdetakse takistuses. Mida soojem on materjal, seda suurem on selle vastupidavus. Isolatsioonitainas, millega töötate, on takistuslik, mis tähendab, et sellest saab voolata vähe elektrit.

Isolaatorid toimivad seinana elektrile. Elekter on kas isolaatori poolt peatatud või peab leidma selle ümbersõidu. Kuna isoleeriv tainas ei juhi elektrit, saab seda kasutada juhtiva taina eraldamiseks ja elektri sundimiseks voolama läbi teiste elektriliste komponentide, näiteks LED -ide ja mootorite.

Vastupanu on samuti oluline, et aidata aeglustada elektrivoolu teatud komponendile. Näiteks laseb elektrit juhtiv tainas sellest voolu läbi, kuid pakub ka teatud takistust. See aitab aeglustada elektrienergia voolu akult LED -idele. Kui LED ühendataks otse akuga, põleks LED.

Lühis

Elekter läheb alati kõige väiksema vastupanu teed. Selle asemel, et aeglaselt läbi vastupidava materjali voolata, läheb elekter teed läbi midagi juhtivamat, nagu LED, mootor, traat või muu juhtivam materjal. Nii saab isoleermaterjale kasutada elektrienergia muutmiseks ja liikumiseks läbi komponentide, millest soovite voolata.

Kui elektrilise komponendi, näiteks LED -i ümber on tee, mis pakub vähem takistust, läheb elekter LED -ist mööda, valides kõige väiksema takistuse. Seda nimetatakse lühiseks. Seepärast ei sütti valgusdiood, mis on sisestatud ühte juhtivat taignatükki või kahte juhtivat taignatükki, mis seejärel üksteist puudutavad.

Polaarsus

Elektrivool voolab energiaallika positiivsest poolusest negatiivsesse poolusesse. Vooluringi voolusuunda nimetatakse ahelaks. Selles tegevuses on aku punane juhe positiivne pool ja must juhe negatiivne poolus. Mõnel elektroonikakomponendil on ka positiivne ja negatiivne külg ning need peavad töötamiseks olema õiges suunas kinnitatud. Valgusdioodidel, millega töötate, on kaks juhtmest, üks lühike ja teine ​​pikk. Pikem edumaa läheb positiivsele poolele ja lühem edumaa negatiivsele poolele. Kui valgusdiood on kinnitatud vales suunas, ei sütti see enne, kui see on ümber pööratud. Mootorid töötavad mõlemas suunas. Kuid elektrivoolu suund määrab mootori võlli pöörlemissuuna.

Selles tegevuses ehitate tainast loomingut, nagu te tegite nooremana. Ainult need loomingud suudavad elektrit juhtida, võimaldades teil luua vooluahelaid ja lisada selliseid funktsioone nagu tuled, mootorid ja palju muud. Töötate kahte tüüpi taignaga. Üks tainas (värviline) on juhtiv ja laseb sellest elektrit voolata. Teine (valge) on isoleeriv ega lase sellest elektrit läbi. Alustuseks uurite kahte tüüpi tainast ja kuidas need ahelate loomiseks koos töötavad. Siis saate lõbutseda loominguliselt.

Harjuta ahelaid/oma taigna tundmaõppimine

1. Alustage elektrit juhtiva taina palliga. Sisestage aku juhtmed taigna vastaskülgedele. Sisestage tainasse valgusdiood. Mis juhtub?

   

2. Seejärel eraldage juhtiv tainas kaheks osaks. Sisestage üks aku juhe ühte tainatükki ja teine ​​teise tainatüki. Nüüd sisestage valgusdiood ühe juhtmega ühte tainatükki ja teine ​​juhe teise tainatüki sisse. Mis juhtub?

   

3. Seejärel eemaldage valgusdiood ja keerake see ümber, seejärel sisestage see tagasi kahte taignatükki juhtmetega vastupidises suunas, nagu need olid varem. Mis juhtub? Mis te arvate, miks see juhtus?

4. Kui LED on valgustatud, puudutage kahte tainatükki kokku. Mis juhtub? Mis te arvate, miks see juhtus?

5. Seejärel lisage kahe juhtiva tainaosa vahele tükk isoleerivat tainast ja kinnitage need nii, et need puudutaksid. Kui isoleeriva tainaga asetseva LED -i vahel on juhtiv tainas, siis on teil üks tahke ese. LED süttib aga, sest lühist ei toimu. Kuna isoleeriv tainas ei lase elektril sellest läbi voolata, läheb elekter selle asemel läbi LED -i, süttib see.

   

6. Kasutage juhtivat ja isoleerivat tainast kahe või enama valgusdioodiga seeriaahela loomiseks. Mida märkate tulede puhul? Mis te arvate, miks see nii on?

   

7. Kasutage juhtivat ja isoleerivat tainast kolme LED -iga paralleelringi loomiseks. Mida märkate tulede puhul? Kuidas need erinevad seeriaahela tuledest? Mis te arvate, miks see nii on?

   

Loo loomine

Nüüd, kui saate aru, kuidas kasutada kahte tüüpi tainast LED -i toiteks ja mootori käivitamiseks, proovige luua midagi loomingulist. Võite kasutada LED -e, mootoreid, helisignaale, ventilaatoreid või muid õpetaja pakutud materjale. Võite teha helendavate silmadega looma, pöörleva propelleriga helikopteri või kõike muud, mida võite ette kujutada. Kui olete lõpetanud, jagage oma loomingut ülejäänud klassiga ja vaadake, mida teie klassikaaslased välja mõtlesite. Siin on mõned loomingud, mida teised õpilased on teinud: