電気生地

必要な材料

• 導電性生地（下記のレシピを参照）
• 非導電性/絶縁性の生地（以下のレシピを参照）
• 単三電池
• 端子付きバッテリーパック
• LED（10mmサイズを推奨）
• ワニ口クリップ付きワイヤー

オプションの材料（可能性の表）

• ミニDC電気ホビーモーター
• ファン、ブザー、その他のコンポーネント

導電性生地レシピ

保湿成分

• 1カップの水
• 1 1⁄2カップの小麦粉
• 塩1/4カップ
• 大さじ3杯。 歯石のクリーム
• 大さじ1。 植物油
• 食品着色料

1. 中型の鍋に小麦粉1カップ、塩、クリームターター、植物油、食用着色料を混ぜます。
2. 継続的にかき混ぜながら中火で混合物を調理します。
3. 混合物が鍋の中心にボールを形成するまでかき混ぜ続けます。
4. 薄力粉をまぶした表面にボールを置きます。 生地はとても熱くなります。 取り扱う前に、数分間冷ましてください。
5. 残りの1/2カップの小麦粉を、希望の濃度になるまでボールにこねます。
6. 生地は密閉容器に保管してください。

非導電性/絶縁性の生地レシピ

保湿成分

• 1 1⁄2カップの小麦粉
• 砂糖1/2カップ
• 大さじ3。 植物油
• 1⁄2カップの水（脱イオンまたは蒸留が最適ですが、水道水も使用できます）

1. ボウルに小麦粉、砂糖、油1カップを混ぜる。
2. 少量の水でかき混ぜます。 水を追加し続け、ほとんどの水が吸収されるまでかき混ぜます。
3. 混合物が小さな分離した塊の粘稠度になったら、それが単一の塊を形成するまで手で混合物をこねます。
4. 生地に水を加え、ねばねばした生地のような食感になるまでこね続けます。
5. 残りの小麦粉の一部を追加し、希望のテクスチャーに達するまで生地にこねます。
6. 生地は密閉容器に保管してください。

材料

• ビルドキットのアイテムを使用する

プロセス

1. 導電性生地のボールから始めます。 バッテリーパックのワイヤーを生地の反対側に挿入します。 LEDを生地に挿入します。 何が起こるか見てください。
2. 次に、導電性生地をXNUMXつに分けます。 XNUMX本のバッテリーパックワイヤーをXNUMX枚の生地に挿入し、もうXNUMX本をもうXNUMX枚の生地に挿入します。 次に、一方のリード線をXNUMXつの生地に挿入し、もうXNUMXつのリード線をXNUMX番目の生地に挿入します。 何が起こるか見てください。
3. 次に、LEDを取り外し、リード線を反対方向にして回転させます。 何が起こるか見てください。 なぜこれが起こったと思いますかを文書化します。
4. LEDが点灯した状態で、XNUMX枚の生地を一緒に触れます。 何が起こるか見てください。 なぜこれが起こったと思いますかを文書化します。
5. XNUMX枚の導電性生地の間に絶縁生地を追加し、それらが接触するように取り付けます。 LEDが絶縁生地にまたがり、導電性生地のXNUMXつのセクションに挿入されています。 LEDは点灯していますか？
6. 導電性および絶縁性の生地を使用して、XNUMXつ以上のLEDを備えた直列回路を作成します。 ライトについて何に気づきましたか？ これが起こったと思う理由を文書化します。
7. 導電性と絶縁性の生地を使用して、XNUMXつのLEDで並列回路を作成します。 ライトについて何に気づきましたか？ 直列回路のライトとどう違うのですか？ これが起こったと思う理由を文書化します。

TEDトーク：アンマリー・トーマス

出典：TEDYouTubeチャンネル

アンマリー・トーマスのスクイーズサーキット彫刻

出典：セントトーマス大学のYouTubeチャンネル

設計課題

あなたは、生地から電気を伝導する作品を設計および構築するために働いているエンジニアです。

基準

• XNUMX種類の生地（導電性と非導電性）を使用する必要があります
  LEDに電力を供給します。

制約

与えられた時間内にあなたの彫刻を完成させてください。

1. クラスを2人のチームに分けます。
2. 電気生地のワークシートと導電性および非導電性生地のレシピを配ります。
3. 背景の概念のセクションでトピックについて話し合います。
4. エンジニアリング設計プロセス、設計課題、基準、制約、および材料を確認します。 時間が許せば、設計に挑戦する前に「実世界のアプリケーション」を確認してください。
5. ブレーンストーミングとデザインのスケッチを開始するように生徒に指示する前に、次のことを検討するように生徒に依頼してください。
   ●直列および並列回路のしくみ
   ●導電性材料と絶縁性材料の違い
   ●短絡とは何ですか？
   ●極性とは何ですか？
6. 各チームに資料を提供します。
7. 生徒は導電性および非導電性（絶縁性）の生地を作らなければならないことを説明します。 彼らは、LEDライトを使用してさまざまな回路を作成することによって生地をテストします。
8. 設計と構築に必要な時間を発表します（1時間を推奨）。
9. タイマーまたはオンラインストップウォッチ（カウントダウン機能）を使用して、時間どおりに進むようにします。 （www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch）。 生徒が仕事を続けられるように、定期的に「時間チェック」を行います。 彼らが苦労している場合は、より迅速に解決策につながるような質問をしてください。
10. チームは生地を作ります。
11. 試験材料およびプロセスセクションの試験ステップを使用して生地を試験します。
12. チームは、各テストステップの結果を文書化する必要があります。
13. クラスとして、生徒の振り返りの質問について話し合います。

バリエーション

LEDライト、モーター、ブザー、ファン、またはその他の素材を使用して、創造性を発揮してください。

サーキット

電気が流れるループを回路と呼びます。 回路はバッテリーなどの電源から始まり、ワイヤーや電気部品（ライト、モーターなど）を通って流れます。 回路には、直列回路と並列回路のXNUMX種類があります。

直列回路

直列回路では、電気が流れる経路はXNUMXつだけです。 LEDを備えた直列回路では、電源に使用できる電力が少ないため、電源から離れたLEDは暗く見えます。 直列回路でLEDが切れたり、取り外されたりすると、残りのライトへのXNUMXつのパスが切断されるため、それに続くすべてのライトも消灯します。

並列回路

並列回路により、電気が流れる複数の経路が可能になります。 LEDを備えた並列回路では、各LEDの電気がそれぞれの経路に沿って直接流れます。 各LEDは関係なく明るく輝くことができます
電気が各LEDに直接到達しているためです。 また、並列回路では、XNUMXつのライトが切れたり、取り外されたりすると、他のライトは輝き続けます。

導電性および絶縁性材料

導電性材料：電気が流れるようにします。 電気を通す材料を思いつくことができますか？

絶縁材料：電気が流れないようにしてください。 あなたはいくつかの絶縁材料を考えることができますか？ 絶縁は抵抗で測定されます。 材料の絶縁性が高いほど、抵抗が大きくなります。 使用する断熱生地は抵抗性であるため、電気がほとんど流れません。 絶縁体は電気を遮断する壁として機能します。

短絡

互いに接触するはずのないワイヤーが接触すると、短絡が発生します。 これが、LEDがXNUMX枚の導電性生地またはに挿入されたときにLEDが点灯しない理由です。
次に互いに接触するXNUMX枚の導電性生地。

極性

回路を流れる電流の方向は極性と呼ばれます。 このアクティビティでは、バッテリーパックの赤い線が正極で、黒い線が負極です。 一部の電子部品にもプラス面とマイナス面があり、動作するには正しい方向に取り付ける必要があります。

このアクティビティのLEDには、それぞれ短いリードと長いリードのXNUMXつのリードがあります。 長いリードはプラス側に行き、短いリードはマイナス側に行きます。

Student Reflection（エンジニアリングノート）

1. 電気は常に最も抵抗の少ない経路をたどります。 ステップ1で、4枚の導電性生地にLEDを挿入したときに、LEDが点灯しなかったのはなぜだと思いますか？ ステップXNUMXで、XNUMXつの導電性生地が互いに接触したときにLEDがオフになったのはなぜだと思いますか？
2. 導電性の生地は、水、小麦粉、塩、クリームターター、植物油でできています。 断熱生地は、水、小麦粉、砂糖、植物油でできています。 片方の生地が電気を通し、もう片方の生地が電気を通さない理由は何だと思いますか？
3. 他にどのような材料が導電性だと思いますか？
4. 他にどのような材料が絶縁していると思いますか？

レッスンは、年長の学生のためにわずか1クラス期間で行うことができます。 ただし、生徒が急いでいると感じないようにし、生徒の成功を確実にするために（特に若い生徒の場合）、レッスンをXNUMXつの期間に分割して、生徒がブレインストーミング、アイデアのテスト、設計の完成に時間をかけることができるようにします。 次のクラス期間にテストと報告を行います。

• 導体：電気が流れる材料。
• 絶縁体：電気が流れない素材。
• ：絶縁は抵抗で測定されます。 材料の絶縁性が高いほど、抵抗が大きくなります。
• 回路：電気が流れるループ。 回路はバッテリーなどの電源から始まり、ワイヤーや電気部品（ライト、モーターなど）を通って流れます。
• 直列回路：電気が流れるXNUMXつの経路を許可します。
• 並列回路：電気が流れる複数の経路を許可します。
• 短絡：接触してはいけないワイヤーが接触したとき。

インターネット接続

• スクイーズサーキット
• Makerspaces.com：スクイーズサーキット
• アンマリー・トーマス： スクイーズ回路を使った実践的な科学

推奨読書

• 子供向けの電子機器：簡単な回路で遊んで、電気を試してみてください！ （ISBN：978-1593277253）
• 回路のビギナーズガイド：ライト、サウンドなどを備えた978つのシンプルなプロジェクト！ （ISBN：1593279042-XNUMX）
• スクイーズ回路の構築（ISBN：978-1634727235）
• Makerspaceプロジェクトのビッグブック：メーカーに実験、作成、学習を促す（ISBN：978-1259644252）

執筆活動

このアクティビティでは、電気を通すことができる材料を使用してオブジェクトを構築します。 これにより、ライト、モーター、ファン、その他の電気要素を作品に追加できます。 ネブラスカ大学リンカーン校の土木技師であるクリス・トゥアンは、氷や雪を溶かすことができる道路や歩道を作るために使用できる導電性コンクリートを作るための処方を開発しました。 導電性の材料で建物を建てることができたら、その電気的特性をどのように利用しますか？

カリキュラムフレームワークへの調​​整

注：このシリーズのすべての授業計画は、Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards、US Common Core State Standards for Mathematics、および該当する場合は全米科学教育委員会の数学の原則と基準に準拠しています。数学、国際技術教育協会の技術リテラシー基準、および全米研究評議会によって作成された全米科学教育基準。

次世代科学標準

理解を示す学生は

• 3-5-ETS1-1。 成功のための指定された基準と、材料、時間、またはコストの制約を含む、ニーズまたは要望を反映する単純な設計問題を定義します。
• 3-5-ETS1-2。 それぞれが問題の基準と制約をどの程度満たしている可能性があるかに基づいて、問題に対する複数の可能な解決策を生成して比較します。
• 3-5-ETS1-3。 変数が制御され、障害点が考慮されて、モデルまたはプロトタイプの可能性のある側面を特定する公正なテストを計画および実行します。
  改善されました。
• 4-PS3-2。 エネルギーが音、光、熱、および電流によって場所から場所へ移動できるという証拠を提供するために観察を行います
• 4-PS3-4。 科学的アイデアを適用して、変換するデバイスを設計、テスト、改良します
  ある形から別の形へのエネルギー。
• MS-ETS1-1。 設計問題の基準と制約を十分に定義する
  関連する科学を考慮に入れて、成功するソリューションを保証するための精度
  考えられる解決策を制限する可能性のある原則と人々および自然環境への潜在的な影響。
• MS-ETS1-2。 体系的なプロセスを使用して競合する設計ソリューションを評価し、
  それらが問題の基準と制約をどの程度満たしているかを判断します。
• MS-ETS1-3。 テストからのデータを分析して、いくつかの設計ソリューション間の類似点と相違点を判断し、成功の基準をより適切に満たすために新しいソリューションに組み合わせることができるそれぞれの最良の特性を特定します。
• MS-ETS1-4。 最適な設計を実現できるように、提案されたオブジェクト、ツール、またはプロセスの反復テストと変更のためのデータを生成するモデルを開発します。

技術リテラシーの基準–すべての年齢

• 第8章–デザインの属性
  • デザインの定義
  • 設計の要件
• 第9章–エンジニアリング設計
  • エンジニアリング設計プロセス
  • 創造性とすべてのアイデアの検討
  • Models
• 第10章–問題解決におけるトラブルシューティング、研究開発、発明、実験の役割
  • トラブルシューティング
  • 発明と革新
  • 実験
• 第11章–設計プロセスの適用
  • 情報を収集する
  • ソリューションを視覚化する
  • ソリューションのテストと評価
  • デザインを改善する
• 第16章–エネルギーおよび電力技術
  • エネルギーにはさまざまな形があります
  • ツール、機械、製品、システム

サーキット

回路は電気が流れるループです。 回路はバッテリーなどの電源から始まり、ワイヤーや電気部品（ライト、モーターなど）を通って流れます。 回路には、直列回路と並列回路のXNUMX種類があります。

直列回路 電気が流れる経路はXNUMXつだけにしてください。 LEDを備えた直列回路では、電源から離れたLEDは、電力を供給するために利用できる電力が少ないため、暗く見えます。 直列回路でLEDが切れたり、取り外されたりすると、残りのライトへのXNUMXつのパスが切断されるため、それに続くすべてのライトも消灯します。

並列回路 電気が流れる複数の経路を許可します。 LEDを備えた並列回路では、各LEDの電気がそれぞれの経路に沿って直接流れます。 電気が直接各LEDに到達しているため、各LEDはどこにいても明るく輝くことができます。 また、並列回路では、XNUMXつのライトが切れたり、取り外されたりすると、他のライトは輝き続けます。

導電率と絶縁

電気を伝導する（電気が流れることを可能にする）材料は、導電性と呼ばれます。 導電性材料を使用して回路を作成できます。 それは、金属線や、果物、ジャガイモ、さらには生地などのより珍しいものを使用することを意味する場合があります。 使用する導電性生地では、生地の塩がNa +イオンとCl-イオンに解離することで、生地内の電気を移動させるのに役立ちます。

電気が流れない材料は絶縁と呼ばれます。 絶縁は抵抗で測定されます。 材料の絶縁性が高いほど、抵抗が大きくなります。 使用する断熱生地は抵抗性であるため、電気がほとんど流れません。

絶縁体は電気の壁として機能します。 電気は絶縁体によって止められるか、それを回避する方法を見つける必要があります。 絶縁生地は電気を通さないため、導電性生地を分離し、LEDやモーターなどの他の電気部品に電気を強制的に流すために使用できます。

抵抗は、特定のコンポーネントへの電気の流れを遅くするのを助ける上でも重要です。 たとえば、導電性の生地は電気が流れることを可能にしますが、ある程度の抵抗も提供します。 これは、バッテリーパックからLEDへの電気の流れを遅くするのに役立ちます。 LEDをバッテリーパックに直接接続すると、LEDが切れてしまいます。

短絡

電気は常に最も抵抗の少ない経路をたどります。 電気は、抵抗力のある材料をゆっくりと流れるのではなく、LED、モーター、ワイヤー、またはその他のより導電性の高い材料など、より導電性の高いものを通過します。 このようにして、絶縁材料を使用して電気を変化させ、通過させたいコンポーネントを移動させることができます。

LEDなどの電気部品の周囲に抵抗の少ない経路がある場合、電気はLEDをバイパスし、抵抗が最小の経路をたどります。 これは短絡と呼ばれます。 これが、LEDがXNUMX枚の導電性生地またはXNUMX枚の導電性生地に挿入されて互いに接触する理由です。LEDは点灯しません。

極性

電流はエネルギー源の正極から負極に流れます。 回路を流れる電流の方向は極性と呼ばれます。 このアクティビティでは、バッテリーパックの赤い線が正極で、黒い線が負極です。 一部の電子部品にもプラス面とマイナス面があり、動作するには正しい方向に取り付ける必要があります。 使用するLEDには、それぞれ短いリードと長いリードのXNUMXつのリードがあります。 長いリードはプラス側に行き、短いリードはマイナス側に行きます。 LEDの取り付け方を間違えると、向きを変えるまで点灯しません。 モーターはどちらの方向に取り付けても作動します。 ただし、電気が流れる方向によって、モーターのシャフトの回転方向が決まります。

このアクティビティでは、若い頃と同じように、生地から作品を作ります。 これらの創造物だけが電気を伝導することができ、回路を作成し、ライトやモーターなどの機能を追加することができます。 XNUMX種類の生地を使用します。 XNUMXつの生地（色付き）は導電性であり、電気が流れるようにします。 もう一方（白）は絶縁性であり、電気を通しません。 まず、XNUMX種類の生地と、それらがどのように連携して回路を作成するかを探ります。 その後、あなたは創造的になることを楽しむことができます。

サーキットの練習/生地を知る

1. 導電性生地のボールから始めます。 バッテリーパックのワイヤーを生地の反対側に挿入します。 LEDを生地に挿入します。 何が起こるのですか？

   

2. 次に、導電性生地をXNUMXつに分けます。 XNUMX本のバッテリーパックワイヤーをXNUMX枚の生地に挿入し、もうXNUMX本をもうXNUMX枚の生地に挿入します。 次に、一方のリード線をXNUMXつの生地に挿入し、もうXNUMXつのリード線をXNUMX番目の生地に挿入します。 何が起こるのですか？

   

3. 次に、LEDを取り外して裏返し、リード線を以前とは反対の方向に向けてXNUMX枚の生地に戻します。 何が起こるのですか？ なぜそれが起こったと思いますか？

4. LEDが点灯した状態で、XNUMX枚の生地を一緒に触れます。 何が起こるのですか？ なぜそれが起こったと思いますか？

5. 次に、XNUMX枚の導電性生地の間に絶縁生地を追加し、それらが接触するように取り付けます。 LEDが絶縁生地にまたがり、導電性生地のXNUMXつのセクションに挿入されると、XNUMXつの固体オブジェクトができます。 ただし、短絡が発生していないため、LEDは点灯しています。 絶縁生地は電気が流れないため、代わりにLEDを通過して点灯します。

   

6. 導電性および絶縁性の生地を使用して、XNUMXつ以上のLEDを備えた直列回路を作成します。 ライトについて何に気づきましたか？ なぜだと思いますか？

   

7. 導電性と絶縁性の生地を使用して、XNUMXつのLEDで並列回路を作成します。 ライトについて何に気づきましたか？ 直列回路のライトとどう違うのですか？ なぜだと思いますか？

   

クリエイティブを取得する

XNUMX種類の生地を使用してLEDに電力を供給し、モーターを実行する方法を理解したので、何か創造的なものを作成してみてください。 LED、モーター、ブザー、ファン、または教師が提供したその他の資料を使用できます。 ライトアップされた目を持つ動物、回転するプロペラを備えたヘリコプター、またはあなたが想像できる他のものを作ることができます。 終了したら、作成したものをクラスの他のメンバーと共有し、クラスメートが考えたことを確認します。 他の学生が作成したいくつかの作品は次のとおりです。