Elektrické cesto

Požadované materiály

• Vodivé cesto (pozri recept nižšie)
• Nevodivé / izolačné cesto (pozri recept nižšie)
• Batérie typu AA
• Akumulátory s vývodmi
• LED diódy (odporúčaná veľkosť 10 mm)
• Drôt s krokosvorkami

Voliteľné materiály (tabuľka možností)

• Mini jednosmerné elektrické hobby motory
• Ventilátory, bzučiaky a ďalšie komponenty

Recept na vodivé cesto

Zloženie:

• 1 šálky vody
• 1 1⁄2 šálky múky
• 1⁄4 šálky soli
• 3 lyžice. vínny krém
• 1 polievková lyžica. zeleninový olej
• Potravinárske farbivo

1. V stredne veľkom hrnci zmiešajte vodu s 1 hrnčekom múky, soľou, tatárskou smotanou, rastlinným olejom a potravinárskou farbou.
2. Zmes za stáleho miešania varíme na strednom ohni.
3. Pokračujte v miešaní, kým zmes nevytvorí guľu v strede hrnca.
4. Guľu položte na ľahko pomúčený povrch. Cesto bude veľmi horúce. Pred manipuláciou ho nechajte niekoľko minút vychladnúť.
5. Miešajte zvyšnú 1⁄2 šálky múky do guľky, kým nedosiahne požadovanú konzistenciu.
6. Cesto skladujte vo vzduchotesnej nádobe.

Recept na nevodivé / izolačné cesto

Zloženie:

• 1 1⁄2 šálky múky
• 1⁄2 šálky cukru
• 3 polievková lyžica. zeleninový olej
• ⁄ šálky vody (najlepšia je deionizovaná alebo destilovaná, ale je možné použiť vodu z vodovodu)

1. V miske zmiešajte 1 šálku múky, cukru a oleja.
2. Miešajte malé množstvo vody. Pokračujte v pridávaní vody a miešajte, kým sa väčšina vody nevstrebe.
3. Akonáhle je zmes konzistencia malých, oddelených zhlukov, miesime ju rukami, až kým nevytvorí jednu hrudku.
4. Pridajte do cesta vodu a pokračujte v miesení, až kým nebude mať lepkavú štruktúru pripomínajúcu cesto.
5. Pridajte trochu zvyšnej múky a vmasírujte ju do cesta, kým nedosiahne požadovanú štruktúru.
6. Cesto skladujte vo vzduchotesnej nádobe.

materiály

• Používajte predmety zo stavebnice

Proces

1. Začnite guľkou vodivého cesta. Vložte drôty bloku batérií do protiľahlých strán cesta. Vložte LED do cesta. Sledujte, čo sa stane.
2. Ďalej vodivé cesto oddeľte na dva kúsky. Jeden drôt batérie vložte do jedného cesta a druhý do druhého cesta. Teraz vložte LED s jedným vodičom do jedného kusu cesta a druhým vodičom do druhého kusu cesta. Sledujte, čo sa stane.
3. Ďalej odstráňte LED a otočte ich, pričom vodiče sú v opačnom smere. Sledujte, čo sa stane. Dokument, prečo si myslíte, že sa to stalo.
4. Keď je dióda LED v osvetlenej polohe, dotknite sa obidvoch častí cesta. Sledujte, čo sa stane. Dokument, prečo si myslíte, že sa to stalo.
5. Medzi dva kúsky vodivého cesta vložte kúsok izolačného cesta a pripevnite ich tak, aby sa dotýkali. S diódou LED, ktorá je rozkročená nad izolačným cestom a je vložená do dvoch častí vodivého cesta. Svieti LED?
6. Pomocou vodivého a izolačného cesta vytvorte sériový obvod s dvoma alebo viacerými LED diódami. Čo si všímaš na svetlách? Zdokumentujte, prečo si myslíte, že sa to stalo.
7. Pomocou vodivého a izolačného cesta vytvorte paralelný obvod s tromi LED diódami. Čo si všímaš na svetlách? Čím sa líšia od svetiel v sériovom obvode? Zdokumentujte, prečo si myslíte, že sa to stalo.

Diskusia TED: AnnMarie Thomas

Zdroj: Kanál TED YouTube

Squishy Circuit Socha AnnMarie Thomas

Zdroj: Kanál YouTube University of St. Thomas

Design Challenge

Ste inžinier pracujúci na navrhovaní a stavaní elektriny vedúcej z cesta.

Kritériá

• Musí sa použiť dva druhy cesta (vodivé a nevodivé)
  na napájanie LED diód.

obmedzenia

Dokončite sochu v stanovenom čase.

1. Rozdeľte triedu na dvojčlenné tímy.
2. Rozdajte pracovný list Electric Dough a recepty na vodivé a nevodivé cesto.
3. Diskutujte o témach v sekcii Koncepty pozadia.
4. Prezrite si proces inžinierskeho návrhu, výzvu pri návrhu, kritériá, obmedzenia a materiály. Ak to čas dovoľuje, pred uskutočnením výzvy v oblasti dizajnu si pozrite „Aplikácie v reálnom svete“.
5. Predtým, ako študentov vyzvete, aby začali brainstormovať a skicovali svoje návrhy, požiadajte ich, aby zvážili nasledujúce
   ● Ako fungujú sériové a paralelné obvody
   ● Rozdiely medzi vodivými a izolačnými materiálmi
   ● Čo je to skrat?
   ● Čo je to polarita?
6. Poskytnite každému tímu svoje materiály.
7. Vysvetlite, že študenti musia pripraviť vodivé a nevodivé (izolačné) cesto. Cesto otestujú vytvorením rôznych obvodov pomocou LED svetiel.
8. Oznámte množstvo času, ktoré musia navrhnúť a vyrobiť (odporúča sa 1 hodina).
9. Použite časovač alebo online stopky (funkcia odpočítavania), aby ste si udržali čas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Poskytnite študentom pravidelné „časové kontroly“, aby zostali na úlohe. Ak majú problémy, položte im otázky, ktoré ich rýchlejšie dovedú k riešeniu.
10. Tímy vypracujú svoje cesto.
11. Cesto otestujte pomocou krokov testovania v časti Skúšobné materiály a postup.
12. Tímy by mali dokumentovať výsledky každého testovacieho kroku.
13. Ako trieda diskutujte o otázkach reflexie študentov.

Varianty

Použite LED svetlá, motory, bzučiaky, ventilátory alebo akékoľvek iné materiály, aby ste boli kreatívni!

Circuits

Smyčka, cez ktorú preteká elektrina, sa nazýva obvod. Obvod začína v zdroji energie, napríklad v batérii, a preteká vodičmi a elektrickými súčasťami (napríklad svetlami, motormi atď.). Existujú dva druhy obvodov - sériové obvody a paralelné obvody.

Sériové obvody

Sériové obvody umožňujú iba jednu cestu prechodu elektriny. V sériovom obvode s LED diódami sa LED diódy od zdroja napájania javia slabšie, pretože na ich napájanie je k dispozícii menej elektriny. Ak by LED zhasla alebo bola odstránená v sériovom obvode, zhasli by aj všetky nasledujúce svetlá, pretože by bola odpojená jedna cesta k zvyšným svetlám.

Paralelné obvody

Paralelné obvody umožňujú prúdenie elektriny viacerými cestami. V paralelnom obvode s LED diódami má každá LED dióda elektrinu prúdiacu priamo k nej po svojej vlastnej ceste. Každá LED môže svietiť jasne bez ohľadu na to
tam, kde je, pretože elektrina zasahuje každú LED priamo. Rovnako v paralelnom okruhu, ak jedno svetlo vyhorí alebo je odstránené, ostatné budú svietiť ďalej.

Vodivé a izolačné materiály

Vodivé materiály: umožňujú prúdenie elektriny cez ne. Napadajú vás nejaké materiály, ktoré vedú elektrinu?

Izolačné materiály: nedovoľte, aby cez ne pretekala elektrina. Napadajú vám nejaké izolačné materiály? Izolácia sa meria ako odpor. Čím je materiál izolačnejší, tým má väčší odpor. Izolačné cesto, s ktorým budete pracovať, je odporové, čo znamená, že ním môže pretekať málo elektriny. Izolátory pôsobia ako múr, ktorý blokuje elektrinu.

Skrat

Ku skratu dôjde, keď sa dotknú vodiče, ktoré by nemali prísť do vzájomného kontaktu. Preto sa LED dióda nerozsvieti, keď je vložená do jedného kusu vodivého cesta alebo do neho
dva kúsky vodivého cesta, ktoré sa potom navzájom dotýkajú.

Polarita

Smer toku prúdu v obvode sa nazýva polarita. Pri tejto činnosti je červený vodič z batérie kladný pól a čierny vodič záporný pól. Niektoré elektronické súčasti majú tiež pozitívnu a negatívnu stránku a musia byť pripojené správnym smerom, aby fungovali.

LED diódy v tejto aktivite majú každý dva vodiče, jeden krátky a jeden dlhý. Dlhšie vedenie vedie k pozitívnej strane a kratšie vedenie vedie k negatívnej strane.

Reflexia študentov (technický zošit)

1. Elektrická energia sa vždy uberá cestou najmenšieho odporu. Prečo si v 1. kroku myslíte, že sa LED dióda nerozsvietila, keď bola vložená do jedného kusu vodivého cesta? Prečo si myslíte, že v kroku 4 LED zhasla, keď sa dva kúsky vodivého cesta navzájom dotkli?
2. Vodivé cesto je vyrobené z vody, múky, soli, zubného kameňa a rastlinného oleja. Izolačné cesto je vyrobené z vody, múky, cukru a rastlinného oleja. Čo si myslíte, vďaka čomu jedno cesto vedie elektrinu a druhé nie?
3. Aké ďalšie materiály sú podľa vás vodivé?
4. Aké ďalšie materiály sú podľa vás izolačné?

Hodinu je možné vykonať už za 1 hodinu pre starších študentov. S cieľom pomôcť študentom v náhlení a zabezpečiť úspech študentov (najmä u mladších študentov) však rozdeľte hodinu na dve obdobia, aby mali študenti viac času na brainstorming, testovanie nápadov a dokončenie svojho návrhu. Vykonajte testovanie a vysvetlenie v nasledujúcom seminárnom období.

• Dirigent: Materiál, ktorý umožňuje tok elektriny cez ňu.
• izolátor: Materiál, ktorý neumožňuje prúdenie elektriny cez ňu.
• Odpor: Izolácia sa meria ako odpor. Čím je materiál izolačnejší, tým má väčší odpor.
• obvod: Slučka, cez ktorú preteká elektrina. Obvod začína v zdroji energie, napríklad v batérii, a preteká vodičmi a elektrickými súčasťami (napríklad svetlami, motormi atď.).
• Sériový obvod: Umožňuje jednu cestu prechodu elektriny.
• Paralelný obvod: Umožňuje prúdenie elektriny viacerými cestami.
• Skrat: Keď sa dotknú drôty, ktoré by nemali prísť do vzájomného kontaktu.

Internetové pripojenia

• Squishy obvody
• Makerspaces.com: Squishy Circuits
• AnnMarie Thomas: Praktická veda s rozbitými obvodmi

Odporúčaná literatúra

• Elektronika pre deti: hrajte s jednoduchými obvodmi a experimentujte s elektrinou! (ISBN: 978-1593277253)
• Sprievodca obvodmi pre začiatočníkov: Deväť jednoduchých projektov so svetlami, zvukmi a ďalším! (ISBN: 978-1593279042)
• Budovanie obvodov Squishy (ISBN: 978-1634727235)
• The Big Book of Makerspace Projects: Inspiring Makers to Experiment, Create, and Learning (ISBN: 978-1259644252)

Písanie

V tejto aktivite budete stavať objekty pomocou materiálu, ktorý môže viesť elektrinu. To vám umožní pridať do svojej tvorby svetlá, motory, ventilátory a ďalšie elektrické prvky. Chris Tuan, stavebný inžinier na univerzite v Nebraske v Lincolne, vyvinul receptúru na výrobu vodivého betónu, ktorý sa dá použiť na výrobu ciest a chodníkov, ktoré môžu topiť ľad a sneh. Ak by ste mohli postaviť budovu z vodivých materiálov, ako by ste využili jej elektrické vlastnosti?

Zosúladenie s rámcovými osnovami

Poznámka: Všetky plány vyučovacích hodín v tejto sérii sú zosúladené s normami Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, US Common Core State Standards for Mathematics a prípadne s Národnou radou pre učiteľov matematiky a princípmi pre školy Mathematics, the Standards for Technology Education Association's Standards for Technological Literacy, and the US National Science Education Standards, which were produced by National Research Council.

Vedecké štandardy novej generácie

Študenti, ktorí preukazujú porozumenie, môžu

• 3-5-ETS1-1. Definujte jednoduchý problém s dizajnom, odrážajúci potrebu alebo potrebu, ktorý obsahuje špecifikované kritériá úspechu a obmedzenia týkajúce sa materiálov, času alebo nákladov.
• 3-5-ETS1-2. Vytvorte a porovnajte viacero možných riešení problému na základe toho, ako dobre každé z nich pravdepodobne splní kritériá a obmedzenia problému.
• 3-5-ETS1-3. Naplánujte a vykonajte spravodlivé testy, pri ktorých sa riadia premenné a zohľadňujú sa body zlyhania, aby sa určili aspekty modelu alebo prototypu, ktoré sa dajú
  vylepšený.
• 4-PS3-2. Vykonajte pozorovania, aby ste poskytli dôkaz, že energia sa môže prenášať z miesta na miesto pomocou zvuku, svetla, tepla a elektrických prúdov
• 4-PS3-4. Aplikujte vedecké nápady na navrhnutie, testovanie a vylepšenie zariadenia, ktoré prevádza konverzie
  energia z jednej formy do druhej.
• MS-ETS1-1. Definujte kritériá a obmedzenia problému s dizajnom v dostatočnej miere
  presnosť, aby sa zabezpečilo úspešné riešenie, berúc do úvahy príslušné vedecké
  princípy a potenciálne dopady na ľudí a prírodné prostredie, ktoré môžu obmedziť možné riešenia.
• MS-ETS1-2. Vyhodnoťte konkurenčné konštrukčné riešenia pomocou systematického procesu až
  určiť, ako dobre vyhovujú kritériám a obmedzeniam problému.
• MS-ETS1-3. Analyzujte údaje z testov, aby ste určili podobnosti a rozdiely medzi niekoľkými návrhovými riešeniami, aby ste určili najlepšie charakteristiky každého z nich, ktoré je možné kombinovať do nového riešenia, aby lepšie vyhovovali kritériám úspechu.
• MS-ETS1-4. Vyvinúť model na generovanie údajov pre iteračné testovanie a úpravy navrhovaného objektu, nástroja alebo procesu tak, aby bolo možné dosiahnuť optimálny dizajn.

Normy pre technologickú gramotnosť - všetky vekové skupiny

• Kapitola 8 - Atribúty dizajnu
  • Definície dizajnu
  • Požiadavky na dizajn
• Kapitola 9 - Inžiniersky dizajn
  • Proces konštrukčného návrhu
  • Kreativita a zohľadnenie všetkých nápadov
  • Modely
• Kapitola 10 - Úloha riešenia problémov, výskumu a vývoja, vynálezu a experimentovania pri riešení problémov
  • Riešenie problémov
  • Vynález a inovácie
  • experimentovanie
• Kapitola 11 - Aplikujte proces návrhu
  • Zbierajte informácie
  • Vizualizujte riešenie
  • Testovanie a hodnotenie riešení
  • Vylepšite dizajn
• Kapitola 16 - Energia a energetické technológie
  • Energia má rôzne formy
  • Nástroje, stroje, výrobky a systémy

Circuits

Okruh je slučka, cez ktorú preteká elektrina. Obvod začína v zdroji energie, napríklad v batérii, a preteká vodičmi a elektrickými súčasťami (napríklad svetlami, motormi atď.). Existujú dva druhy obvodov - sériové obvody a paralelné obvody.

Sériové obvody elektrine nechajte prúdiť iba jednu cestu. V sériovom obvode s LED diódami sa LED diódy vzdialenejšie od zdroja energie javia slabšie, pretože na ich napájanie je k dispozícii menej elektriny. Ak by LED zhasla alebo bola odstránená v sériovom obvode, zhasli by aj všetky nasledujúce svetlá, pretože by bola odpojená jedna cesta k zvyšným svetlám.

Paralelné obvody umožniť prúdenie viacerých ciest elektrinou. V paralelnom obvode s LED diódami má každá LED dióda elektrinu prúdiacu priamo k nej po svojej vlastnej ceste. Každá LED môže svietiť jasne bez ohľadu na to, kde sa nachádza, pretože elektrina dopadá na každú LED priamo. Rovnako v paralelnom okruhu, ak jedno svetlo vyhorí alebo je odstránené, ostatné budú svietiť ďalej.

Vodivosť a izolácia

Materiály, ktoré vedú elektrinu - umožňujú elektrine, aby nimi prechádzala - sa nazývajú vodivé. Na vytvorenie obvodov možno použiť vodivé materiály. To môže znamenať použitie kovového drôtu alebo neobvyklejších vecí, ako je ovocie, zemiaky alebo dokonca cesto. Vo vodivom ceste, ktoré budete používať, soľ v ceste pomáha pri prechode elektriny cez ňu disociáciou na ióny Na + a Cl.

Materiály, ktoré neumožňujú prúdenie elektriny cez ne, sa nazývajú izolačné. Izolácia sa meria ako odpor. Čím je materiál izolačnejší, tým má väčší odpor. Izolačné cesto, s ktorým budete pracovať, je odporové, čo znamená, že ním môže pretekať málo elektriny.

Izolátory fungujú ako múr pred elektrinou. Elektrinu zastaví buď izolátor, alebo musí nájsť cestu, ako ju obísť. Pretože izolačné cesto nevedie elektrinu, je možné ho použiť na oddelenie vodivého cesta a na prinútenie elektriny pretekať cez ďalšie elektrické súčasti, napríklad LED diódy a motory.

Odpor je tiež dôležitý pri pomoci spomaliť tok elektriny k určitej súčasti. Napríklad vodivé cesto umožňuje prúdenie elektriny cez neho, ale ponúka aj istý odpor. To pomáha spomaliť tok elektriny z akumulátora k LED diódam. Ak by sa LED mala pripájať priamo k akumulátoru, LED by zhorela.

Skrat

Elektrická energia sa vždy uberá cestou najmenšieho odporu. Namiesto toho, aby elektrina pomaly prechádzala odolným materiálom, pôjde cestou niečoho vodivejšieho, ako je dióda LED, motor, drôt alebo iný vodivejší materiál. Takto sa dajú použiť izolačné materiály na to, aby sa zmenila elektrina a presunuli sa cez komponenty, cez ktoré chcete pretekať.

Ak je okolo elektrického komponentu, napríklad LED, cesta, ktorá ponúka menší odpor, elektrina obíde LED a bude mať cestu najmenšieho odporu. Toto sa nazýva skrat. To je dôvod, prečo LED dióda vložená do jedného kusu vodivého cesta alebo do dvoch kusov vodivého cesta, ktoré sa potom navzájom dotýkajú, nebude LED svietiť.

Polarita

Elektrický prúd prúdi z kladného pólu zdroja energie do záporného pólu. Smer toku prúdu v obvode sa nazýva polarita. Pri tejto činnosti je červený vodič z batérie kladný pól a čierny vodič záporný pól. Niektoré elektronické súčasti majú tiež pozitívnu a negatívnu stránku a musia byť pripojené správnym smerom, aby fungovali. Každá dióda LED, s ktorou budete pracovať, má dva vodiče, jeden krátky a jeden dlhý. Dlhšie vedenie vedie k pozitívnej strane a kratšie vedenie vedie k negatívnej strane. Ak je LED pripojená nesprávnym smerom, nerozsvieti sa, kým nebude otočená. Motory budú pracovať, keď budú pripojené v oboch smeroch. Avšak smer, ktorým prúdi elektrina, bude určovať smer otáčania hriadeľa motora.

V tejto aktivite budete budovať výtvory z cesta, rovnako ako keď ste boli mladší. Iba tieto výtvory môžu viesť elektrinu, čo vám umožňuje vytvárať obvody a pridávať funkcie, ako sú svetlá, motory a ďalšie. Budete pracovať s dvoma druhmi cesta. Jedno cesto (farebné) je vodivé a umožní ním prúdiť elektrinu. Druhý (biely) je izolačný a neprepúšťa elektrinu. Začnete preskúmaním dvoch druhov cesta a ich vzájomnej spolupráce pri vytváraní obvodov. Potom sa môžete baviť kreatívnosťou.

Precvičte si okruhy / Spoznajte svoje cesto

1. Začnite guľkou vodivého cesta. Vložte vodiče batérie do opačných strán cesta. Vložte LED do cesta. Čo sa stane?

   

2. Ďalej vodivé cesto oddeľte na dva kúsky. Jeden drôt batérie vložte do jedného cesta a druhý do druhého cesta. Teraz vložte LED s jedným vodičom do jedného kusu cesta a druhým vodičom do druhého kusu cesta. Čo sa stane?

   

3. Ďalej vyberte LED diódu a otočte ju, potom ju vložte späť do dvoch častí cesta s prívodmi v opačnom smere, ako boli predtým. Čo sa stane? Prečo si myslíš, že sa to stalo?

4. Keď je LED dióda v osvetlenej polohe, dotknite sa obidvoch častí cesta dohromady. Čo sa stane? Prečo si myslíš, že sa to stalo?

5. Ďalej medzi dva kúsky vodivého cesta pridajte kúsok izolačného cesta a pripevnite ich tak, aby sa dotýkali. S diódou, ktorá je rozkročená nad izolačným cestom a je vložená do dvoch častí vodivého cesta, máte jeden pevný predmet. LED sa však rozsvieti, pretože nedochádza ku skratu. Pretože izolačné cesto neumožňuje pretekať elektrinu, elektrina namiesto toho prechádza LED, ktorá ho rozsvieti.

   

6. Pomocou vodivého a izolačného cesta vytvorte sériový obvod s dvoma alebo viacerými LED diódami. Čo si všímaš na svetlách? Prečo si to myslíte?

   

7. Pomocou vodivého a izolačného cesta vytvorte paralelný obvod s tromi LED diódami. Čo si všímaš na svetlách? Čím sa líšia od svetiel v sériovom obvode? Prečo si to myslíte?

   

Buďte kreatívni

Teraz, keď rozumiete tomu, ako používať tieto dva druhy cesta na napájanie LED a spustenie motora, skúste vytvoriť niečo kreatívne. Môžete použiť LED diódy, motory, bzučiaky, ventilátory alebo akýkoľvek iný materiál, ktorý poskytol váš učiteľ. Mohli by ste vyrobiť zviera so rozsvietenými očami, vrtuľník s rotujúcou vrtuľou alebo čokoľvek iné si dokážete predstaviť. Po dokončení zdieľajte svoj výtvor so zvyškom triedy a uvidíte, čo si spolužiaci vymysleli. Tu sú niektoré výtvory, ktoré vytvorili iní študenti: