Elektriskt deg
Sponsrad lektion av KEYSIGHT Technologies
I den här lektionen kommer eleverna att lära sig om elektricitet och kretsar genom att använda ledande och isolerande deg för att bygga kreativa elektriska skapelser. Denna aktivitet är baserad på doktor AnnMarie Thomas och hennes team vid University of St. Thomas.
- De grundläggande begreppen elektricitet och elektriska kretsar.
- Begrepp för elektrisk isolering och ledning.
- Hur man bygger kretsar och hur kortslutningar uppstår.
Åldersnivåer: 8 - 14
Nödvändigt material
- Ledande deg (se recept nedan)
- Icke-ledande/isolerande deg (se recept nedan)
- AA-batterier
- Batteripaket med terminaler
- Lysdioder (storlek 10 mm rekommenderas)
- Tråd med krokodilklämmor
Valfria material (tabell över möjligheter)
- Mini DC elektriska hobbymotorer
- Fläktar, summer och andra komponenter
Konduktivt degrecept
Ingredienser:
- 1 kopp vatten
- 1 1⁄2 dl mjöl
- 1⁄4 kopp salt
- 3 msk. vaniljkräm
- 1 msk. vegetabilisk olja
- Karamellfärg
- Blanda vatten med 1 kopp mjöl, salt, tartargrädde, vegetabilisk olja och matfärg i en medelstor kruka.
- Koka blandningen på medelvärme under konstant omrörning.
- Fortsätt att röra tills blandningen bildar en boll i mitten av grytan.
- Lägg bollen på en mjölad yta. Degen blir väldigt varm. Låt den svalna några minuter innan du hanterar den.
- Knåda återstående 1⁄2 kopp mjöl i bollen tills den har nått önskad konsistens.
- Förvara degen i en lufttät behållare.
Icke-ledande/isolerande degrecept
Ingredienser:
- 1 1⁄2 dl mjöl
- 1⁄2 kopp socker
- 3 msk. vegetabilisk olja
- 1⁄2 kopp vatten (avjoniserat eller destillerat är bäst, men kranvatten kan användas)
- Blanda 1 dl mjöl, socker och olja i en skål.
- Rör ner en liten mängd vatten. Fortsätt att tillsätta vatten och rör om tills det mesta av vattnet har absorberats.
- När blandningen är konsistent i små, separerade klumpar, knåda blandningen med händerna tills den bildar en enda klump.
- Tillsätt vatten till degen och fortsätt knåda tills den har en klibbig, degliknande konsistens.
- Tillsätt lite av det kvarvarande mjölet och knåda ner det i degen tills den fått önskad konsistens.
- Förvara degen i en lufttät behållare.
material
- Använd föremål från byggsatsen
Bearbeta
- Börja med en boll av den ledande degen. Sätt i batteripakets trådar i motsatta sidor av degen. Sätt in en lysdiod i degen. Se vad som händer.
- Dela sedan den ledande degen i två bitar. Sätt in en batteripack i en degbit och den andra i den andra degen. Sätt nu in lysdioden med en bly i en bit av degen och den andra ledningen i den andra degen. Se vad som händer.
- Ta sedan bort lysdioden och vrid den med ledarna i motsatt riktning. Se vad som händer. Dokumentera varför tror du att detta hände.
- Med lysdioden i tänd position, rör ihop de två degbitarna tillsammans. Se vad som händer. Dokumentera varför tror du att detta hände.
- Lägg till en bit isolerande deg mellan de två bitarna av ledande deg och fäst dem så att de rör vid varandra. Med lysdioden över den isolerande degen och införd i de två sektionerna av ledande deg. Lyser LED -lampan?
- Använd den ledande och isolerande degen för att skapa en seriekrets med två eller flera lysdioder. Vad märker du om lamporna? Dokumentera varför du tror att detta hände.
- Använd den ledande och isolerande degen för att skapa en parallell krets med tre lysdioder. Vad märker du om lamporna? Hur skiljer de sig från lamporna i seriekretsen? Dokumentera varför du tror att detta hände.
TED Talk: AnnMarie Thomas
Källa: TED YouTube Channel
Squishy Circuit -skulptur av AnnMarie Thomas
Källa: University of St. Thomas YouTube -kanal
Design Challenge
Du är en ingenjör som arbetar med att designa och bygga elledande skapelser av deg.
Kriterier
- Måste använda två typer av deg (ledande och icke-ledande)
för att driva LED (er).
begränsningar
Slutför din skulptur inom den angivna tiden.
- Dela upp klassen i lag om 2.
- Dela ut arbetsbladet för elektriska degen och recept för den ledande och icke-ledande degen.
- Diskutera ämnena i avsnittet Bakgrundskoncept.
- Granska konstruktionsprocessen, designutmaningen, kriterier, begränsningar och material. Om tiden tillåter, granska “Real World Applications” innan du utför designutmaningen.
- Innan du instruerar eleverna att börja brainstorma och skissa sina mönster, be dem överväga följande
● Hur serier och parallella kretsar fungerar
● Skillnaderna mellan ledande och isolerande material
● Vad är en kortslutning?
● Vad är polaritet? - Ge varje lag sina material.
- Förklara att eleverna måste göra ledande och icke-ledande (isolerande) deg. De kommer att testa degen genom att göra olika kretsar med hjälp av LED -lampor.
- Meddela hur lång tid de har att designa och bygga (1 timme rekommenderas).
- Använd en timer eller ett online stoppur (nedräkningsfunktion) för att se till att du håller i tid. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Ge eleverna regelbundna "tidskontroller" så att de fortsätter med uppgiften. Om de kämpar, ställ frågor som leder dem till en lösning snabbare.
- Lag gör sin deg.
- Testa degen med teststegen i avsnittet Testmaterial och process.
- Team bör dokumentera resultaten av varje teststeg.
- Som klass, diskutera studentens reflektionsfrågor.
Variationer
Använd LED -lampor, motorer, summer, fläktar eller annat material för att bli kreativ!
kretsar
Slingan som elektricitet flyter genom kallas en krets. En krets börjar vid en strömkälla, till exempel ett batteri, och flödar genom ledningar och elektriska komponenter (t.ex. lampor, motorer, etc.). Det finns två typer av kretsar - seriekretsar och parallella kretsar.
Seriekretsar
Seriekretsar tillåter bara en väg för elektricitet att strömma igenom. I en seriekrets med lysdioder kommer lysdioderna längre från strömkällan att visas svagare, eftersom mindre elektricitet är tillgänglig för att driva dem. Om en lysdiod skulle brinna ut eller avlägsnas i en seriekrets, skulle alla lampor som följde släcka också, eftersom den ena vägen till de återstående lamporna skulle kopplas bort.
Parallella kretsar
Parallella kretsar tillåter flera vägar för elektricitet att strömma igenom. I en parallell krets med lysdioder har varje lysdiod ström som strömmar direkt till den längs sin egen väg. Varje LED kan lysa starkt oavsett
där den är, eftersom elen når varje lysdiod direkt. Dessutom, i en parallell krets, om ett ljus brinner ut eller tas bort, kommer de andra att fortsätta att lysa.
Ledande och isolerande material
Ledande material: låt elektricitet flöda genom dem. Kan du tänka dig några material som leder elektricitet?
Isolerande material: låt inte elektricitet rinna genom dem. Kan du tänka dig några isoleringsmaterial? Isolering mäts i resistans. Ju mer isolerande ett material, desto mer motståndskraft har det. Den isolerande degen du kommer att arbeta med är resistiv, vilket betyder att lite elektricitet kan strömma genom den. Isolatorer fungerar som en vägg som blockerar el.
KORTSLUTNING
En kortslutning uppstår när ledningar som inte ska komma i kontakt med varandra vidrör. Det är därför en lysdiod inte tänds när den sätts in i en enda bit ledande deg eller i
två bitar av ledande deg som sedan vidrör varandra.
Polaritet
Strömningsriktningen i en krets kallas polaritet. I denna aktivitet är den röda ledningen från batteriet den positiva polen och den svarta tråden är den negativa polen. Vissa elektroniska komponenter har också en positiv och negativ sida och måste fästas i rätt riktning för att fungera.
Lysdioderna i denna aktivitet har två ledare, en kort och en lång. Den längre ledningen går till den positiva sidan och den kortare ledningen går till den negativa sidan.
Studentreflektion (teknisk anteckningsbok)
- Elektricitet tar alltid vägen med minst motstånd. Varför tror du i steg 1 att lysdioden inte tändes när den sattes i en ledande deg? Varför tror du i steg 4 att lysdioden släcktes när de två ledande degen rörde varandra?
- Den ledande degen är gjord av vatten, mjöl, salt, grädde av tartar och vegetabilisk olja. Den isolerande degen är gjord av vatten, mjöl, socker och vegetabilisk olja. Vad tror du får en deg att leda elektricitet och den andra inte?
- Vilka andra material tror du är ledande?
- Vilka andra material tycker du är isolerande?
Tidsändring
Lektionen kan göras på så lite som 1 klassperiod för äldre elever. För att hjälpa eleverna från att känna sig förhastade och för att säkerställa elevernas framgångar (särskilt för yngre studenter), dela upp lektionen i två perioder och ge eleverna mer tid att brainstorma, testa idéer och slutföra sin design. Utför testningen och debriefen under nästa klassperiod.
kretsar
En krets är en slinga genom vilken elektricitet strömmar. En krets börjar vid en strömkälla, till exempel ett batteri, och flödar genom ledningar och elektriska komponenter (t.ex. lampor, motorer, etc.). Det finns två typer av kretsar - seriekretsar och parallella kretsar.
Seriekretsar bara tillåta en väg för elektricitet att flöda igenom. I en seriekrets med lysdioder kommer lysdioderna längre från strömkällan att se svagare ut, eftersom mindre elektricitet är tillgänglig för att driva dem. Om en lysdiod skulle brinna ut eller avlägsnas i en seriekrets, skulle alla lampor som följde släcka också, eftersom den ena vägen till de återstående lamporna skulle kopplas bort.
Parallella kretsar låta flera vägar för elektricitet rinna igenom. I en parallell krets med lysdioder har varje lysdiod ström som strömmar direkt till den längs sin egen väg. Varje LED kan lysa starkt oavsett var det är, eftersom elen når varje LED direkt. Även i en parallell krets, om ett ljus brinner ut eller tas bort, kommer de andra att fortsätta att lysa.
Konduktivitet och isolering
Material som leder elektricitet - som låter elektricitet flöda genom dem - kallas ledande. Ledande material
kan användas för att skapa kretsar. Det kan innebära att du använder metalltråd eller mer ovanliga saker som frukt, potatis och till och med deg. I den konduktiva degen du använder, hjälper saltet i degen till att flytta elen genom den genom att dissociera till Na+ och Clions.
Material som inte tillåter elektricitet att flöda genom dem kallas isolerande. Isolering mäts i resistans. Ju mer isolerande ett material, desto mer motståndskraft har det. Den isolerande degen du kommer att arbeta med är resistiv, vilket betyder att lite elektricitet kan strömma genom den.
Isolatorer fungerar som en vägg till el. El stoppas antingen av en isolator eller måste hitta en väg runt den. Eftersom den isolerande degen inte leder elektricitet kan den användas för att separera den ledande degen och tvinga elen att flöda genom andra elektriska komponenter, såsom lysdioder och motorer.
Motstånd är också viktigt för att hjälpa till att bromsa elflödet till en viss komponent. Fo
r, tillåter den ledande degen elektricitet att flöda genom den, men ger också en viss motståndskraft. Detta hjälper till att bromsa flödet av el från batteriet till lysdioderna. Om lysdioden skulle anslutas direkt till batteriet skulle lysdioden brinna ut.
KORTSLUTNING
Elektricitet tar alltid vägen med minst motstånd. I stället för att sakta flöda genom ett motståndskraftigt material, tar el en väg genom något mer ledande, som en LED, motor, tråd eller annat mer ledande material. Så här kan isoleringsmaterial användas för att få elektricitet att ändra kurs och röra sig genom komponenterna du vill att den ska strömma igenom.
Om det finns en väg runt en elektrisk komponent, till exempel en lysdiod, som ger mindre motstånd, kommer elen att kringgå lysdioden och ta vägen med minst motstånd. Detta kallas kortslutning. Det är därför en LED införs i en enda bit ledande deg eller
- Dirigent: Material som låter elektricitet flöda genom det.
- Isolator: Material som inte tillåter elektricitet att flöda genom det.
- Resistens: Isolering mäts i motstånd. Ju mer isolerande ett material, desto mer motståndskraft har det.
- Krets: Slingan som elektricitet rinner igenom. En krets börjar vid en strömkälla, till exempel ett batteri, och flödar genom ledningar och elektriska komponenter (t.ex. lampor, motorer, etc.).
- Seriekrets: Tillåter en väg för elektricitet att flöda igenom.
- Parallell krets: Tillåter flera vägar för elektricitet att flöda igenom.
- KORTSLUTNING: När ledningar som inte ska komma i kontakt med varandra vidrör.
Internetanslutningar
- Squishy -kretsar
- Makerspaces.com: Squishy Circuits
- AnnMarie Thomas: Praktisk vetenskap med krispiga kretsar
Rekommenderad läsning
- Elektronik för barn: Lek med enkla kretsar och experimentera med elektricitet! (ISBN: 978-1593277253)
- En nybörjarguide till kretsar: Nio enkla projekt med ljus, ljud och mer! (ISBN: 978-1593279042)
- Bygga Squishy Circuits (ISBN: 978-1634727235)
- The Big Book of Makerspace Projects: Inspiring Makers to Experiment, Create and Learn (ISBN: 978-1259644252)
Skrivverksamhet
I denna aktivitet kommer du att bygga föremål med hjälp av ett material som kan leda elektricitet. Detta gör att du kan lägga till lampor, motorer, fläktar och andra elektriska element till din skapelse. Chris Tuan, civilingenjör vid University of Nebraska, Lincoln utvecklade en formel för att göra ledande betong som kan användas för att göra vägar och trottoarer som kan smälta is och snö. Om du kunde bygga en byggnad med ledande material, hur skulle du använda dess elektriska egenskaper?
Anpassning till läroplaner
Obs: Alla lektionsplaner i denna serie är anpassade till Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards, US Common Core State Standards for Mathematics och, om tillämpligt, också till National Council of Teachers of Mathematics Principles and Standards for School Matematik, International Technology Education Association's Standards for Technological Literacy och US National Science Education Standards som togs fram av National Research Council.
Nästa generations vetenskapstandarder
Studenter som visar förståelse kan
- 3-5-ETS1-1. Definiera ett enkelt designproblem som återspeglar ett behov eller en önskan som innehåller specifika kriterier för framgång och begränsningar av material, tid eller kostnad.
- 3-5-ETS1-2. Generera och jämföra flera möjliga lösningar på ett problem baserat på hur väl alla sannolikt kommer att uppfylla kriterierna och begränsningarna för problemet.
- 3-5-ETS1-3. Planera och utför rättvisa tester där variabler kontrolleras och felpunkter anses identifiera aspekter av en modell eller prototyp som kan
förbättras. - 4-PS3-2. Gör observationer för att bevisa att energi kan överföras från plats till plats genom ljud, ljus, värme och elektriska strömmar
- 4-PS3-4. Tillämpa vetenskapliga idéer för att designa, testa och förfina en enhet som konverterar
energi från en form till en annan. - MS-ETS1-1. Definiera kriterierna och begränsningarna för ett designproblem med tillräckligt
precision för att säkerställa en framgångsrik lösning, med hänsyn till relevant vetenskaplig
principer och potentiella effekter på människor och naturmiljö som kan begränsa möjliga lösningar. - MS-ETS1-2. Utvärdera konkurrerande designlösningar med hjälp av en systematisk process för att
avgöra hur väl de uppfyller kriterierna och begränsningarna för problemet. - MS-ETS1-3. Analysera data från tester för att fastställa likheter och skillnader mellan flera designlösningar för att identifiera de bästa egenskaperna hos varje som kan kombineras till en ny lösning för att bättre uppfylla kriterierna för framgång.
- MS-ETS1-4. Utveckla en modell för att generera data för iterativ testning och modifiering av ett föreslaget objekt, verktyg eller process så att en optimal design kan uppnås.
Standarder för teknisk läskunnighet - alla åldrar
- Kapitel 8 - Attribut för design
- Definitioner av design
- Krav på design
- Kapitel 9 - Ingenjörsdesign
- Teknisk designprocess
- Kreativitet och med tanke på alla idéer
- Modeller
- Kapitel 10 - Rollen för felsökning, forskning och utveckling, uppfinningar och experiment i problemlösning
- Felsökning
- Uppfinning och innovation
- Experimenterande
- Kapitel 11 - Tillämpa designprocessen
- Samla information
- Visualisera en lösning
- Testa och utvärdera lösningar
- Förbättra en design
- Kapitel 16 - Energi- och kraftteknik
- Energi finns i olika former
- Verktyg, maskiner, produkter och system
kretsar
En krets är en slinga genom vilken elektricitet strömmar. En krets börjar vid en strömkälla, till exempel ett batteri, och flödar genom ledningar och elektriska komponenter (t.ex. lampor, motorer, etc.). Det finns två typer av kretsar - seriekretsar och parallella kretsar.
Seriekretsar bara tillåta en väg för elektricitet att flöda igenom. I en seriekrets med lysdioder kommer lysdioderna längre från strömkällan att se svagare ut, eftersom mindre elektricitet är tillgänglig för att driva dem. Om en lysdiod skulle brinna ut eller avlägsnas i en seriekrets, skulle alla lampor som följde släcka också, eftersom den ena vägen till de återstående lamporna skulle kopplas bort.
Parallella kretsar låta flera vägar för elektricitet rinna igenom. I en parallell krets med lysdioder har varje lysdiod ström som strömmar direkt till den längs sin egen väg. Varje LED kan lysa starkt oavsett var det är, eftersom elen når varje LED direkt. Dessutom, i en parallell krets, om ett ljus brinner ut eller tas bort, kommer de andra att fortsätta att lysa.
Konduktivitet och isolering
Material som leder elektricitet - som låter elektricitet flöda genom dem - kallas ledande. Ledande material kan användas för att skapa kretsar. Det kan innebära att du använder metalltråd eller mer ovanliga saker som frukt, potatis och till och med deg. I den konduktiva degen du kommer att använda hjälper saltet i degen till att flytta elektriciteten genom att dissociera till Na+ och Clions.
Material som inte tillåter elektricitet att flöda genom dem kallas isolerande. Isolering mäts i resistans. Ju mer isolerande ett material, desto mer motståndskraft har det. Den isolerande degen du kommer att arbeta med är resistiv, vilket betyder att lite elektricitet kan strömma genom den.
Isolatorer fungerar som en vägg till el. El stoppas antingen av en isolator eller måste hitta en väg runt den. Eftersom den isolerande degen inte leder elektricitet kan den användas för att separera den ledande degen och tvinga elen att flöda genom andra elektriska komponenter, såsom lysdioder och motorer.
Motstånd är också viktigt för att hjälpa till att bromsa elflödet till en viss komponent. Till exempel låter den ledande degen elektricitet flöda genom den, men ger också en viss motståndskraft. Detta hjälper till att bromsa flödet av el från batteriet till lysdioderna. Om lysdioden skulle anslutas direkt till batteriet skulle lysdioden brinna ut.
KORTSLUTNING
Elektricitet tar alltid vägen med minst motstånd. I stället för att sakta flöda genom ett motståndskraftigt material, kommer el att ta en väg genom något mer ledande, som en LED, motor, tråd eller annat mer ledande material. Så här kan isoleringsmaterial användas för att få elektricitet att ändra kurs och röra sig genom komponenterna du vill att den ska strömma igenom.
Om det finns en väg runt en elektrisk komponent, till exempel en lysdiod, som ger mindre motstånd, kommer elen att kringgå lysdioden och ta vägen med minst motstånd. Detta kallas kortslutning. Det är därför en lysdiod som sätts in i en enda ledande deg eller i två bitar av ledande deg som sedan vidrör varandra, inte lyser.
Polaritet
Elektrisk ström strömmar från den positiva polen i en energikälla till den negativa polen. Strömningsriktningen i en krets kallas polaritet. I denna aktivitet är den röda ledningen från batteriet den positiva polen och den svarta tråden är den negativa polen. Vissa elektroniska komponenter har också en positiv och negativ sida och måste fästas i rätt riktning för att fungera. Lysdioderna du kommer att arbeta med har två ledare, en kort och en lång. Den längre ledningen går till den positiva sidan och den kortare ledningen går till den negativa sidan. Om lysdioden sitter i fel riktning tänds den inte förrän den har vänt. Motorer fungerar när de är fästa åt båda hållen. Emellertid kommer riktningen i vilken elen flödar att bestämma rotationsriktningen för motoraxeln.
I denna aktivitet kommer du att bygga skapelser av deg, precis som du gjorde när du var yngre. Endast dessa skapelser kan leda elektricitet, så att du kan skapa kretsar och lägga till funktioner som lampor, motorer och mer. Du kommer att arbeta med två typer av deg. En deg (färgad) är ledande och tillåter elektricitet att flöda genom den. Den andra (vit) är isolerande och släpper inte igenom elektricitet. Du börjar med att utforska de två typerna av deg och hur de fungerar tillsammans för att skapa kretsar. Då kan du ha kul att bli kreativ.
Öva kretsar/lära känna din deg
- Börja med en boll av den ledande degen. Sätt i batteripackets trådar i motsatta sidor av degen. Sätt in en lysdiod i degen. Vad händer?
- Dela sedan den ledande degen i två bitar. Sätt in en batteripack i en degbit och den andra i den andra degen. Sätt nu in lysdioden med en ledning i en bit av degen och den andra ledningen i den andra degen. Vad händer?
- Ta sedan bort lysdioden och vänd den och sätt tillbaka den i de två bitarna med ledarna i motsatt riktning från hur de var tidigare. Vad händer? Varför tror du att det hände?
- Med lysdioden i tänd position, rör ihop de två degbitarna tillsammans. Vad händer? Varför tror du att det hände?
- Lägg sedan till en bit isolerande deg mellan de två ledande degen och fäst dem så att de rör vid varandra. Med lysdioden som sträcker sig över den isolerande degen, införd i de två sektionerna av ledande deg, har du ett fast föremål. Lysdioden tänds dock eftersom det inte sker någon kortslutning. Eftersom den isolerande degen inte låter elen rinna genom den, går elen genom lysdioden istället och tänder den.
- Använd den ledande och isolerande degen för att skapa en seriekrets med två eller flera lysdioder. Vad märker du om lamporna? Varför tror du att det är det?
- Använd den ledande och isolerande degen för att skapa en parallell krets med tre lysdioder. Vad märker du om lamporna? Hur skiljer de sig från lamporna i seriekretsen? Varför tror du att det är det?
Få kreativitet
Nu när du förstår hur du använder de två typerna av deg för att driva en LED och köra en motor försök bygga något kreativt. Du kan använda lysdioder, motorer, summer, fläktar eller annat material som din lärare har tillhandahållit. Du kan göra ett djur med upplysta ögon, en helikopter med en snurrande propeller eller något annat du kan tänka dig. När du är klar, dela din skapelse med resten av klassen och se vad du klasskamrater tyckte. Här är några skapelser som andra studenter har gjort:
Tack till Matt Francis, Ph.D., IEEE East Area Chair, Region 5 för delning.
Översättning av lektionsplan