Obwody prądu przemiennego - wirtualne laboratorium

Zagadnienia

• Obwód RLC
• Obwody prądu przemiennego
• Prawo Kirchoffa
• Prawo Ohma

Opis

W symulacji uczniowie mogą budować obwody prądu stałego i przemiennego z rezystorami, kondensatorami, cewkami indukcyjnymi, bezpiecznikami i przełącznikami; mogą eksperymentować z obwodami rezonansowymi i wykonać pomiary sprzętem laboratoryjnym.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, marzec 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij podstawowe zależności elektryczne w obwodach szeregowych i równoległych.
• Użyj amperomierza i woltomierza do odczytów w obwodach.
• Podaj uzasadnienie wyjaśniające wyniki pomiarów i zależności w obwodach.
• Buduj obwody z rysunków schematycznych.
• Ustal, czy znane obiekty są przewodnikami czy izolatorami.
• Porównaj i skonfrontuj obwody prądu stałego i przemiennego.
• Opisz, jak zachowują się kondensatory i cewki indukcyjne w obwodzie.
• Wyznacz doświadczalnie stałą czasową RC.
• Konstruuj obwody RLC i określ warunki rezonansu.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Jaki prąd płynie w domowej instalacji elektrycznej? (ZPE)
• Jakie właściwości ma prąd przemienny? (ZPE)
• Obwód RLC (ZPE)
• Obwody prądu zmiennego (OpenStax)
• Analiza obwodów elektrycznych (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

Czy podoba Ci się zestaw Obwody prądu przemiennego, ale chcesz używać tylko amperomierzy in-line? To jest symulacja dla Ciebie! Eksperymentuj z zestawem elektroniki. Buduj obwody ze źródłami napięcia przemiennego, bateriami, rezystorami, kondensatorami, cewkami indukcyjnymi, bezpiecznikami i przełącznikami. Dokonuj pomiarów za pomocą realistycznego amperomierza i woltomierza i sporządzaj wykresy prądu i napięcia w funkcji czasu. Zobacz obwód jako schematyczny diagram lub przełącz się do realistycznego widoku.

Złożone sterowanie

Kliknięcie elementu lub połączenia elementów obwodu otwiera okno edycji tego składnika:

• Kliknięcie połączenia elementów, a następnie nożyczek, usuwa to połączenie. Kliknięcie elementu, a następnie ikony kosza usuwa ten element (elementy obwodu można też przeciągać z powrotem do przybornika).


• Kliknięcie baterii pozwala ustalić jej polaryzację, siłę elektromotoryczną lub, po kliknięciu ikony kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres siły elektromotorycznej to 0 - 120 V.


• Kliknięcie źródła napięcia przemiennego pozwala ustalić napięcie, częstotliwość, przesunięcie fazowe lub, po kliknięciu ikony kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres napięcia to 0 - 120 V, a częstotliwości 0,1 - 2 Hz.


• Kliknięcie żarówki pozwala ustalić jej opór lub, po kliknięciu kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres oporów to 0 - 120 Ω.


• Kliknięcie opornika z kodem paskowym pozwala ustalić jego opór lub, po kliknięciu kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres oporów to 0 - 120 Ω.


• Kliknięcie kondensatora pozwala ustalić jego pojemność lub, po kliknięciu kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres pojemności to 0,05 - 0,2 F.


• Kliknięcie cewki pozwala ustalić jej indukcyjność lub, po kliknięciu kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres indukcyjności to 0,1 - 10 H.


• Kliknięcie bezpiecznika pozwala ustalić jego prąd znamionowy lub, po kliknięciu kosza, usunąć. Po stopieniu drutu topikowego i przerwaniu obwodu możemy wymienić bezpiecznik na nowy, klikając żółte kółko na dole po lewej.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Obwody prądu przemiennego - wirtualne laboratorium chcesz domyślnie wyciszyć dźwięk (audio=muted), z wyłączonym przesuwaniem i powiększaniem (supportsPanAndZoom=false), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab_all.html?audio=muted&supportsPanAndZoom=false

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/simulations/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab_all.html?locale=pl&audio=muted&supportsPanAndZoom=false

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
schematicStandard - wyświetla elementy w schemacie obwodu przy użyciu standardów IEEE (domyślnie), IEC lub brytyjskiego.	schematicStandard=ieee schematicStandard=iec schematicStandard=british
showCurrent=false - określa początkowy stan pola wyboru Pokaż prąd. (Domyślnie jest true.)	showCurrent=false
currentType - określa początkową reprezentację prądu: elektrony (domyślnie) lub konwencjonalną.	currentType=conventional currentType=electrons
ammeterReadout - wyświetla wartość (domyślnie) lub odczyt ze znakiem, patrz Uproszczenia modelu poniżej.	ammeterReadout=magnitude ammeterReadout=signed
moreWires - zwiększa liczbę przewodów z 25 do 50. Niezalecane w przypadku wolniejszych urządzeń.	moreWires
moreInductors - zwiększa liczbę cewek indukcyjnych z 1 do 10. Należy zachować ostrożność, patrz Uproszczenia / założenia modelu poniżej.	moreInductors
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	audio=muted audio=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy false, uniemożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Klikając Opcje… w pojawiającym się oknie możemy zaznaczyć żądany Standard schematu i Odczyt amperomierza.

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia / założenia modelu

• W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
• Zarówno elektrony, jak i konwencjonalne reprezentacje prądu są komiksowe i nie modelują idealnie prądu w obwodzie. Ich prędkość i gęstość są umowne i nie powinny być traktowane dosłownie. Animacja prądu zostanie wstrzymana podczas przeciągania elementu obwodu.
• Grafika ognia oznacza zwarcie lub bardzo wysoki prąd (powyżej 15 A). Gdy natężenie prądu jest bardzo duże, symulacja nie może prawidłowo animować prądu, więc prędkość symulacji zostanie zmniejszona i pojawi się ostrzeżenie na ekranie.
• Elementy obwodu nie są idealne i mają niewielką rezystancję wewnętrzną, aby poprawnie modelować dynamikę.
• Przewody: minimalna rezystywność wynosi 10^-10 Ω⋅m.
• Baterie i źródła prądu przemiennego: minimalna rezystancja wewnętrzna 10^-4 Ω.
• Kondensatory i cewki indukcyjne: 10^-4 Ω.
• Źródła prądu przemiennego połączone ze sobą szeregowo (bez żadnych dodatkowych przewodów) mogą wykazywać zerowy prąd na styku między nimi.
• Gdy natężenie prądu wynosi (0 A, 0,02 A], do odczytu amperomierza zostanie dodane trzecie miejsce dziesiętne.
• Amperomierz domyślnie wyświetla wartość natężenia prądu. Aby wyświetlać natężenia ujemne, należy użyć parametru query ammeterReadout=signed opisanego w sekcji Opcje dostosowywania powyżej. Gdy element jest podłączony do obwodu, jego polaryzacja prądu będzie zgodna z resztą obwodu. Jeśli nie ma jeszcze zdefiniowanej polaryzacji, znak będzie dodatni. Oznacza to, że otwarcie i zamknięcie przełącznika może zresetować znak do dodatniego.
• W przypadku obwodów prądu przemiennego odczyt amperomierza będzie ujemny, gdy napięcie jest ujemne.
• W przypadku obwodów prądu stałego prąd jest domyślnie dodatni, a znak jest usuwany za każdym razem, gdy prąd przepływający przez element staje się zerowy. Prądy w obwodzie prądu stałego będą spójne, ale niekoniecznie będą spójne między oddzielnymi obwodami.
• Sondy woltomierza dokonują odczytu w dowolnym miejscu węzłów elementu. Czasami może to stwarzać złudzenie, że sondy nie stykają się z przewodzącymi częściami elementu.
• Źródła napięcia z rezystancją wewnętrzną są modelowane za pomocą niewidocznego rezystora połączonego szeregowo. Dlatego spadek spadek napięcia na źródle napięcia w zamkniętym obwodzie wyniesie zero (chyba że rezystywność przewodu jest wysoka).
• Kolorowe paski kodowe na rezystorach dokładnie odzwierciedlają rezystancję w zakresie ±5%, jak wskazuje złoty pasek tolerancji.
• Ołówek ma rezystancję 25 Ω, która uwzględnia jego rdzeń (grafit/glina), a nie drewnianą obudowę.
• Pies ma rezystancję 100000 Ω, ale aby uniknąć porażenia prądem, zaszczeka i odłączy się od obwodu, jeśli napięcie na nim przekroczy 100 V.
• Żarówki zachowują się liniowo, zgodnie z prawem Ohma. Aby poeksperymentować z żarówkami nieliniowymi, użyj symulacji Obwody prądu stałego.
• Jasność żarówki jest proporcjonalna do mocy przepływającego przez nią prądu (P=U²/R), a maksymalna jasność jest osiągana przy 2000 W.
• Gdy bezpieczniki są połączone szeregowo, a prąd nagle przekroczy najwyższą wartość znamionową (np. po zwiększeniu napięcia, gdy przełącznik jest otwarty, a następnie zamknięciu przełącznika), jeden bezpiecznik zostanie losowo przepalony niezależnie od prądu znamionowego.
• Idealne cewki indukcyjne będą oscylować, jeśli zostaną nagle odłączone. Aby tego uniknąć, cewki indukcyjne natychmiast rozpraszają zgromadzoną energię po odłączeniu od obwodu, co może prowadzić do skokowego wzrostu wykresów napięcia i prądu.
• Nie zalecamy stosowania wielu cewek indukcyjnych w tym samym obwodzie. Możliwe jest bowiem wystąpienie prądów nieustalonych lub innych niefizycznych zachowań, zwłaszcza przy niskich rezystancjach. Z tego powodu wybraliśmy domyślnie tylko jedną cewkę indukcyjną. Aby uzyskać dostęp do dodatkowych cewek indukcyjnych, użyj parametru query moreInductors opisanego w sekcji Opcje dostosowywania powyżej.
• Kondensatory mogą zachowywać się nieprawidłowo, jeśli rezystancja w obwodzie jest mniejsza niż 0,1 Ω.
• W przypadku nagłej zmiany w obwodzie, na wykresach napięcia i/lub natężenia prądu mogą pojawić się piki. Może się to zdarzyć w przypadku nagłego odłączenia cewki indukcyjnej, zmiany fazy źródła prądu przemiennego lub zwarcia kondensatora.
• Gdy symulacja jest wstrzymana, model przesunie się do przodu o 10^-6 s, gdy nastąpi interakcja z symulacją, na przykład gdy suwak zostanie wyregulowany lub elementy obwodu zostaną ze sobą połączone. Jednak niektóre efekty dynamiczne, takie jak szczekanie psa (napięcie przekracza 100 V) lub zadziałanie bezpiecznika, nadal wymagają ręcznego przesunięcia modelu do przodu, gdy jest on wstrzymany.
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Zbuduj obwód zapalający żarówkę.
• Porównaj i zestaw ze sobą zachowanie żarówki podłączonej do źródła prądu przemiennego i żarówki podłączonej do baterii.
• Odkryj sposób na połączenie dwóch żarówek w obwodzie tak, aby: (a) jeśli jedna żarówka zostanie odłączona, obie żarówki zgasną oraz (b) jeśli jedna żarówka zostanie odłączona, druga żarówka pozostanie zapalona.
• Określ, jak zwiększyć prędkość elektronów lub odwrócić kierunek ich ruchu. Wyjaśnij swoją metodę.
• Co reprezentuje ogień w tej symulacji?
• Przewiduj, co stanie się w obwodzie RC, jeśli zmieni się rezystancja, pojemność lub napięcie początkowe.
• Zbuduj obwód RLC i określ warunki niezbędne do uzyskania rezonansu.
• Przewiduj, co stanie się z natężeniem prądu w obwodzie, gdy zmieni się rezystancja źródła lub rezystywność przewodu.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Obwody prądu przemiennego - wirtualne laboratorium tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).