Obwody prądu stałego

Zagadnienia

• Obwód szeregowy
• Obwód równoległy
• Prawo Ohma
• Prawo Kirchoffa

Opis

Eksperymentuj z zestawem elektroniki! Twórz obwody z bateriami, rezystorami, żarówkami i wyłącznikami. Określ, czy przedmioty codziennego użytku są przewodnikami czy izolatorami. Zmierz natężenie prądu i napięcie za pomocą amperomierza i woltomierza. Wyświetl obwód jako schemat lub przejdź do realistycznego widoku.

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, sierpień 2023)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Poznaj podstawowe zależności elektryczne.
• 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.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Obwód elektryczny (ZPE)
• Prawo Ohma i opór elektryczny (ZPE)
• Interpretujemy charakterystykę prądowo‑napięciową elementów obwodu (ZPE)
• Kirchhoff (ZPE)
• Obwody (Khan Academy)
• Obwody prądu stałego (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran Wstęp (link bezpośredni)

Buduj obwody z bateriami, żarówkami, rezystorami i przełącznikami. Poznaj związek między napięciem, natężeniem prądu i rezystancją.

Ekran Laboratorium (link bezpośredni)

Eksperymentuj z przewodnikami i izolatorami oraz wykonuj pomiary za pomocą sprzętu laboratoryjnego.

Złożone sterowanie

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

• Klawisz Delete może być użyty do usunięcia zaznaczonego elementu obwodu lub wycięcia zaznaczonego węzła.


• 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 wysokiego napięcia pozwala ustalić jej polaryzację, siłę elektromotoryczną lub, po kliknięciu ikony kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres siły elektromotorycznej to 100 - 100000 V


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


• Kliknięcie opornika pozwala ustalić jego opór lub, po kliknięciu kosza, usunąć. Dopuszczalny zakres oporów to 100 - 10000 Ω


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


• 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 stałego chcesz uwzględnić tylko pierwszy ekran (screens=1), z z wyłączonym przesuwaniem i powiększaniem (supportsPanAndZoom=false), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/circuit-construction-kit-dc_all.html?screens=1&supportsPanAndZoom=false

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/circuit-construction-kit-dc_all.html?locale=pl&screens=1&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
addRealBulbs - włącza żarówki nieliniowe podczas uruchamiania (zaznacza pole wyboru Dodaj realne żarówki).	addRealBulbs
ammeterReadout - wyświetla wartość (domyślnie) lub odczyt ze znakiem, patrz Uproszczenia modelu poniżej.	ammeterReadout=magnitude ammeterReadout=signed
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
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)
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

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w sekcji Symulacja możemy zaznaczyć żądane opcje:

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

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).

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

• Jako separator dziesiętny używana 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.
• Przewody nie są idealne (minimalna rezystywność wynosi 10^-10 Ω⋅m), więc długie przewody mogą wpływać na natężenie prądu w obwodzie, ponieważ rezystancja jest proporcjonalna do długości. Aby znaleźć rezystancję dla dowolnego odcinka przewodu w całym obwodzie, należy zmierzyć natężenie prądu i napięcie, a następnie użyć prawa Ohma do obliczenia rezystancji.
• Baterie nie są idealne i mają małą rezystancję wewnętrzną, aby dokładnie modelować dynamikę. Minimalna rezystancja wewnętrzna wynosi 10^-4 Ω. Rezystancja wewnętrzna jest modelowana przez szeregowe dodanie rezystora. Dlatego spadek napięcia na baterii w zamkniętym obwodzie może wynosić zero, jeśli w tym obwodzie nie ma innych źródeł rezystancji.
• Jeśli nastąpi zwarcie w jednej z gałęzi połączenia równoległego, do baterii zostanie dodany opór wewnętrzny. Dzieje się tak, aby prąd przepływający przez inne gałęzie obwodu był bardziej realistyczny. Należy pamiętać, że rezystancja wewnętrzna nie będzie wyświetlana, gdy włączona jest opcja Wartości.
• Sondy woltomierza dokonują odczytu w dowolnym miejscu węzłów elementu. Czasami może to stwarzać złudzenie, że sondy nie stykają się z przewodzącymi częściami elementu.
• Istnieją amperomierze bezdotykowe (takie jak miernik cęgowy prądu AC/DC), ale są one zwykle używane do pomiaru ~1-1000 amperów. Dla wygody sonda może dokonywać odczytów na wszystkich elementach obwodu, w tym na realistycznych granicach baterii i żarówek.
• Amperomierz domyślnie wyświetla wartość natężenia prądu. Aby wyświetlać natężenia ujemne, należy użyć parametru query ammeterReadout=signed opisanego w sekcji Opcje dostosowywania powyżej. W przypadku obwodów prądu stałego natężenie prądu jest domyślnie dodatnie. Gdy element jest podłączony do obwodu, polaryzacja przepływającego przez niego prądu będzie zgodna z resztą obwodu. Znak jest kasowany za każdym razem, gdy prąd przepływający przez element staje się zerowy. Oznacza to, że otwarcie i zamknięcie przełącznika zresetuje znak do dodatniego. Prądy w obwodzie będą spójne, ale niekoniecznie będą zgodne między oddzielnymi obwodami.
• 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.
• Standardowe i wysokorezystancyjne żarówki zachowują się liniowo. Dostęp do żarówki nieliniowej można uzyskać na ekranie laboratorium, zaznaczając pole wyboru Dodaj realne żarówki (lub uruchamiając symulator z parametrem query addRealBulbs, patrz opcje dostosowywania powyżej).
• 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.
• Przedmioty codziennego użytku. Na potrzeby symulacji szacujemy opór elementów gospodarstwa domowego jako:
  • Moneta - 0 omów
  • Banknot dolarowy - 1 000 000 000 omów
  • Gumka - 1 000 000 000 omów
  • Spinacz do papieru - 0 omów
  • Ołówek - 25 omów
• Amperomierze i woltomierze. Amperomierze i woltomierze są idealne i mają następujące właściwości:
  • Amperomierze mają zerową rezystancję i zawsze występuje na nich zerowy spadek potencjału
  • Woltomierze mają nieskończoną rezystancję i zawsze płynie przez nie prąd o zerowym natężeniu
• 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.
• Przewiduj, co stanie się z jasnością żarówki po zmianie napięcia.
• Odkryj sposób na połączenie dwóch żarówek w obwodzie tak, aby: (a) jeśli jedna żarówka zostanie odłączona, obie żarówki zgasną i (b) jeśli jedna żarówka zostanie odłączona, druga żarówka pozostanie zapalona.
• Porównaj obwód z dwoma rezystorami połączonymi szeregowo z obwodem z dwoma rezystorami połączonymi równolegle. Opisz, co dzieje się z prądem i napięciem na każdym z rezystorów.
• Zaprojektuj eksperyment, aby określić, które obiekty są izolatorami, a które przewodnikami.
• Określ, jak zwiększyć prędkość unoszenia elektronów lub odwrócić kierunek ich dryfu. Wyjaśnij swoją metodę.
• Przewiduj, co stanie się z prądem w obwodzie, gdy zmieni się rezystancja baterii lub rezystancja przewodu.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Obwody prądu stałego tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).