Hrátky s elektrickými obvody

Při probírání vlastností a zákonitostí elektrických obvodů se vždy snažím, aby si žáci teoreticky probrané vlastnosti mohli i sami prakticky vyzkoušet. Nebylo tomu jinak ani ve třídě 16M SPŠST Panská. V několika po sobě jdoucích hodinách cvičení z fyziky jsme věnovali vždy část hodiny tomu, aby si kluci vyzkoušeli to, co jsme si minulou hodinu odvodili teoreticky, případně abych upozornil na některá na první pohled neznatelná nebezpečí.

Jako první úkol měli kluci zapojit do obvodu zdroj napětí a žárovku tak, aby žárovka svítila. Ač se to zdá na první pohled jako úkol triviální, občas se najdou žáci, kteří mají se zapojením žárovky problém. Kluci ve třídě 16M problém neměli. Proto jsme přistoupili k prvnímu vylepšení obvodu.

„Zkuste si zapojit do obvodu předměty, které máte u sebe, ale tak, aby žárovka i po zapojení daného předmětu do obvodu stále svítila,“ vyzval jsem kluky.

Ti začali vytahovat z tašek a kapes klíče, nůžky, lžíce, mince a další předměty, o kterých se domnívali, že jsou vodivé. Chvíli jsem je nechal a čekal jsem, zda přijdou na jednu věc, kterou denně používají a o které ne každý ví, že je vodivá. Jedna skupinka nezklamala!

„Super, jsem rád, že jste sami přišli na to, že tuha, kterou běžně používáte, je vodivá,“ chválím a ostatní skupinky si vodivost tuhy zkoušejí také.

Dalším úkolem je zapojit do obvodu dvě žárovky - a to sériově i paralelně. Se sériovým zapojením, tak, jako ostatně nikdy, problém není. U paralelního zapojení některé skupinky chvíli váhají a zapojují bizarní obvody, než se podaří správné zapojení realizovat.

„Je to sice dost primitivní, ale přesto: jak se nejjednodušeji přesvědčíte, že jste žárovky zapojili skutečně paralelně?“ ptám se.

„No jednu z nich vyšroubujeme a ta druhá bude svítit dál,“ odpovídají kluci správně.

„A bude svítit stejně, víc nebo méně ve srovnání s případem, když jsou zapojené obě?“ ptám se.

„Víc,“ odpovídají zase téměř všichni shodně, „poteče jí dvojnásobný proud.“

Na další hodině chci, aby se kluci seznámili s digitálním multimetrem.

„Ano, nepochybuji, že obsluhovat digitální věci umíte, ale přeci jen je nutné dodržet jistá pravidla, abychom přístroj nezničili hned při prvním měření,“ říkám na úvod a postupně vysvětluji různé funkce multimetru a zapojení do obvodu při měření různých veličin.

Nechám kluky, aby si proměřili napětí baterie, odpor rezistoru, který jsem jim donesl, a elektrický proud tekoucí obvodem, a pak už přistupujeme k hlavní práci s multimetrem.

„Vypočítejte odpor dvou rezistorů o odporech 100 ohmů a 220 ohmů, které jsou jednou spojeny sériově a podruhé paralelně. Pak ověřte, že výsledek výpočtu odpovídá realitě,“ zadávám úkol, který píšu na tabuli. Nechávám chvíli klukům na práci a za chvíli už máme správné výsledky.

„Prima. A teď si to zkuste proměřit,“ vyzývám kluky. Sériové spojení rezistorů je proměřeno téměř okamžitě. Paralelní zapojení chvíli trvá zapojit, ale nakonec i tuto část úkolu splnily všechny skupinky dobře.

Další hrátky s elektrickými obvody byly věnovány reostatu a jeho zapojení do elektrického obvodu. Nejdříve si kluci zkusili, jak lze reostatem regulovat elektrický proud. Regulace elektrického napětí se vymýšlela hůře, proto jsem klukům schéma nakreslil na tabuli. Společně jsme schéma probrali, nakreslili ekvivalentní schéma pomocí rezistorů a kluci si pak zkusili obvod zrealizovat.

„Tento typ zapojení, pomocí kterého lze rozdělit napětí zdroje mezi dvě části obvodu, se nazývá dělič napětí a v praxi se velmi často používá. Proto jsem chtěl, abyste si ho zkusili zapojit a prozkoumat,“ uzavírám hodinu.

V hodině, která byla asi 10 dní před Štědrým dnem, jsem nechal kluky zapojit paralelně dvě žárovky. Pak jsem je vyzval, aby proměřili napětí na každé z nich a na baterii, kterou používali jako zdroj napětí. Až na drobné nepřesnosti získali kluci tři stejné údaje.

„A teď jednu žárovku vyšroubujte z objímky a změřte napětí na prázdné objímce,“ zadávám další úkol. Kluci jej plní a někteří jsou překvapeni tím, co naměří. Voltmetr ukazuje stejnou hodnotu, jako když v objímce byla žárovka zašroubovaná!

„Chtěl jsem, abyste si tohle před Vánocemi uvědomili. Pokud máte na nějakém typu vánočního osvětlení paralelně spojené žárovky a jsou připojené k vyššímu napětí, může nastat úraz i když si sáhnete na prázdnou objímku. Viděli jste, co ukázal měřák,“ varuju kluky.

I tento typ vědomostí by si měli kluci z hodin fyziky odnést.

Poslední hodina věnovaná zapojování elektrických obvodů shrnovala dosavadní znalosti žáků jak z fyziky, tak z výrokové logiky probírané v prvním ročníku v matematice.

„Jistě znáte spoustu zařízení, která lze nazvat digitální a která fungují na základě určitých pravidel,“ začínám motivační řeč k žákům. „Ať už to je regulátor teploty,“ a ukazuji směrem, kde se v učebně fyziky toto zařízení nachází, „nebo před učebnou stojící automat na kávu či vaše iVěc. Pokud je automat dobře nastaven, nevydá vám polévku s mlékem navíc. Vaše iVěc využívá dotyku vašeho prstu - a v daném místě displeje v jedné aplikaci píšete písmeno ‚A‘, v jiné aplikaci spouštíte hudbu a ve třetí aplikaci otvíráte novou stránku prohlížeče. A to, co se po dotyku vašeho prstu displeje stane, řídí procesory, ve kterých jsou hradla obsahující základní logické operace. A ty znáte z prvního ročníku matematiky,“ dodávám.

Společně zopakujeme základní logické spojky, určíme jejich pravdivostní hodnoty, vysvětlíme rozdíl mezi používanými spojkami OR a XOR, a pak už vyzvu žáky, by zkusili logické spojky simulovat pomocí elektrických obvodů.

„Vstupní proměnné budou představovat spínače resp. vypínače, výstupní proměnnou pak bude představovat žárovka,“ radím, jak simulaci logických spojek pojmout.

Když se klukům podaří sestavit tři obvody odpovídající třem logickým spojkám, dodávám na vysvětlenou: „V procesorech, o kterých jsem před chvíli mluvil, jsou spojky realizovány pomocí tranzistorů, na které je přiváděno různé napětí. A tím se tranzistor buď otevře a začne jím procházet elektrický proud, a nebo tranzistor zůstane zavřený resp. se zavře. Ale k tomu se dostaneme ve fyzice později. Chtěl jsem jen ukázat, že i složité automaty na kávu, termostaty či ovládání iVěcí lze pochopit na základě jednoduchých elektrických obvodů. Detaily tohoto zapojení pak studují vaši spolužáci z áčka či déčka v rámci digitální techniky.“

Doufám, že abstraktní svět elektrického proudu se podařilo těmito hrátkami s elektrickými obvody klukům zkonkretizovat a vytvořit si představu o praktickém využití probíraných teoretických fyzikálních zákonů.

Průběh hrátek s elektrickými obvody zobrazují fotografie.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 4. 2. 2018