Živé obvody

Motivace: žáci se setkají s elektřinou a vyzkoušejí si, že v určitém rozsahu je zcela bezpečná. Zároveň využíváme praktické ukázky, abychom vedli intuitivně srozumitelný výklad o pojmu elektrické napětí. Měření napětí je ukázka, kdy pomocí jednoduché veličiny se dozvíme cosi o struktuře celého obvodu – něco, co není vidět na první pohled.

Potřeby:

• 9V baterie (aspoň jedna, nejlépe několik),
• LED dioda (radši několik, když je žáci zničí); vhodné jsou diody s čirým pouzdrem, protože jde líp rozlišit, kdy svítí,
• digitální voltmetr,
• mokrý hadr.

Pokud by někdo z žáků nechtěl propůjčit své tělo experimentování, necháme ho pasivně se dívat. Pocit bezpečí je mnohem důležitější než výukový obsah.

Měříme napětí baterie

Použijeme voltmetr, abychom ověřili, že v baterii je napětí devět voltů.

Výklad:

• Napětí je v baterii stálé, díky tomu ho výrobce může psát na obal. Napětí je v baterii pořád, i ve chvíli, kdy není nikam připojená.
• Teprve když baterii používáme, chemicky se vybije a ztratí schopnost vytvářet napětí.
• Devítivoltová baterie je poněkud nešikovně tvarovaná a je snadné spojit vodičem kladný a záporný pól. Tím bychom všechnu uloženou energii z baterie přeměnili na teplo, a baterii bychom okamžitě vybili.

Měříme napětí v obvodu

Žáci utvoří dva půlkruhy, drží se za ruce. Krajní žák jednoho půlkruhu chytí baterii za záporný pól, krajní žák druhého půlkruhu položí prst na kladný pól. Zbývající kraje obou půlkruhů propojíme voltmetrem a ukážeme, že napětí stále dosahuje skoro devíti voltů.

Některá dvojice sousedů se může pustit. V ten okamžik vidíme, že napětí poklesne na nulu. Můžeme se otočit zády a říkat nahlas, kdy je jaké napětí, abychom (na způsob kabaretního kouzelníka) předvedli, že nepodvádíme.

Výklad:

• Napětí se šíří od každého pólu baterie a po celé délce vodiče bude stejné. Lidské tělo je špatný vodič, ale my naštěstí máme velice citlivý voltmetr.
• Během pokusu našimi těly teče elektřina, ale zatím jen velmi malým proudem. Je to bezpečné a nemáme nejmenší šanci to cítit, protože i voltmetr to cítí jen stěží.
• Když obvod rozpojíme, elektřina se nemůže dostat od jednoho pólu baterie k druhému. Voltmetr v tu chvíli měří nulové napětí, což vyjadřuje, že elektřina nemá důvod téct jedním ani druhým směrem.

Poznámka:

• Nevím, zda jsou školní ručičkové voltmetry pro tenhle účel dost citlivé. To můžete vyzkoušet.
• Scénograficky je důležité, aby baterie byla od učitele daleko, proto je na opačné straně kruhu.

Dělič napětí

Na místě voltmetru z minulého cvičení necháme žáky, ať se chytí za ruce. Spolu s baterií teď tvoří všichni jeden kruhový obvod.

Poprosíme žáka u záporného pólu, aby v ruce podržel také zápornou sondu voltmetru. Kladnou sondou změříme nejdřív žáka u kladného pólu a potom několik žáků na různých místech po kruhu. Můžeme případně obejít s oběma sondami celý kruh a měřit napětí mezi rukama každého žáka jednotlivě. Po celou dobu měření kruh zůstává propojený a voltmetr přidáváme paralelně.

Výklad:

• Obvodem teď pořád protéká elektřina. Protože lidské tělo je pro nízké napětí velmi špatný vodič, protéká velmi malým proudem.
• Baterie je zodpovědná za to, že mezi žáky, kteří ji drží, je 9 V.
• Každý žák se chová jako překážka, část napětí se u něj ztratí. V místě, kde by se dva sousedi nedotýkali, by byla překážka nepřekonatelná a všechno napětí by se tedy ztratilo tam.
• Elektřina se chová docela spravedlivě, takže na půl cesty obvodem bude napětí poloviční, a podobně.

Dioda v ruce

Upozorníme na možný zkrat:

• oba póly baterie nesmíme propojit jednou nožičkou diody dohromady (zničí se baterie),
• obě nožičky diody nesmíme přímo připojit k oběma pólům baterie (zničí se dioda).

Povolené je, když se jedna nožička diody dotýká jednoho pólu baterie.

Jednou rukou chytíme baterii a prst položíme na kladný pól. Do druhé ruky chytíme anodu diody a katodu přiložíme na záporný pól baterie. Zkusíme diodu také otočit: chytit ji za katodu a anodou se dotknout záporného pólu. (To je zvlášť užitečné, když nevíme, která nožička je která.)

V jednom směru by dioda měla svítit, ve druhém ne. Když nesvítí, možná už někdo stihl diodu nebo baterii zničit. Když svítí málo, pomůže si navlhčit ruce o hadr.

Pokud máme dost součástek, necháme žáky, ať si tenhle postup vyzkoušejí sami. Upozorníme znovu, ať nespojí oba póly baterie jednou nožičkou diody dohromady.

Výklad:

• Naše tělo spolu s baterií a diodou tvoří uzavřený obvod, kterým teče elektřina. Vlhké ruce vedou elektřinu líp než suché.
• Diody se historicky používaly jako usměrňovače. Jedním směrem propouštějí proud skoro neomezeně – což může vést až ke zkratu. Opačným směrem nepropouštějí proud pokud možno vůbec.
• LED diody navíc svítí, když přes ně teče proud. Jsou nesmírně úspornými zdroji světla. Dokážou svítit i z množství elektřiny tak malého, že ho necítíme.

Dioda v obvodu

Několik žáků se chytí za ruce a utvoří dohromady uzavřený obvod s diodou a baterií. Může být potřeba, aby si všichni navlhčili ruce o hadr.

Při vhodném zapojení by mělo být vidět, že dioda slabě svítí.

Výklad:

• Dioda svítí o poznání méně než v předchozím cvičení. To proto, že každé lidské tělo v obvodu dělá elektřině další náročnou překážku.