MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA TECHNICKÉ A INFORMAČNÍ VÝCHOVY
Náměty pro praktické činnosti z elektroniky na druhém stupni ZŠ
Bakalářská práce
Brno 2010
Vedoucí bakalářské práce
Vypracoval
PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc.
Pavel Pokorný
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval/a samostatně a použil jen prameny uvedené v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům. ........................ podpis V Brně 19. Dubna 2010
Poděkování: Děkuji Panu PaedDr. Ing. Josefu Pecinovi, CSc. za odborné vedení a ředevším trpělivost, rady a připomínky k mé práci.
Bibliografie POKORNÝ, Pavel. Náměty pro praktické činnosti z elektroniky na druhém stupni ZŠ: bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2010. Rozsah 49 stran. Vedoucí bakalářské práce PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc.
Klíčová slova Elektronika, elektrický obvod, rezistor, kondenzátor, vodič, dioda, napětí, proud, integrovaný obvod, deska plošného spoje.
Key Words Electronics, electric circui, resistor, capacitor, conductor, diode, voltage, current, education
Anotace Bakalářská práce se zabývá metodikou a teorií výuky elektroniky na druhém stupni ZŠ. Práce nabízí ucelený rámec informací, které pedagog využije při výuce elektroniky. Dále se zde zabývám první pomoci při úrazu el. proudem, poté již čistě elektronikou. Teorie je protkaná praktickými úkoly, i otázkami, na které by měl student být po hodině schopný odpovědět.
The annotation My bachelor thesis is focused on methodology and theory of teaching electronics at secondary schools level. The thesis provides complex information for teachers of electronics. In the beginning, it deals with first aid in electrical injuries and the rest of the thesis covers the field of electronics. The theory is accompanied by practical tasks and by questions that the student should be able to answer after the lesson.
Obsah Úvod............................................................................................................................................ 1 1 Význam a zařazení elektroniky ve výuce na druhém stupni ZŠ ............................................... 2 1.1 Možnosti elektroniky v dnešní době, motivace ................................................................ 2 1.2 Návaznosti elektroniky na RVP, možnosti zařazení do školního vzdělávacího programu 3 1.3 Design a konstruování....................................................................................................... 4 1.4 Návrh modelu přípravy učitele na výuku elektroniky....................................................... 4 2 Nejčastější poranění a první pomoc při úrazu elektrickým proudem ..................................... 9 2.1 Jak působí elektrický proud na postiženého? ................................................................. 10 2.3 Jak postupovat při poskytování první pomoci? .............................................................. 11 3 Elektřina ................................................................................................................................. 13 3.1 Volné elektrony ............................................................................................................... 14 3.2 Elektronické stavebnice .................................................................................................. 15 3.3 1. Praktický úkol .............................................................................................................. 17 4 Proud, napětí, odpor, kapacita .............................................................................................. 19 4.1 Elektrický odpor .............................................................................................................. 19 4.2 Zapojení rezistorů ........................................................................................................... 21 4.3 2. Praktický úkol .............................................................................................................. 23 4.4 Kondenzátor ....................................................................................................................... 24 4.5 3. praktický úkol .............................................................................................................. 26 5 Polovodiče ............................................................................................................................. 27 Fyzikální podmínky ovlivňující vodivost polovodičů ............................................................. 27 5.1 Vodivost polovodičů ....................................................................................................... 28 5.2 Příměsová vodivost polovodičů typu P, N ..................................................................... 28 5.3 PN přechod ..................................................................................................................... 29 5.4 Polovodičové diody a světlo ........................................................................................... 29
5.5 Základy LED ..................................................................................................................... 30 5.6 4. praktický úkol .............................................................................................................. 33 5.7 Polovodičové lasery ........................................................................................................ 33 5.8 Tranzistor a integrované spoje ....................................................................................... 34 5.9 Závěrečný úkol .................................................................................................................... 36 5.9.1 Výroba plošných spojů fotocestou ve školních podmínkách....................................... 37 5.9.2 Pájení............................................................................................................................ 39 5.9.3 Doplňující otázky pro žáky: .......................................................................................... 39 Závěr ......................................................................................................................................... 40 Resumé ..................................................................................................................................... 41 Résumé ..................................................................................................................................... 41 Použitá literatura ...................................................................................................................... 42
Úvod Dnešní svět využívá elektroniku snad v každém odvětví lidské činnosti. Používáme ji při práci, užíváme si jí ve volném čase, pomáhá nám včas vstát nebo rovnou zorganizovat čas na měsíce dopředu. Dnes se již opravdu před světem protkaným různými technologiemi nemůžeme nikam schovat. Je smutné, že v dnešní době, kdy je již každý vybaven digitálními hodinkami, mobilním telefonem, nemá nikdo o studium elektroniky žádný zájem. A proto bychom v tomto světě měli dát možnost získat vědomosti základních principů elektrotechniky studentům již na základní škole. Má práce má pomoci učitelům pochopit základní principy elektronických obvodů, nejen na teoretické úrovni, ale také prakticky v elektrotechnické laboratoři. Jelikož střední školy a učiliště nejen technického charakteru očekávají od absolventů základních škol znalosti elektrotechnického charakteru, má určitě velký význam vytvořit učební program, který by otevřel bránu nevědomosti a zbavil žáky obav z tajemného světa pohybujících se elektronů. V práci se autor zabývá postupně organizací vyučovací hodiny, poté První pomocí při úrazu elektrickým proudem a následně již samotným tématem. Do teorie bude zakomponováno několik zajímavých praktických úkolů, které by měly studenty zaujmout.
1
1 Význam a zařazení elektroniky ve výuce na druhém stupni ZŠ Objasnit možnosti elektroniky v dnešní době (zejména praktické elektroniky realizované ve školních a domácích podmínkách) jako prostředek motivace žáků. Uvést, které závazné výstupy a témata RVP lze realizovat prostřednictvím elektroniky na druhém stupni ZŠ. Navrhnout možnosti zařazení elektroniky do ‚ŠVP.
1.1 Možnosti elektroniky v dnešní době, motivace Elektronika je tak významným fenoménem, že je nutné se jí v odpovídající podobě věnovat ve výuce praktických činností již na druhém stupni ZŠ. V současné době umožňuje téměř podivuhodné věci. V amatérských podmínkách je možné si sestrojit nejrůznější zapojení- blikače, melodické zvonky, různé detektory, nabíječky, bezdrátové mikrofony, elektronické zámky, alarmy a mnoho dalších zajímavých věcí. Konstrukční elektronice je možné se věnovat s žáky již na základní škole. Zkušenosti z praxe ukazují, že se žáci experimentální praktické činnosti v této oblasti s oblibou věnují. Těmito činnostmi je proto můžeme motivovat k zájmu o elektroniku. Elektronika je také ideálním nástrojem při realizaci technické zájmové činnosti. Zaujetím dospívajících pro praktickou elektroniku můžeme vyhledat již na základní škole budoucí vědce- techniky a také vyplnit mezery nabídce volnočasových aktivit. Tento obor rovněž poskytuje mnohé možnosti k rozvoji tvořivosti žáků, pokud jim nepředáváme hotová konstrukční řešení, která vedou pouze k rozvoji praktických dovedností, ale k samotnému tvůrčímu myšlení při komplexním návrhu vyráběných předmětů a k vlastním originálním řešením. Naplňujeme tak postuláty tvořivé výuky. Rozvoj technické tvořivosti již na základní škole otevírá cesty k odhalení skrytých talentů a zvýšení technické gramotnosti vychovávané mládeže. [9]
2
1.2 Návaznosti elektroniky na RVP, možnosti zařazení do školního vzdělávacího programu V RVP (rámcově vzdělávací program) je problematika technického vzdělávání zařazena do vzdělávací oblasti „Člověk a svět práce“. Na druhém stupni je oblast Člověk a svět práce rozdělen do 8 tematických okruhů: Práce s technickými materiály. Design a konstruování. Pěstitelské práce a chovatelství. Provoz a údržba domácnosti. Příprava pokrmů. Práce s laboratorní technikou. Využití digitálních technologií. Svět práce. Vzdělání v této vzdělávací oblasti směřuje k utváření a rozvoji klíčových kompetencí žáků tím, že vede žáky: [8] K pozitivnímu vztahu k práci a odpovědnosti za kvalitu svých i společných výsledků práce. Osvojení základních pracovních dovedností a návyků různých pracovních oblastí. K organizaci a plánování práce a k používání vhodných nástrojů, nářadí a pomůcek při práci v běžném životě. K vytrvalosti a soustavnosti při plnění zadaných úkolů, k uplatňování tvořivosti a vlastních nápadů při pracovní činnosti a k vynakládání úsilí na dosažení kvalitního výsledku poznání. K chápání práce a pracovní činnosti jako příležitost k seberealizaci, a k rozvíjení tvůrčího myšlení.
Elektronika může být realizována i s ohledem ne mezipředmětové a vnitropředmětové vztahy v rámci tří tematických okruhů:
3
Design a konstruování. Práce s laboratorní technikou. Práce s technickými materiály.
1.3 Design a konstruování Jaké dovednosti si student osvojí: Žák sestaví podle návodu, náčrtu, plánu, jednoduchého programu daný model. Navrhne a sestaví jednoduché konstrukční prvky a ověří a porovnává jejich funkčnost, nosnost, stabilitu atd. Provádí montáž, demontáž a údržbu jednoduchých předmětů a zařízení. Dodržuje zásady bezpečnosti a hygieny práce a bezpečnostní předpisy, poskytne první pomoc při úrazu.
1.4 Návrh modelu přípravy učitele na výuku elektroniky Písemná příprava na výuku může být dobrovolná (obsahuje všechny podrobnosti, může být i několikastránková) nebo rámcová. Podrobnou přípravu používají zpravidla jen začínající učitelé. Běžná je rámcová, písemná příprava, kterou preferují zkušení učitelé a kterou doporučujeme. Neexistuje žádný předpis, jak by měla příprava na výuku vypadat. Její struktura závisí na mnoha činitelích (předmět, obor, typ školy, věk žáků, osobnost učitele, materiální zázemí školy) v literatuře najdete doporučení na její strukturu. (Pecina, Zormanová, 2009) V současné době se už i na základních školách začíná využívat přípravy pomocí Power Pointové prezentace. Pokud je technika na škole k dispozici, tak tento způsob vřele doporučuji. Může výuku zefektivnit a navíc jedna prezentace může posloužit vícekrát v různých třídách. Pokud je navíc k dispozici interaktivní tabule, je s její pomocí možné zadávat dětem rozmanité a zábavné úkoly. Doporučená struktura rámcové písemné přípravy na výuku elektrotechniky: Identifikační údaje: předmět, téma, ročník, číslo hodiny, třída, datum. Vzdělávací cíle, výchovná možnost. Orientační časový harmonogram hodiny. Vzdělávací obsah, učivo, které slouží k naplnění výukových cílů. Použité metody, prostředky a formy.
4
Úlohy pro žáky, materiály, metodické listy, texty, prezentace, výukové opory. Případný alternativní plán. Po výuce uvést zkušenosti z realizace hodiny. Orientační harmonogram hodiny: 1. zahájení hodiny, pozdrav zápis do třídní knihy (3-5 minut) 2. kontrola připravenosti žáků, opakování z minulé hodiny, diagnostika případných znalostí z fyziky. (10-15 minut) 3. expozice nové látky- Napětí, proud, odpor. (30-45 minut) 4. samostatná práce žáků- řešení úkolů. (10-15 minut) 5. zopakování látky, zadání domácího úkolu. (10minut) Časovou náročnost výše navrženého modelu výuky nelze snadno odhadnout. Předpokládám však, že při týdenní dotaci 1h praktických činností nebo popřípadě 2h jednou za čtrnáct dní jak je rozvedeno výše. Doporučuji teorii omezit na minimum a výuku realizovat z velké části na experimentální a praktické činnosti žáků. Tato činnost je pro žáky zajímavá a rádi se jí věnují. Většina základních pomůcek pro výuku elektroniky lze pořídit z běžného rozpočtu školy. Je třeba dbát na dodržování didaktických zásad, vše je třeba pokud možno maximálně zjednodušovat, uvádět jen nejnutnější informace. Je třeba si uvědomit, že pro učitele i pro běžného laika se mnoho poznatků může jevit jako jednoduché a banální. Ne však pro žáky základní školy. Pro žáky ZŠ je velmi abstraktní a obtížné pochopit i Ohmův zákon, či princip činnost základních součástek v elektronice. Co obsahuje příprava na hodinu elektroniky na ZŠ: Popsat plánování výuky z dlouhodobějšího i krátkodobějšího hlediska. Navrhnout (zopakovat) pilířová témata výuky elektroniky na druhém stupni ZŠ. Definovat obecná metodická doporučení na výuku elektroniky. Navrhnout strukturu písemné přípravy na výuku elektroniky. Vypracovat písemnou přípravu (metodický list pro učitele).
5
Ve výuce elektroniky používáme zejména reálné předměty: elektrické součástky (žárovky, objímky, rezistory, kondenzátory diody, integrované obvody, relé, triaky, atd.). Dále potom nepájivá a pájivá pole, reproduktory, držáky baterií, pojistky, baterie, elektrotechnické stavebnice. Dále pak katalogy součástek, přístroje a nářadí. Všechny pomůcky musí být schválené a vyhovovat bezpečnosti práce. V současné době neexistuje vhodná učebnice elektrotechniky pro základní školy. Proto je třeba si metodické materiály vypracovat. K tomuto účelu by měla sloužit i tato práce. Při přípravě výuky elektroniky postupujeme následovně: Dlouhodobé plánování (před začátkem školního roku) 1. Studium kurikulárních dokumentů, oblast člověk a svět práce, případně člověk a příroda (RVP, ŠVP). 2. Stanovení vyšších (obecnějších) cílů výuky elektroniky. 3. Didaktická analýza učiva, stanovení učebního obsahu (tematických celků, témat), který poslouží k plnění stanovených vyšších cílů, časové rozvržení učiva, případný plán mimoškolních akcí (exkurze, vycházky). 4. Rozvaha o učebních pomůckách, didaktické technice a vybavení učebny (laboratoře), příprava pomůcek. Krátkodobé (aktuální) plánování (probíhá průběžně celý školní rok před výukou s přiměřeným časovým předstihem) 1. Příprava na vyučovací jednotku (dvouhodinovku) obsahuje tyto činnosti: - Stanovení konkrétních výukových cílů. - Stanovení konkrétního časového obsahu. - volba metod, prostředků a forem, vypracování písemné přípravy, prezentace, zajištění vhodných podmínek pro výuku
6
1.1 Zařazení vzdělávacích cílů do tématu
Vzdělávací cíle:
Téma:
Žák definuje elektroniku jako vědní disciplínu. Vysvětlí její vztah k fyzice a Elektronika jako věda matematice. Žák objasní podstatu pojmů: el. napětí, zdroje el. Napětí, el. Proud, el. Odpor napíše značky veličin a uvede jejich Základní veličiny a jednotky používané jednotky. Následně vysvětlí podstatu v elektronice, Ohmův zákon Ohmova zákona a správně řeší úlohy na jeho aplikaci Žák nakreslí schematické značky těchto Vybrané součástky v elektrotechnice, součástek: rezistor, kondenzátor, dioda schematické značky a princip činnosti žárovka, zdroj napětí, integrovaný obvod Žák vysvětlí, které vybrané konstrukční Konstrukční součástky používané v součástky se v elektronice používají elektronice Žák popíše postup výroby plošného Plošné spoje a výroba plošných spojů spoje. fotochemickou cestou. Žák umí ovládat digitální altimetr. Měření základních veličin v elektronice, Pomocí altimetru umí změřit veličiny (v měření el. Napětí, proudu, odporu, jednoduchých obvodech nebo hodnoty přechodu PN. součástek). Žák umí správně a bezpečně ovládat páječku. Pomocí páječky a pájky zhotoví Pájení v elektronice pájený spoj ve vyhovující kvalitě Žák umí podle jednoduchého Návrh a realizace konstrukčního návodu vybrat součástky elektronické konstrukce. na konstrukci. Navrhnout vhodné řešení konstrukce umístění a krabičku.
jednoduché Mechanické
7
Do hodin elektroniky je třeba zařadit také tzv. relaxační chvilky, kdy se žáci protáhnou, projdou po třídě, nebo si zacvičí apod. Ve výuce elektroniky by neměla chybět exkurze na pracoviště, kde se elektronika vyrábí, nebo se s ní ve velké míře pracuje. Po české republice je velmi hustá síť firem zabývajících se touto tematikou. [9] Proces výuky probíhá ve fázích: Motivace - podměty, které vedou k zaujetí žáků problematikou (elektronikou). Expozice - všechny činnosti učitele a žáků směřující k zprostředkování nového učiva žákům. Fixace - upevňování získaných vědomostí a dovedností žáků. Diagnóza - zahrnuje všechny druhy diagnostikování (zkoušení, prověřování, hodnocení, známkování apod.) Aplikace – představuje vyvrcholení výuky. Dochází v ní k používání získaných vědomostí a dovedností v praktické činnosti, řešení nových praktických úloh, nebo problémových situací ze života. Používání vědomostí a dovedností v praxi se uskutečňuje v rovině teoretické i praktické. Fáze výuky člení proces výuky na určité sekvence. Mohou vystupovat jako relativně samostatné časové jednotky, většinou se však vzájemně prostupují nebo souběžně prolínají celý průběh procesu výuky. Ve výše uvedeném pořadí představují optimální sled jako odraz zákonitostí výukového procesu. Pro výuku elektroniky doporučuji prolínání motivační fáze a aplikační fáze do ostatních fází výuky. [9]
8
2 Nejčastější poranění a první pomoc při úrazu elektrickým proudem
Než se začneme zabývat samotným tématem, je důležité vždy seznámit žáky s bezpečností práce. S prací v blízkosti el. proudu to je dvakrát tak důležité. Neboť mladí studenti by mohli své ještě neúplné znalosti aplikovat na životu nebezpečném napětí 230V a tudíž je třeba vytrvale a průběžně studentům připomínat zásady bezpečnosti při práci s elektrickým proudem a první pomoci při poranění. Tyto informace jsou však velmi důležité i pro samotné pedagogy. Nyní uvedu účinky elektrického proudu na lidské tělo a zásady první pomoci při úrazu elektrickým proudem. Tyto informace může pedagog využít nejen ve škole, ale také na různých exkurzích, či školních výletech. Poranění elektrickým proudem je častým typem poranění, se kterým se můžeme setkat i na ulici, doma, kdekoliv ve městě, v práci, ale i v přírodě. Kombinuje několik typů poranění: 1. Poranění elektrické. 2. Poranění tepelné – popáleniny. 3. Poranění mechanické, které bývá druhotné (pád, exploze, křečovitý stah svalů). Pokud dojde k zástavě dýchání a oběhu, je nutné zahájit oživování s co nejmenší časovou prodlevou. V statistikách jsou nejvíce zastoupeni mladí muži, a co je zajímavé, profesionální elektrikáři. Ženy tyto profese vykonávají velmi vzácně, a proto jsou ve statistikách ohodnoceny menšími čísly. Druhé místo ve statistice co se týká úmrtnosti, patří dětem zejména okolo 12 let věku. Výjimkou však nejsou ani batolata a děti předškolního věku.
9
2.1 Jak působí elektrický proud na postiženého? Uplatňuje se dvojí mechanismus: 1. Přeměna elektrické energie na teplo a poškození tkání teplem. 2. Vliv elektrického proudu na buněčné membrány a změna jejich vlastností při průchodu elektrického proudu. Míra poškození závisí na fyzikálních a chemických faktorech, které nebudeme rozebírat. V podstatě můžeme účinky elektrického proudu na organismus rozdělit do tří skupin: 1. Působení stejnosměrného proudu organismus snáší poměrně dobře i při vyšších intenzitách. 2. Hůře je snášen proud střídavý, který je nebezpečný i při malém napětí. Srdce je nejcitlivější na frekvence 50 - 60 Hz, což je frekvence domácích síťových rozvodů. 3. Proud o vysokém napětí nad 1000 V může způsobit spíše rozsáhlé popáleniny a poškození vnitřních orgánů. Poškození se týká většinou více tělních systémů. Změny krevního oběhu jsou zejména při působení střídavého proudu a jsou vyjádřeny jako poruchy srdečního rytmu. V praxi se projeví velmi zrychleným nebo naopak zpomaleným pulsem či nepravidelným pulsem. Na dýchání se projeví křeč dýchacích svalů vyvolaná průchodem elektrického proudu přes hrudník, nebo zástava dechu po zástavě oběhu. Poškozen může být často i mozek. Poškození se projeví různým stupněm bezvědomí, křečemi, hluchotou, slepotou, poruchami hybnosti nebo čití. Poškození kostí nebo svalů je zpravidla způsobeno svalovým stahem při průchodu elektrickým proudem. Mohou se vyskytnout zlomeniny, poškození svalů, šlach, kloubů. Častou komplikací úrazu jsou popáleniny, které vznikají nejčastěji v kontaktu kůže s vodičem, nebo elektrickým obloukem, který provází úrazy elektrickým proudem s vysokým napětím a to i bez kontaktu postiženého s vodičem. Nejdůležitější je prevence!!!
10
Většině úrazů lze předejít. Zaměříme-li se na zmíněné rizikové skupiny je nutno zejména dodržovat bezpečnostní předpisy u zaměstnanců, kteří jakýmkoliv způsobem manipulují s elektrickou energií, s vodiči či elektrospotřebiči. Zaměstnavatel je povinen personál vyškolit a to nejen pro práci s přístroji, ale i v první pomoci, opatřit ochrannými pomůckami a bezpečnostním vybavením. Pedagogové by měli působit na děti a varovat je před nebezpečným jednáním, kterým mohou způsobit úraz nejen sobě. Zejména je nutné vést děti svým osobním příkladem, tzn. dodržovat zásady bezpečnosti i při manipulaci s přístroji ve škole. Je nutné mít na paměti, že častým místem smrtelného úrazu elektrickým proudem jsou sprchy a koupelny. Zejména pak společné sprchy v tělocvičnách, kde děti často nedbají na dostatek pozornosti při užívání elektronických zařízení (fén). Je proto nutné omezit používání elektrických spotřebičů při koupání nebo sprchování.
2.3 Jak postupovat při poskytování první pomoci? Zavolat odbornou pomoc. Zásadním úkolem je přerušit kontakt mezi postiženým a zdrojem elektrického proudu. V případě úrazu vysokým napětím je nutno vyčkat v bezpečné vzdálenosti tak dlouho, dokud není vypnut celý obvod. Za bezpečnou vzdálenost považujeme alespoň 10 m. Po vyproštění zahájíme neodkladně oživování. Prvotní je umělé dýchání, které by mělo být prováděno již během vyprošťování (transportu postiženého se stožáru vysokého napětí). Ale již nyní se diskutuje o tom, že umělé dýchání se brzy z první pomoci, kvůli ochraně vlastního zdraví, vyřadí. Ale nyní je to jedna ze základních metod, jak udržet postiženého při životě. U studentů základních škol se nemusíme tolik obávat nebezpečných nemocí, a proto bychom měli být připraveni tuto pomoc neodkladně poskytnout. Kontrola vědomí Kontrola dýchání - nedýchá - uvolníme dýchací cesty, eventuálně zahájíme umělé dýchání.
11
Kontrola tepu - nehmatný - zahájíme nepřímou srdeční masáž v kombinaci s umělým dýcháním v poměru 5:1. Snažíme se, aby se postiženému dostalo co nejdříve odborné pomoci. Pokud jsou zabezpečeny životní funkce, poskytneme první pomoc v případě popálenin, nebo jiných poranění. Je nutno mít na paměti, že úraz elektrickým proudem způsobí v organismu řadu změn, které nelze při prvním kontaktu s postiženým postihnout. V praxi to znamená, že i postižený, který je po úrazu elektrickým proudem při vědomí a relativně v pořádku je ohrožený selháním základních životních funkcí i po relativně delším časovém intervalu. Tyto postižené nepouštíme ze zřetele a v pravidelných časových intervalech je kontrolujeme (nejlépe po 1 minutě pokud lze)1 [14]
2.1 schéma podávání první pomoci
1
Podle české ústavy je občan povinen podat první pomoc dle svých možností a schopností.
12
3 Elektřina
Elektřina, jak všichni víme, může pohánět obrovské elektromotory v lokomotivě, vařit vodu v rychlovarné konvici, vykreslit na obrazovku nejrůznější obrazy, tavit ocel, rozsvítit celé město, nebo vypočítat s přesností na 100 000 desetinných míst √2369 a spoustu dalších věcí.
1.
3.1 Planetární model atomu
3.2 Rutherfordův model atomu
vlastně elektřina je? Abychom to pochopili, musíme se obrátit na vědu elektronice úzce spojenou- fyziku. Veškerá hmota, jak fyzikové zjistili, je složená z atomů, atomy jsou tak malé (asi 1/10 000 000nm), že ani pomocí nejlepších mikroskopů je nemůžeme spatřit. Jejich obrovské množství v prostoru vytváří hmotu našeho okolí i nás samotné. Atomy dávají základ všem typům látek- pevným, kapalným i plynným- podle toho, jak pevně atomy drží u sebe. Ale i atom sám se dá ještě dále dělit na menší části. Jsou to částice o různých elektrických nábojích- protony, které nesou kladný elektrický náboj, neutrony, které jsou elektricky neutrální, ty tvoří jádro atomu. A nakonec kolem jádra obíhají elektrony se záporným elektrickým nábojem. Tímto způsobem vytvářejí jakýsi obal kolem jádra atomu. Obrázek 3.1 ukazuje, že atomy obíhají kolem jádra jako planety naší sluneční soustavy kolem Slunce. Počet elektronů se vždy rovná počtu protonů. Každý proton přitahuje jeden elektron, stejně tak, jako Slunce přitahuje svých 10 planet. [11]
13
3.1 Volné elektrony Jak je vidět na obrázku 3.1 elektrony obíhají kolem jádra v různých vzdálenostech. Můžeme tyto vzdálenosti nazvat slupky. A protože elektrony v poslední slupce již nejsou přitahovány jádrem dostatečně silně, mohou tyto elektrony například obíhat kolem dvou atomů, čímž je spojí. Tak vznikají chemické vazby. Elektrony však mohou své místo v poslední slupce zcela opustit a pohybovat se volně od atomu k atomu. Takovým elektronům říkáme volné elektrony. Látky, ve kterých se vyskytují volné elektrony, se nazývají vodiče (jsou elektricky vodivé). Mezi vodiče patři například železo, měď či zlato a stříbro. Chaotický pohyb elektronů ve vodiči se však dá z vnějšku ovlivnit. Jestliže se na začátek měděného drátu připojí záporný elektrický náboj, což reprezentuje například minusový pól baterie, a na konec vodiče kladný náboj (plusový pól baterie), dojde k pohybu volných elektronů. Elektrony jsou přitahovány
-
+
3.3 Elektrony ve vodiči po připojení na elektrické napětí
kladným pólem a záporným jsou „tlačeny“. Tomuto pohybu elektronů v elektrickém vodiči se říká elektrický proud (obr 3.3). Rychlost elektronů, tedy počet elektronů, který projde průřezem (místem v bodě B) za časovou jednotku (1s) se nazývá intenzita proudu. Měří se v ampérech (značka A). Aby však proud mohl protékat obvodem, nesmí být obvod na žádném místě přerušen. Elektrony musí téct od záporného pólu ke kladnému. Síla, která pohybuje elektrony, je závislá na náboji, který elektrony přitahuje, případně odpuzuje. Nejpřesněji řečeno, je závislá na rozdílu mezi silami náboje (potenciály) na začátku a konci drátu. Tento rozdíl se nazývá elektrickým napětím.
14
Představme si kuličku, která se kutálí z kopce. Sklon svahu může být porovnán s elektrickým napětím. Čím větší je výškový rozdíl mezi A a C (napětí) tím rychleji se kulička (elektron) pohybuje. Samotná výška kopce je bezvýznamná. Neboť stejně jako výškový rozdíl se určuje mezi dvěma místy (A a C) tak i napětí lze měřit pouze mezi dvěma body v elektrickém obvodu. Napětí se měří ve voltech (V). [11]
Shrnutí 1. kapitoly proud se definuje, jako označuje pohyb záporně nabitých nábojů (elektronů) do vzorců se zapisuje velkým písmenem I a jeho jednotkou je 1A (ampér). Proud protéká pouze elektricky vodivými materiály tzv. elektrickými vodiči. Elektrický proud protéká jen uzavřeným proudovým obvodem.
3.2 Elektronické stavebnice
Pro ještě efektivnější výuku doporučuji obstarat do laboratoře elektronické stavebnice. Vhodná je například stavebnice Voltík. Z hlediska učitele a žáka mají stavebnice nesporné výhody při výuce elektrotechniky. Pro žáky zejména mladšího věku, či pro dívky může být pájení trafo páječkou příliš obtížné a méně názorné, než je tomu u stavebnic. O stavebnicích je dobré se zmínit, před praktickým úkolem, aby pedagog zvážil, zda mu bude více vyhovovat výuka s pomocí stavebnic, nebo bez nich. Nyní uvedu několik výhod užití stavebnic ve škole.
3.4 analogie elektrické energie
15
3.1 výhody stavebnic
Z hlediska učitele
Z hlediska žáka
Stavebnice podporují učení aktivní činnosti, kde tak vytvářejí protiváhu pasivní percepci, pravě tak umožňuji vnášeni herních aktivit do výuky (Dostal, 2005, s. 6). Stavebnice je pomůckou podporující kreativitu žáků. To, že jsou žáci nuceni řešit zadaný technicky problém, je nutí aktivizovat všechny osvojené poznatky a uvádět je do nových souvislosti.
Žáci jsou aktivní, mají motivaci pracovat a při činnosti u nich vzniká emocionální prožitek, který usnadňuje a urychluje učební proces.
Stavebnice vytvářejí společný jazyk mezi edukátorem a edukanty
Stavebnice vytvářejí společnou bázi pro komunikaci nejen mezi žákem a učitelem, ale i mezi žáky mezi sebou (diskuse o společném odborném problému, výměna součástek, zkušenosti). Tím, že žáci pracují v malých skupinách, je atmosféra ve vyučování uvolněnější, žáci mají možnost spolu volně komunikovat, vyměňovat si zkušenosti apod.
Výuka není řízena frontálně, žáci pracují obvykle v malých skupinách.
Stavebnice umožňuje nácvik a automatizaci určitých pracovních činnosti. Automatizace pracovních činnosti by však neměla vest k setrvačnosti a bezmyšlenkovému prováděni určitých činnosti.
Stavebnice poskytuje učiteli zpětnou vazbu z hlediska toho, zda si žáci osvojili určitou praktickou dovednost.
Stavebnice je pomůckou, díky které žák může a musí tvořit. To, že Žáci musí o problému přemýšlet a aktivně se podílet na realizaci řešeni, pro ně činí vyučovaní zajímavým, nově získané poznatky jsou názorně a proto trvalejší.
Pokud se žák se stavebnici dobře seznámí, dokáže s ní posléze dobře a rychle pracovat. To se však může stát i určitou nevýhodou v případě, že žák spoléhá například na určité rozmístěni součástek, a že pouze slepě sestavuje na základě zadání bez neustálého ověřovaní správnosti svého počínaní. Stavebnice poskytuje žákovi okamžitou zpětnou vazbu z hlediska osvojeni určité praktické dovednosti.
16
Jako hlavní nevýhody stavebnic bych uvedl Nevyváženost náročnosti určitých stavebnic (zatímco žáci nižších ročníků mají při práci se stavebnicí velké obtíže způsobené ještě nedostatečnou teoretickou připravenosti, žáci vyšších ročníků naopak považují práci se stavebnicí za primitivní a jednoduchou). Oba tyto aspekty představuji velkou náročnost pro učitele z hlediska přípravy výuky (na jedné straně učitel naráží při koncipování úloh pro práci se stavebnicí na prozatím nedostatečné teoretické poznatky žáků, které brání realizaci řadě úloh pomoci stavebnice, na straně druhé musí naopak pro žáky vyšších ročníků připravit velké množství tak, aby naplnily celý vyučovací blok). Jako další nevýhodu bych viděl v tom, že součásti elektrotechnických stavebnic ne vždy odpovídají reálné podobě těchto součástí používaných v běžně praxi (například doporučena barva vodičů používaných v elektrotechnice pro určité způsoby zapojení dle Vyhlášky 50 78 sb. není shodná s barvami těchto vodičů ve stavebnici). Tato skutečnost může byt pro žáky matoucí a z hlediska pozdější praxe i nebezpečna. Mezi další nevýhody patří například vysoká pořizovací cena stavebnice, která se pohybuje řádově v tisícikorunách. [1]
3.3 1. Praktický úkol Téměř všechny zde uvedené pomůcky budeme potřebovat ve všech dalších úkolech. Přibude k nim vždy jen ta část, se kterou je v úkolu pracováno (rezistor, dioda).
Zdroj, baterii 4,5V (nebo 3x baterii typu AA-1.5V) Tři propojovací kabely (dva červené a dva modré).
Vypínač, nebo tlačítko.
Žárovku na napětí 4,5V.
Voltmetr.
17
Ampérmetr. Protože elektrotechnici nechtějí kreslit složité a nepřehledné obrázky jejich zapojení, používají jednodušší zakreslovaní tzv. schémat zapojení. Značky, které budeme
3.5 schéma zapojení
3.6 skutečné zapojení
potřebovat pro náš první úkol, jsou zakresleny výše. Jak pak schéma vypadá je vidět na například na obrázku 3.5. Skutečné zapojení obvodu je znázorněno na obr 3.6.
Pracovní postup Na záporný pól baterie napájíme jeden konec modrého drátu. Druhý konec připájíme na závit žárovky. Na kolíček žárovky napájíme 1 konec červeného drátu a druhý konec zapájíme na vypínač (tlačítko). Dalším drátem propojíme zbytek obvodu tak, aby byl obvod uzavřený- z druhého výstupu vypínače připojíme drát ke kladnému pólu baterie. Při tomto cvičení jde v prvé řadě o to, aby se žáci naučili pracovat s páječkou a osvojili si teoretické znalosti. Ve slaboproudé elektronice se propojuje červeným drátem od kladného pólu zdroje ke spotřebiči. Na připojení záporného pólu používáme drát modrý. Pokud nepoužíváme páječku, doporučuji využít nepájivé pole. Zde je nutno děti upozornit, že u domovních rozvodů je barevné značení jiné. Hnědou barvou je vedená fáze, modrou reprezentuje nulový vodič a zeleno-žlutý vodič slouží jako ochranný.
18
4 Proud, napětí, odpor, kapacita Na obvodu (obr 4.1,4.2) si lze poprvé vyzkoušet i základní měření proudu a napětí. Proud se měří tak, že ampérmetr zapojíme do série (za) měřenou součástku. Napětí se pak měří tak, že voltmetr připojíme paralelně (vedle) k měřené součástce. Jak je naznačeno na obrázku 4.1 a 4.2. Pokud na měření používáme altimetr, je třeba dbát na jeho správné nastavení. Při tomto zapojení (obr 4.1,4.2) lze žárovku nahradit obyčejným rezistorem a vysvětlit dětem, že
4.1 schéma zapojení ampérmetr
4.2 schéma zapojení voltmetr
žárovka je vlastně jen odpor, který mění elektrickou energii nejen na teplo (jak je tomu u rezistorů) ale také na světlo. O vlastnostech odporu se dozvíme více v další kapitole.
4.1 Elektrický odpor
Elektrický odpor má každý materiál. Elektrické vodiče ho mají však několikanásobně menší než izolanty, proto jimi může elektrický proud protékat. Měrný odpor (rezistivita) je charakteristickou vlastností vodiče. Závisí na materiálu a rozměrech. Různé materiály kladou pohybu elektronů různě velký odpor. Odpor vodiče, jehož průřez S je konstantní, je přímo úměrný délce vodiče l a nepřímo úměrný průřezu S. Do vzorců jej dosazujeme pod písmenem R a číselné hodnoty jsou udávány v OHMECH, které se značí řeckým písmenem Ω. Odpor vodiče R=ρ*l/S (Ω) ρ- měrný odpor, l - délka vodiče, S - průřez vodiče, Ω-elektrický odpor. K výpočtu lze také použít
19
Ohmova zákona
, kde U je napětí na koncích vodiče a I je proud procházející
vodičem. [11] Ohmův zákon formuloval již v 19. Století Georg Simon Ohm a slovně se dá formulovat takto: protéká-li odporem R proud I, dojde k úbytku napětí U, který je roven násobku proudu a odporu. U=I*R. tedy 1Ω=1V/1A Protože ve složitějších obvodech potřebujeme upravovat hodnoty proudu a napětí, používá se k tomu účelu součástka, která se nazývá rezistor. Rezistor si můžeme představit jako velmi tenký drát určitého odporu
4.3 schematická značka odporu
4.4 rezistory
stočený do válečku a zalit v pouzdře (obr. 4.4). Takové rezistory se pak vyrábějí v tzv. řadách. Řady jsou normované hodnoty rezistorů, které se dají koupit v obchodech. Byly vytvořeny z důvodů sjednocení jejich hodnot. Jejich jmenovité hodnoty se pak uvádějí v podobě barevných proužků na pouzdře rezistoru (obr. 4.5). To jak je rezistor vyroben reprezentuje spíše jeho americké značení, u nás se však používá jeho evropský ekvivalent (obr. 4.3) Pokud si chceme přirovnat vztah elektrického odporu, proudu a napětí něčím známým v přírodě, stačí se zamyslet nad proudem vody v potůčku, který je přehrazen a jediné místo, kudy může voda odtékat je úzká trubka. Pokud takto uvažujeme, je průměr roury ekvivalentní s velikostí odporu. To, jaký je v trubce tlak, nebo taky jak daleko voda bude z trubky vytékat (síla proudu), je srovnatelné s elektrickým napětím. Kolik vody stihne protéct v trubce za určitý čas, je možno přirovnat k elektrickému proudu. Tyto tři veličiny, jak jde vidět z Ohmova zákonu, jsou
20
. 4.5 barevné značení rezistorů
na sobě závislé. Máme-li jen úzkou trubičku, proteče ji za stejného tlaku (napětí) polovina objemu vody (proudu), jak trubičkou s 2x větším průřezem (2x menším odporem), neboť odpor ve vodiči je nepřímo měrný jeho průřezu jak jde vidět ze vzorce R=ρ*l/S. Různý měrný elektrický odpor každého materiálu se pak dá přirovnat k tomu, jako kdybychom do roury nacpali vatu, nebo písek. Rourou by sice proud tekl, ale mnohem obtížněji, jež kdyby tam žádná překážka nebyla (železo je horší vodič jak měď). Délku trubky zde uvažujeme ve všech případech stejnou (např: 1m). Jelikož se odpory vyskytují v každém elektronickém zapojení, jako například omezovače proudu, či děliče napětí, je nutno procvičit si základní principy jejich zapojování.
4.2 Zapojení rezistorů Zapojení rezistorů se dá uskutečnit dvěma základními způsoby. Sériově a paralelně. Kombinací těchto dvou způsobu zapojení vznikne tzv. sériově-paralelní zapojení. Rezistory se takto zapojují protože, se v praxi nevyrábějí všechny hodnoty rezistorů (viz řady rezistorů). Pokud zapojujeme rezistory sériově, výsledný odpor určíme velmi jednoduše. Sečteme jednotlivé hodnoty rezistorů. Celkový odpor tedy vypočítáme pomocí vztahu R=R1+R2+…Rn. tento vztah vychází z toho, že všemi rezistory poteče stejný proud. Pokud ale zapojíme rezistory paralelně (vedle sebe) musíme použít vztah
1/R=1/R1+1/R2+1/R3+...1/Rn.
21
4.5 Rezistory sériově, paralelně
4.6 potenciometr
Někdy používáme tzv. zvláštní rezistory. Liší se buďto provedením, nebo vlastnostmi. Jako zvláštní rezistor se pak uvádí potenciometr- jeho hodnota odporu je nastavitelná tzv. jezdcem po odporové dráze. Dále se využívá rezistorů, jako je například termistor (rezistor měnící svůj odpor v závislosti na teplotě), nebo fotorezistor (rezistor měnící svůj odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího světla. Tyto odpory mají své využití například pro měření teploty a slunečního záření ve speciálních měřících systémech na počasí.
Shrnutí
Ohmův zákon je vyjádřen vztahem
.
Ampérmetr zapojujeme do série (za měřený odpor). Voltmetr zapojujeme paralelně k měřenému odporu. Pro rezistory v sérii platí: R=R1+R2+…Rn . Pro rezistory zapojené paralelně platí :1/R=1/R1+1/R2+1/R3+...1/Rn.
22
4.3 2. Praktický úkol
4.7 různá zapojení při měření
Zapojte více rezistorů sériově a paralelně a měřte na jednotlivých odporech a vzápětí i na dvou a více odporech napětí a proud v jednotlivých větvích odporů. Vše ověřte početní metodou pomocí Ohmova zákonu. Nejprve zapojíme obvod podle schématu a postupně zapisujeme hodnoty a ověřujeme početně. Vzhledem k nepřesnosti měřících přístrojů, či součástek, které jsou dány v závislosti na nedokonalosti přístrojů a vlivem okolí (teplota, vlhkost) se můžou výsledky z výpočtu nepatrně lišit od naměřených hodnot. K úkolu budeme potřebovat: Kabely. Voltmetr. Ampérmetr. zdroj napětí 4,5V.
23
2x rezistor 100Ω, 220Ω. potenciometr 0-300Ω. (Zapojíme obvody postupně podle obrázku 4.7 a provádíme měření. Každé měření ověříme výpočtem. Je nutno poukázat na skutečnost, že když máme rezistory zapojeny sériově, proud teče oběma stejně velký, ale napájecí napětí se rozdělí na každý rezistor. Máme-li rezistory zapojeny vedle sebe, je na obou rezistorech stejné napětí, ale dělí se proud. Při měření obvodu podle schéma můžeme buď použít tři ampérmetry, nebo je zapojovat postupně jeden po druhém. To, jak se mění proud a napětí v závislosti na velikosti odporu si procvičíme na posledním zapojení na obrázku č. 4.7. Zapojíme obvody postupně podle obrázku 4.7 a provádíme měření. Naměřené hodnoty si žáci zapíší do připravení tabulky. Tabulka bude obsahovat vždy napájecí napětí (4,5V- plochá baterie, nebo 4 tužkové baterie typu AAA zapojené v sérii), hodnotu daného odporu a naměřený proud, či napětí na jednotlivých rezistorech, jak je znázorněno na obrázcích výše. Hodnoty odporů může pedagog volit různou, pro každou skupinu (dvojici). Doporučuji se pohybovat v hodnotách do 50Ω a to kvůli názornosti. Každé měření ověříme výpočtem. Je nutno poukázat na skutečnost, že když máme rezistory zapojeny sériově, proud teče oběma stejně velký, ale napájecí napětí se rozdělí na každý rezistor. Máme-li rezistory zapojeny vedle sebe, je na obou rezistorech stejné napětí, ale dělí se proud. To jak se mění proud a napětí v závislosti na velikosti odporu si procvičíme na zapojení podle obrázku 19.
4.4 Kondenzátor Kondenzátor je elektronická součástka schopná dočasně udržet elektrický náboj. To, jak velký elektrický náboj je schopen kondenzátor udržet nazýváme kapacitou
4.8 značka obyčejného a elektrolytického kondenzátoru
24
kondenzátoru. Kondenzátory se vyrábějí na maximální povolené napětí. Na to musíme pamatovat při konstrukci elektronických obvodů. Mluvíme-li o kondenzátoru bez jeho parazitních vlastností, kterými jsou např. jeho vnitřní odpor, nazýváme jej kapacitor. Kapacita se do vzorců zapisuje velkým písmenem C a jednotkou je Farad (F). Běžné kondenzátory mají rozdílné schematické značení od elektrolytických. I když je jejich princip stejný, jsou elektrolytické kondenzátory značeny jinak (obr. 4.8), protože je nutno zachovat správnou elektrickou polaritu. Proto se dají využít pouze ve stejnosměrných obvodech. Ve schématech je nutno je od obyčejných (svitkových, či keramických) rozlišit. Nyní si povíme blíže, jak Kondenzátor funguje. Abychom správně pochopili, jak kondenzátor funguje, je třeba se dozvědět něco více o elektrických vlastnostech izolantů. Ve vodičích jsou nabité částice volně pohyblivé, takže uvnitř vodiče nemůže existovat samostatné elektrické pole (elektrický potenciál v blízkosti elektrického zdroje energie, je přítomno napětí, avšak proud je nulový). Naproti tomu v nevodičích- izolantech jsou nabité částice vázány na pevné místo. Nevyskytují se zde žádné volné elektrony, které by mohly vést elektrický proud. Proto nepomůže ani elektrické napětí k tomu, aby se elektrony v izolantech daly do pohybu.
4.9 atom vodíku bez a s působením elektrického pole
4.10 dipól
Díky tomu, že jsou elektrony vázány k svým jádrům, může zde existovat tzv. Elektrické pole a z toho důvodu se izolanty nazývají dielektrika. Dielektrika obsahují stejně jako kovy velké množství nabitých částic, avšak navenek se jeví jako elektricky neutrální. Elektrické náboje atomů izolantu, který není místěn v elektrostatickém poli, jsou symetricky uspořádány a nejsou proto zdroji vlastního el. Pole. Kladná jádra a záporné obaly atomů však nejsou v atomech pevně vázány. Vlivem vnějšího elektrického pole se náboje jednotlivých atomů posunují. Kladné náboje se posunují k zápornému a záporné ke kladnému zdroji elektrického pole. Atomy izolantu se uskupují do tzv.
25
dipólů. Na obrázku 4.9 je elektricky neutrální atom vodíku a na obr. 4.10 je tentýž atom, ve kterém vlivem elektrického pole nastalo posunutí nábojů. Tak se stane atom dipólem (atom kde se dá rozlišit na které straně je kladný a na které je záporný elektrický náboj). Tento jev se také nazývá atomová polarizace. [2] Protože má každý izolant trochu jiné vlastnosti, ne všechny jsou vhodné pro výrobu kondenzátorů. Pro výrobu kondenzátoru používáme ty, jejichž poměrná permitivita je co největší. Je bezrozměrné číslo, které se dá vyhledat ve fyzikálních tabulkách a udává kolikrát je permitivita látky větší, než permitivita vakua, přičemž platí, že čím větší permitivita je, tím snadněji se mění atomy v dipóly. Permitivita je proto číslo bezrozměrné a značí se řeckým písmenem ξr (epsilon). Dá říci, že kondenzátor je jakýsi akumulační prvek, který se dá nabít el. Proudem a později tento proud opět odebrat. Nejlépe jeho funkčnost ověříme na praktickém úkolu. [11]
4.5 3. praktický úkol
4.11 zapojení s elektrolytickým kondenzátorem
Nabíjíme elektrolytický kondenzátor z ploché baterie. Do kondenzátoru přitéká proud I, který však není spotřebováván, ale „uchován“. Jak bylo řečeno výše, a jak je znázorněno na obrázku 4.11, je nutno zachovat v zapojení správnou polaritu! Záporný pól poznáme tak, že vývod je spojen s hliníkovým obalem. Zatímco nabíjecí proud přitéká do kondenzátoru napětí naměřené na něm stoupá, dokud se nerovná napájecímu napětí. Pro měření je názornější použít ručičkový voltmetr. Studenti můžou volit různou hodnotu kondenzátorů, doporučuji volit hodnoty řádově tisíce µF a jejich
26
pracovní napětí 4x větší než je napětí napájecí. Poté, co je napětí na kondenzátoru rovno napájecímu napětí, odpojíme baterii a zkratujeme vývody. Nyní se kondenzátor vybíjí přes odpor R1. V tomto úkole by učitel měl vždy před vlastním měřením zkontrolovat správnou polaritu zapojených kondenzátoru v obvodu, aby nedošlo k jeho zničení, popřípadě zranění žáků, nebo kondenzátory vsadit do ochranného krytu.
5 Polovodiče Polovodiče jsou pevné látky, které jsou za určitých okolností vodiči a za jiných okolností izolanty. Nejdůležitějšími polovodiči jsou Si, Ge, B, C. Většinou se jedná o prvky ze čtvrté skupiny periodické soustavy prvků.
Fyzikální podmínky ovlivňující vodivost polovodičů
5.1 závislost odporu polovodiče na teplotě
1) Teplota – odpor čistého polovodiče s rostoucí teplotou klesá (obr 5.1). Této závislosti se využívá v termistorech. charakteristika a schematická značka termistoru NTC 2) Osvětlení nebo jiné elektromagnetické záření – osvětlený polovodič má lepší vodivost (fotorezistory, fotobuňky). 3) Tlak – (tenzometry) – součástka reagující na změny tlaku např. zatížení v elektronické váze.
27
Polovodičem je zejména křemík s velkou čistotou (99,99999%). V čistém polovodiči je elektrický proud veden zápornými volnými elektrony a kladnými dírami.
5.1 Vodivost polovodičů 1) ELEKTRONOVÁ – zvýšením teploty se uvolní elektron z vazby. Jedná se o polovodič typu N, který má elektronovou vodivost. Přidáním pětimocné příměsi do křemíkového krystalu se zvýší počet volných elektronů – vznikne polovodič typu N. 2) DĚROVÁ – na místech chybějícího elektronu vznikne prázdné místo, díra, která se chová jako kladná částice. Jedná se o polovodič typu P, který má děrovou vodivost. Přidáním trojmocné příměsi se zvýší počet děr– vznikne polovodič typu P. Aby bylo v polovodiči více elektronů a děr, používají se tzv. přiměsi.
5.2 polovodič typu N
5.3 polovodič typu P
5.2 Příměsová vodivost polovodičů typu P, N
Příměsi z V. skupiny periodické soustavy prvků. Fosfor způsobí přebytek elektronů ve vazbě – negativní, elektronovou vodivost typu N. Příměsi z III. Skupiny způsobí nedostatek elektronů – prázdné místo, díru, která se chová jako pozitivní, kladný náboj typu P.
Využití polovodičů
28
Spojením polovodiče typu P a N vznikne polovodičová dioda. Diodou prochází proud jen jedním směrem.
5.3 PN přechod Vzniká spojením vrstev s vodivostí P a N; má tu vlastnost, že umožní průchod proudu jen jedním směrem – propustný směr. Je-li kladný pól zdroje napětí připojen k polovodiči typu N, proud PN přechodem neprotéká. Přechod je zapojen v závěrném směru.
5.4 PN přechod
5.5 PN přechod v závěrném a propustném směru
Je-li kladný pól zdroje napětí připojen k polovodiči typu P, proud přechodem protéká. Přechod je zapojen v propustném směru. (na katodu –, na anodu +)
5.4 Polovodičové diody a světlo Na osvětleném PN přechodu vzniká elektrické napětí. Fotodioda = speciální dioda, která umožní osvětlení PN přechodu. Fotodioda mění světelnou energii na elektrickou. Fotodiodám s velkou plochou přechodu se říká 29
sluneční články. Sluneční články se spojují do slunečních baterií. Sluneční články a baterie mají malou účinnost. Křemíkové články mají 20% až 30% účinnost. Sluneční baterie poskytují významnou energii jen při osvětlení sluncem, musí se vyrobená energie uschovávat (akumulovat). (Arsenid galitý, fosfid galitý, karbid křemíku) umožňují opačnou přeměnu – elektrická energie se přeměňuje na světelnou. Elektroluminiscenční dioda (neboli svítivá dioda) – umožňuje přeměnu elektrické energie na světelnou. Anglická zkratka LED (Light-emitting diode)
5.6 fotodioda jako zdroj proudu
5.7 schematická značka diody
5.5 Základy LED Nejdříve si ve zkratce vysvětlíme, jak taková dioda funguje. Poté se podíváme na princip rozeznání anody a katody. LED je polovodičová součástka, která je tvořena přechodem PN. Pokud tento přechod zapojíme v propustném směru, kde na polovodič typu P přivedeme kladnější napětí než na polovodič typu N, začnou z této oblasti do oblasti P přecházet elektrony. Elektrony v P se začnou rekombinovat s volnými dírami, které prvek P obsahuje. Touto rekombinací se uvolňuje energie v podobě fotonů, které tvoří světlo. Princip je ve skutečnosti mnohem složitější. Velkou roli hraje složení PN přechodu.
30
5.8 schematická značka LED
5.9 různé typy svítivé (LED) diody
Dioda má dva vývody - anodu a katodu. Na anodu připojujeme kladnější pól zdroje, na katodu zápornější. Poznáme je tak, že u nově zakoupených LED se délka výstupních nožiček liší (obr. 29). Kratší nožička je vždy katoda. Ale co když například LED vypájíme z desky plošných spojů a nožičky jsou stejně dlouhé? U kulatého pouzdra je základna u jedné nožičky, jakoby upilována. Toto označení je opět vždy u katody. U speciálních LED je k rozeznání potřeba katalog, nebo musíme led změřit malým napětím. Nejvhodnější je k tomu použít multimetr přepnutý na měření diod.
Výpočet předřadného odporu LED:
Jelikož po otevření PN přechodu teče diodou příliš velký proud (má velmi malý vnitřní odpor) musíme před ní do obvodu zapojit tzv. předřadný odpor, který nám sníží protékající proud na ideální hodnotu (0.02A). Co je potřeba znát před výpočtem: proud LED napětí na LED napětí zdroje Proud LED:
31
Lze vyčíst z katalogu. U standardních LED je většinou roven 20 mA. Napětí na LED: I když se u některých výrobců může napětí na LED lišit, pro školní potřeby lze použít tuto tabulku: Napětí v tabulce je při proudu 20 mA. 5.1 napájecí napětí LED
Infračervená 1.6 V
Zelená
2.6 V
Červená
1.9 V
Modrá
3.5 V
Oranžová
2.2 V
Bílá
3.5 V
Žlutá
2.4 V
Ultrafialová 3.5 V
Obecný tvar rovnice pro výpočet: Na předřadném odporu vzniká procházejícím proudem úbytek napětí. Tento úbytek musí vyhovovat následující rovnici, kde: UR=R * ILED Uzdroje = UR + ULED Díky tomu po úpravě dostaneme vzorec pro výpočet předřadného odporu. Po vypočtení je potřeba si najít nejbližší vyšší vyráběný odpor, nebo je možné požadovaný odpor složit z více odporů různých hodnot.
3
32
5.6 4. praktický úkol simulujte s dětmi situaci:
5.10 zapojení s LED
Chceme zapojit červenou LED diodu. Máme k dispozici napájecí napětí 4,5V (plochá baterie). Ideální prou procházející diodou LED je 20 mA a napětí na přechodu 1.9 V.
Dosadíme tedy do vzorce: Z řady rezistorů vybereme buďto stejnou hodnotu, nebo nejbližší vyšší. V našem případě můžeme zvolit z řady E24 přesnou hodnotu 130Ω. Z řad nižších by to pak byla hodnota 150Ω.
5.7 Polovodičové lasery – speciální svtivé diody vydávající intenzivní světlo v úzkém svazku. Polovodičový laser je např. v laserovém ukazovátku, zabudován v ovladači dataprojektoru, umožňuje číst informace z optických disků v CD přehrávači, DVD přehrávači a v počítačích.
33
Používají se k vytyčení přímého směru: laserové vodováhy, doplňky obráběcích strojů.
5.8 Tranzistor a integrované spoje Nejnápadnějším rozdílem, oproti konstrukčním prvkům, kterými jsme se doposud zabývali, je to, že tyto prvky mají tři vývody. Tranzistor je polovodičová součástka, která se od diody liší tím, že namísto jednoho přechodu (anoda, katoda), má PN přechody dva. Tranzistor se dá využít ve dvou základních zapojeních. Jako spínač a jako zesilovač. V obou dvou případech se využívá vlastnosti tranzistoru, a to zesílení. Jinými slovy, malým vstupním proudem (signálem) můžeme regulovat proud velký. [11]
5.11 tranzistor NPN a PNP
Spínání tranzistorem Tranzistor řízený polem je polovodičová součástka, která dokáže velmi rychle spínat elektrický obvod. Spínání se dosáhne napětím na elektrodě, která je izolována. Energie potřebná k sepnutí je proto zanedbatelná. Tranzistor dokáže sepnout a vypnout obvod více než miliardkrát za sekundu. Desítky milionů takových tranzistorů jsou v počítači.
Tranzistor jako zesilovač Tranzistor má 3 vrstvy a 3 vývody. B – báze E - emitor C - kolektor 34
Mosfet tranzistor – báze napájená elektrickým polem (+, -). Tranzistor má dva stavy: proud prochází, stav 1 proud neprochází, stav 0
5.12 Zapojení tranzistoru
Použití jako spínač (změna stavu až 109 x za sekundu), nebo jako paměťové prvky ve fotoaparátech, v CCD, v elektronických pamětech). Bipolární tranzistor – zesilovací Bipolární tranzistor má dva PN přechody. Existují proto tranzistory NPN a PNP. Byl objevený před spínacími tranzistory. Báze je napájena menšími napětími, která ovlivňují průchod větších proudů mezi emitorem a kolektorem (10 – 10 000 větší). Proudový zesilovací činitel ( β ) je u různých tranzistorů v rozmezí od 10 do 1000. Tranzistor jako zesilovač: β = Ic/Ib ; β je proudový zesilovací činitel, Ic je proud procházející kolektorem a Ib proud procházející bází. Nastavením pracovního bodu tranzistoru se zde zabývat nebudeme, neboť učivo spadá do osnov středních škol. Rámcově by se dalo říci, že se postupuje podobně, jako u
35
výpočtu předřadného odporu u diody. Ale vstupují do něj další parametry, jako je proudové zesílení. Vrstvené integrované obvody – jsou součástky, které v jednom pouzdře obsahují velké množství vodičů, rezistorů, kondenzátorů, diod a tranzistorů. Protože integrují složité obvody do jedné součástky, říká se jim integrované obvody (IO). Všechny součástky a vodiče jsou integrovány na tenkou destičku monokrystalu křemíku. To jim umožňuje integrovat obrovské množství (miliony) elektronických prvků integrovat na velmi malou plochu. Integrované obvody může reprezentovat obvod 555, který se v zapojeních využívá již více jak 30 let. [11]
5.13 integrovaný obvod 555
5.9 Závěrečný úkol
Jakmile žáci splní předchozí úkoly, je možné přistoupit k úkolu závěrečnému. Pro tento účel nám poslouží jednoduché zapojení, tzv. blikač. Pro konstrukci potřebujeme. Rezistory: R1, R2-1MΩ; R3, R4-200Ω Kondenzátory: C1,C2- 1uF; C3- 47uF; C4 10nF Diody: D1, D2- LED; D3- A100 Integrovaný obvod: TS555CN Vypínač: SW1
36
5.14 schéma zapojení- blikač [9]
5.9.1 Výroba plošných spojů fotocestou ve školních podmínkách
5.15 návrh plošného spoje
5.16 osazovací plán
Nyní se zaměříme na výrobu plošných spojů fotocelou. Na toto téma je i na internetu mnoho
velmi
podobných
návodů,
například
na
stránkách:
www.mlab.cz,
ww.georgeb.wz.cz/dps.htm, nebo www.pira.cz/dps.htm. 1) Nejdříve je potřeba si připravit matrici s obrazcem plošného spoje. K tomu nám poslouží program Eagle (verze 4.16), nebo jako v mém případě program LSD 2000. Pro začátečníky však doporučuji program Eagle. Lze také zakoupit knihu zakoupit knihu Eagle pro začátečníky, kde je vše srozumitelně popsáno. Když je deska nakreslená tak obrazec vytiskneme za strany spojů na průhlednou fólii na laserové tiskárně, v nastavení je potřeba vybrat před tiskem - Typ papíru: průsvitný papír. 2) V dalším kroku si připravíme desku cuprexitu s fotocitlivou vrstvou. Manipulování s fotocitlivou vrstvou se může pouze v temné komoře při červeném světle. Pod červenou 37
žárovkou si desku upravíme na požadované rozměry a spolu s matricí ji vložíme mezi dvě skla a stáhneme k sobě svorkami. (Dávejte pozor, abyste měli matrici dobře otočenou!, jinak budete mít zrcadlově otočenou desku, která se nedá využít). Pokud Poté ve vzdálenosti 30cm od horského slunce dáme desku a na stopkách odpočítáváme u fólie 2-3 minuty. Po osvícení desku zbytečně nevystavujeme dennímu ani umělému světlu. 3) Nyní si rozmícháme vývojku, která se skládá z Hydroxidu sodného a vody. Můžeme použít v půlce přeříznutou 2l PET lahev do které nasypeme 1,5 odměrky NaOH (odměrka např. ze sunaru) a následně zalijeme vodou. Necháme kuličky rozpustit a vývojku promícháme. Následně si do umělohmotné pinzety vezmeme osvícenou desku a máčíme jí v roztoku, dokud se osvícený lak nesmyje a zůstanou vidět pouze spoje. Většinou to trvá do půl minuty v závislosti na koncentraci roztoku. Poté desku opláchneme vlažnou vodou a necháme usušit, pro rychlejší vysušení použijeme horkovzdušnou pistoli. 4) K leptání používáme výhradně chlorid železitý. Pro rychlejší vyleptání necháme lahev s chloridem ohřát v nádobě s horkou vodou. Menší věci leptáme v malé misce. S větší skupinou lidí je někdy potřeba vyrábět větší množství tišťáků. POZOR CHLORID ŽELEZITÝ JE ŽÍRAVINA a je třeba dodržovat všechny bezpečnostní předpisy! 5) vyleptanou desku necháme uschnout a poté z ní umyjeme zbytky fotocitlivého laku nitro ředidlem. Spoje vyzkoušíme prozváněčkou, jestli někde není zkrat. Když je tak se v místě zkratu kousek mědi proškrábne nebo vyfrézuje. Poté naneseme vrstvu pájivého laku. Po zaschnutí vyvrtáme otvory pro součástky a můžeme osazovat. [12] Nyní už jen stačí připájet součástky, podle osazovacího plánu, připojit baterii a blikač je připraven k použití. Pokud je dostatek prostoru, můžeme s dětmi vyrobit krabičku na blikač, ale není to vždy potřeba. Na tento blikač se dá vyrobit jednoduchá krabička z papíru. Pokud
38
bychom chtěli dělat krabičku plastovou, můžeme diody a vypínač nadstavit drátem a uchytit přímo na krabičku.
5.9.2 Pájení Nejprve osadíme součástky s nejmenšími pouzdry (odpory diody…), odstřihneme přívodové dráty od součástek tak, aby přesahovaly cca 2mm, poté přiložíme na spoj mikro páječku, kterou nejprve zahřejeme nožičku součástky i pájecí plošku plošného spoje. Stále zahříváme budoucí spoj a přiložíme pájku (doporučuji volit průměr pájky 0.5mm). stejným způsobem pájíme i ostatní součástky. Výsledný spoj by měl být lesklý, pevný, pájka musí být rozlitá na celé ploše pájecí plošky. Množství cínu odpovídá velikosti pájecí plošky, nanášíme tolik pájky, aby nám nevznikly ze spojů „kuličky“ a na druhou stranu, pájky bylo dostatek.
5.9.3 Doplňující otázky pro žáky: Co je to Rezistor a jaké známe druhy? Jak se zapojují rezistory? Co je to potenciometr a jak se značí? K čemu slouží kondenzátor a jak se značí? Popiš funkci kondenzátoru. Čím se liší elektrolytický kondenzátor a na co musíme dávat pozor při jeho zapojování do obvodu? Co je to schéma a schematické značky? Na co si musíme dávat pozor při zapojování elektrolytických kondenzátorů? Jaké parametry ovlivňují kapacitu kondenzátoru? Co je to dielektrikum? Co je to dioda? K čemu se používá tranzistor? Co je to integrovaný obvod?
39
Závěr
Cílem mé práce bylo vytvořit ucelený svazek informací o možnostech výuky Elektroniky na druhém stupni ZŠ. Pokusil jsem se zformulovat informace tak, aby tato práce mohla být dále využita jako metodická příručka, ze které by mohli čerpat neaprobovaní učitelé technických předmětů formou dodatečného vzdělávání a aprobovaní ji pojali jako inspiraci při čerpání informací, které by jinak složitě vyhledávali ve velikém kvantu knih. Čtenář zde nalezne informace o metodice, či rozložení hodiny, přes základní informace o elektrickém proudu, napětí, odporu a dalších elektronických součástkách. Práci jsem se snažil napsat tak, aby byla srozumitelná i pro laika, neboť se stává, že technické práce na ZŠ často učí neaprobovaný učitel. Také jsem se věnoval teorii první pomoci. Tyto informace pak pedagog využije nejen v laboratoři elektroniky, ale také na výletech, či procházkách s dětmi. Dal jsem pedagogům možnost vybrat si při realizaci praktických úkolů mezi stavebnicemi, či nepájivými poli a poli pájivými a uvedl jsem výhody jejich použití. Další učivo jsem se snažil vysvětlovat od prvotních základů. Od popisu, jak vzniká elektřina, až po složitější součástky a jejich zapojení. Každý blok teoretické části jsem zakončil úkolem, který žáci mají splnit. Důležitou části mé práce je závěrečný úkol. Je nejobsáhlejší a nekomplexnější. Žáci zde mají možnost zrealizovat celý postup tvorby desky plošného spoje. Myslím, že na dané téma by se dalo psát mnohem a mnohem více, než může pojmout moje práce, ale věřím, že její obsah je dostačující, zaujal čtenáře a rozšířil jeho obzory v tomto oboru. Další informace může najít v literatuře uvedené v seznamu použité literatury. V práci bych chtěl výhledově pokračovat podrobnějším rozpracováním kapitoly zabývající se přípravou učitele na hodiny technické výchovy a také didaktikou technické výchovy, rozšířením námětů na činnosti v hodinách praktického vyučování (elektroniky) a vlastním ověření v praxi. Dále by mě zajímala otázka, jaký je v současné době skutečný stav výuky elektroniky na ZŠ. Ke zjištění této informace bych provedl orientační výzkum u učitelů technické výchovy, zda a za jakých podmínek se dnes vyučuje předmět elektronika.
40
Resumé Tato bakalářská práce slouží jako podklad pro výuku elektroniky na druhém stupni základní školy. Nalezneme v ní informace týkající se didaktiky, elektroniky, zásady první pomoci. Prakticky jsou zde navrhovány samostatné úkoly, které vrcholí závěrečným samostatnou prací. Pedagog se zde dozví, jakou látku je vhodné vyučovat a jaké metody je vhodné při výuce použít. Samotná náplň učiva je pak vhodná i pro laiky, kteří zde získají základní informace o problematice elektroniky, jako vědy.
Résumé This Bachelor thesis performs the basis for teaching electronics at secondary schools. We can find here information concerning didactics, electronics and also first aid principles. The individual tasks for student are proposed very practically and they result in individual final work. Reader gets knowledge about what to teach in particular lessons and which methods are suitable to use. The content of the curriculum fits for laics too. They can get here the basics regarding the electronic science.
41
Použitá literatura
1. GRIDZ, Robert Problematika využití elektrotechnických stavebnic v odborném výcviku na SŠ: Bakalářská práce bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2008. 47 s. 2. BLAHOVEC, A. elektrotechnika I, Praha 4: Informatorium spol s.r.o., 1997 191 s. ISBN80-86073-18-1 3. MAŇÁK, J. Nárys didaktiky. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita v Brně, 1995. 104 s. ISBN: 80-210-1124-6. 4. PECINA, Pavel. Elektronika (technická praktika z elektroniky). Brno: MU, 2007. 159 s. ISBN 978-80-210-4279-7. 5. PECINA, Josef. Aspekty didaktiky elektroniky na druhém stupni ZŠ. Nové technologie ve výuce. Brno: Pedagogická fakulta MU, 2009. ISBN 978-80-2105092-1. 6. PECINA, P., PECINA, J. Elektronika, technická praktika z elektroniky. Brno: Masarykova univerzita, 2007. 159 s. ISBN 978-80-210-4279 7. PECINA, P., PECINA, J. Moderní elektronické stavebnice ve výuce elektroniky na základních a středních školách. In XXV. mezinárodní kolokvium o řízení osvojovacího procesu. Brno: Univerzita obrany, Fakulta ekonomiky a managementu, 2007, s. 57. ISBN 978-807231-228-3. 8. PECINA, P. & PECINA, J. Elektronika v praktických činnostech na druhém stupni ZŠ I. Brno: Masarykova univerzita, 2009. Asi 50 s. 9. PECINA, P. & PECINA, J. Elektronika v praktických činnostech na druhém stupni ZŠ II. Brno: Masarykova univerzita, 2009. Asi 60 s. 10. Pecina, Zormanová, Metody a formy aktivní práce žáků v teorii a praxi *elektronický zdroj+ Brno: Masarykova univerzita, 2009. 147 s. ISBN 9788021048348. 11. SCHOMMERS, A., Elektronika tajemství zbavená, Ostrava-Plesná: HEL, 1998, 112 s. ISBN80-902059-9-2 12. SVOBODA, E. a kol., Přehled středoškolské fyziky, Olomouc: Prometheus,1996,497s., ISBN 80-7196-116-7
42
13. ELDOS, [online], [cit. 15. Dubna 2010]. Dostupný z WWW:
14. Ordinace.cz [online], [cit. 10. Dubna 2010]. Dostupný z WWW: 15. Pandatron.cz: LED, [online], [cit. 12. Dubna 2010]. Dostupný z WWW: 16. Polovodiče, [online], [cit. 10. Dubna 2010]. Dostupný z WWW: <www.sbirkauloh.web2001.cz/gtgm/fyzika/kva_polovodice_prehled.doc> 17. Polovodičová dioda, [online], [cit. 11. Dubna 2010]. Dostupný z WWW: 18. RVPZV, 2005 [online], [cit. 11. Dubna 2010]. Dostupný z WWW:http://old.vuppraha.cz/soubory/rvpzv-lmp.pdf 19. VOLTA: elektronika pro každého, [online], [cit. 10. Dubna 2010]. Dostupný z WWW:
43
