Φύλλο Εργασίας 10 Το Ηλεκτρικό βραχυ-Κύκλωμα – Κίνδυνοι και "Ασφάλεια" Συγγραφική ομάδα: Γεώργιος Θεοφ. Καλκάνης, Ουρανία Γκικοπούλου, Ευστράτιος Καπότης, Δημήτριος Γουσόπουλος, Ματθαίος Πατρινόπουλος, Παναγιώτης Τσάκωνας, Παναγιώτης Δημητριάδης, Λαμπρινή Παπατσίμπα, Κωνσταντίνος Μιτζήθρας, Αθανάσιος Καπόγιαννης, Δημήτριος Ι. Σωτηρόπουλος, Σάββας Πολίτης και τα μέλη των συγγραφικών ομάδων των βιβλίων "Φυσικά - Ερευνώ και Ανακαλύπτω" της Ε’ και Στ’ τάξης του δημοτικού σχολείου, από τα οποία έχει αντληθεί ένα μεγάλο μέρος του υλικού των φύλλων εργασίας.

α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι Γύρω στα 1800 ο Ιταλός φυσικός Alessandro Volta, κατασκεύασε την πρώτη μπαταρία, με την οποία μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα για τα πειράματά του. Στις εικόνες φαίνονται μπαταρίες με τις ονομαστικές ηλεκτρικές τάσεις τους (1.5V που κατά κανόνα έχουν σχήμα κυλινδρικό αλλά διαφορετικά μεγέθη, 4.5V που έχουν σχήμα "πλακέ", 9V που έχουν σχήμα ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου), ηλεκτρικός συσσωρευτής αυτοκινήτου (12V), καθώς και δυναμό ποδηλάτου, φωτοβολταϊκό πάνελ και πυλώνες υψηλής τάσης.

«Επικίνδυνες ενέργειες» σε ηλεκτρικά κυκλώματα 220 V σύνδεση ηλεκτρικού καλωδίου στην πρίζα με βρεγμένα χέρια, κάρφωμα μεταλλικού καρφιού ακριβώς πάνω από την πρίζα, άνοιγμα ηλεκτρικής συσκευής ενώ αυτή είναι συνδεδεμένη στην πρίζα, πέταγμα χαρταετού κοντά σε ηλεκτροφόρα καλώδια. Σε όλες αυτές τις ενέργειες είναι δυνατό το ηλεκτρικό ρεύμα να ακολουθήσει πορεία μέσα από το ανθρώπινο σώμα με επικίνδυνες συνέπειες (ηλεκτρο-πληξία).

Ενεργώ, Πειραματίζομαι Υλικά / Όργανα: μπαταρίες, βολτόμετρο (εάν υπάρχει), λαμπάκι με τη βάση του, καλώδια, μεταλλικοί συνδετήρες, σύρμα κουζίνας (ψιλό ατσαλόμαλλο).

Πείραμα 1 Πείραμα 2 Η συγκεκριμένη μπαταρία έχει ένδειξη 4,5V ΠΡΟΣΟΧΗ: Στους πειραματισμούς με ηλεκτρικά κυκλώματα δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται από τους μαθητές ηλεκτρικές πηγές με ένδειξη μεγαλύτερη από 9 V. Όταν είναι απαραίτητη η χρήση 220V σε ηλεκτρικές συσκευές, πρέπει να συμβουλεύονται πρώτα τον/την εκπαιδευτικό, πριν τις συνδέσουν στην πρίζα. Σύνδεσε με καλώδια τους πόλους μιας μπαταρίας με τους ακροδέκτες του βολτόμετρου, όπως στη διπλανή εικόνα, κάνοντας δοκιμές για να βρεις τη σωστή πολικότητα, με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σου. Διάβασε την ένδειξη του βολτόμετρου (…4,84 V) και σύγκρινέ τη με την ένδειξη της μπαταρίας. Πρόσεξε τον τρόπο με τον οποίο συνδέουμε τα βολτόμετρα. Επανάλαβε το πείραμα με άλλες μπαταρίες. Πραγματοποίησε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας. Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τον ένα συνδετήρα στον άλλο και κλείσει το κύκλωμα; Όταν ακουμπήσουν οι δύο συνδετήρες μεταξύ τους το λαμπάκι ανάβει γιατί διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα που ακολουθεί την πορεία από τον ένα πόλο στον άλλο πόλο της πηγής. Η συγκεκριμένη μπαταρία έχει ένδειξη 4,5V

Πείραμα 3 Πείραμα 4 ΠΡΟΣΟΧΗ: Στους πειραματισμούς με ηλεκτρικά κυκλώματα δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται από τους μαθητές ηλεκτρικές πηγές με ένδειξη μεγαλύτερη από 9 V. Όταν είναι απαραίτητη η χρήση 220V σε ηλεκτρικές συσκευές, πρέπει να συμβουλεύονται πρώτα τον/την εκπαιδευτικό, πριν τις συνδέσουν στην πρίζα. Πραγματοποίησε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας παρεμβάλλοντας στο καλώδιο του κυκλώματος μερικά πολύ λεπτά συρματάκια που έχεις ξεχωρίσει από σύρμα κουζίνας (ψιλό ατσαλόμαλλο). Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τους δύο συνδετήρες μεταξύ τους; Πραγματοποίησε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας. Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τον ένα συνδετήρα στον άλλο και κλείσει το κύκλωμα; Όταν ακουμπήσουν οι δύο συνδετήρες μεταξύ τους το λαμπάκι σβήνει, γιατί δημιουργείται βραχυ-κύκλωμα και το ηλεκτρικό ρεύμα ακολουθεί την ευκολότερη πορεία μέσω των συνδετήρων. Όταν ακουμπήσουν οι δύο συνδετήρες μεταξύ τους το λαμπάκι σβήνει, γιατί δημιουργείται βραχυ-κύκλωμα και το ηλεκτρικό ρεύμα ακολουθεί την ευκολότερη πορεία μέσα σε αυτό το βραχυ-κύκλωμα. Όμως, λόγω της ευκολότερης πορείας του το ηλεκτρικό ρεύμα μεγαλώνει με αποτέλεσμα το ατσαλόμαλλο να θερμανθεί, να φωτοβολήσει και να λιώσει, διακόπτοντας το κύκλωμα.

Κατασκευή ηλεκτρικής πηγής Πείραμα 6 Κατασκευή ηλεκτρικής πηγής Πείραμα 5 Υλικά / Όργανα: βολτόμετρο, καλώδια (από χάλκινο σύρμα), δύο ποτήρια, ξίδι, δύο λαμαρινόβιδες (από ψευδάργυρο) Πραγματοποίησε ένα άλλο κύκλωμα, αυτό της διπλανής εικόνας, παρεμβάλλοντας μερικά πολύ λεπτά συρματάκια από σύρμα κουζίνας (ψιλό ατσαλόμαλλο) στο καλώδιο που συνδέεται με τον ένα συνδετήρα. Τι παρατηρείς όταν ακουμπήσεις τους δύο συνδετήρες μεταξύ τους; Ρίξε σε ένα μικρό ποτήρι ξίδι. Γύμνωσε τις άκρες δύο καλωδίων. Τύλιξε τη μια άκρη του ενός καλωδίου στη λαμαρινόβιδα (από ψευδάργυρο) και σύνδεσε την άλλη άκρη με το μαύρο ακροδέκτη (-) του βολτόμετρου. Βύθισε τη βίδα στο ξίδι. Σύνδεσε τη μία άκρη του άλλου καλωδίου (από χαλκό) με τον κόκκινο ακροδέκτη (+) του βολτόμετρου και βύθισε την άλλη άκρη του στο ξίδι. Διάβασε και γράψε την ένδειξη του βολτόμετρου …1,03……… V Όταν ακουμπήσουν οι δύο συνδετήρες μεταξύ τους, δημιουργείται βραχυ-κύκλωμα και το ρεύμα ακολουθεί αυτή τη διαδρομή και όχι τη διαδρομή του κανονικού κυκλώματος, οπότε το λαμπάκι σβήνει. Το ατσαλόμαλλο όμως θερμαίνεται, φωτοβολεί και λιώνει. Τότε το ηλεκτρικό ρεύμα ακολουθεί τη διαδρομή του κανονικού κυκλώματος που εξακολουθεί να είναι κλειστό και το λαμπάκι ανάβει. Σύνδεσε μεταξύ τους και με το βολτόμετρο τις δύο πηγές που κατασκεύασες, όπως στη διπλανή εικόνα. Διάβασε και γράψε την ένδειξη του βολτόμετρου …2,07……… V Σύγκρινε τις δύο τιμές: Η 2η διπλάσια της 1ης

Εφαρμογή, Γενίκευση Με τις αρχές κατασκευής του απλού αυτού ηλεκτρικού στοιχείου κατασκευάζονται και λειτουργούν οι κυλινδρικές μπαταρίες 1,5 V. Τρία ηλεκτρικά στοιχεία στη σειρά συγκροτούν και λειτουργούν μια πλακέ μπαταρία 4,5 V. Αν αφαιρέσεις το πλαστικό κάλυμμα από μια τέτοια μπαταρία, θα διαπιστώσεις ότι πραγματικά αποτελείται από τρία απλά ηλεκτρικά στοιχεία / μπαταρίες.

Εφαρμογή, Γενίκευση Με τις αρχές κατασκευής του απλού αυτού ηλεκτρικού στοιχείου κατασκευάζονται και λειτουργούν οι κυλινδρικές μπαταρίες 1,5 V. Τρία ηλεκτρικά στοιχεία στη σειρά συγκροτούν και λειτουργούν μια πλακέ μπαταρία 4,5 V. Αν αφαιρέσεις το πλαστικό κάλυμμα από μια τέτοια μπαταρία, θα διαπιστώσεις ότι πραγματικά αποτελείται από τρία απλά ηλεκτρικά στοιχεία / μπαταρίες. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα «κλείνει», όταν ο διακόπτης «κλείνει», ανάλογα με ποιοι διακόπτες είναι κλειστοί ή ανοιχτοί, τα λαμπάκια Λ1 και Λ2 θα είναι: Αν σε ένα κύκλωμα δημιουργηθεί βραχυκύκλωμα αυτό υπερθερμαίνεται με κίνδυνο να λιώσουν τα καλώδια και να εκδηλωθεί πυρκαγιά. Για αυτό το λόγο παρεμβάλουμε στα ηλεκτρικά κυκλώματα ασφάλειες, που αποτελούνται από λεπτά σύρματα ώστε σε περίπτωση βραχυκυκλώματος αυτά να λιώσουν και να προστατεύσουνε το κύκλωμα από περαιτέρω υπερθέρμανση.