Elektrický proud a lidské tělo

Úkol: Změřte odpor lidského těla v různých situacích a na jeho základě formulujte závěry ohledně bezpečnosti při práci s elektřinou.

Poznámka: V tomto měření zapojujeme do elektrického obvodu člověka. To je možné jen proto, že napětí zdroje je velmi malé a proudy, které potečou vaším tělem, vám nemohou ublížit.

Vybavení: zdroj napětí cca 4,5 V DC, vodiče, 2x kovová elektroda na stativu, voltmetr, ampérmetr, voda, sůl

Postup:

1. Změřte napětí zdroje (bude stálé během celého měření).
2. Připravte si jednoduchý obvod se zdrojem a ampérmetrem, kde místo spotřebiče budou v obvodu zapojeny dvě elektrody (obvod zde bude rozpojený). Ampérmetr nastavte na rozsah kolem 1 mA.
3. Zapojte do obvodu první měřenou osobu tak, že pevně stiskne elektrody pravou a levou rukou. Zapište si hodnotu proudu. Při měření dejte POZOR NA ZKRAT, elektrody se nesmí vodivě spojit.
4. Opakujte měření pro všechny členy skupiny.
5. Opakujte měření s tím, že nyní propojíte obvod dvěma prsty jedné ruky.
6. Opakujte měření s tím, že stisknete elektrody mokrýma rukama.
7. Opakujte měření s tím, že stisknete elektrody rukama namočenýma ve slaném roztoku.
8. Dopočítejte odpor člověka ve všech měřeným situacích.
9. Výsledky všech měření zpracujte do přehledné tabulky.

Otázky:

1. Která část těla má rozhodující vliv na celkový odpor člověka? Jak to vyplývá z vašeho měření?
2. Proč se naměřený odpor různých lidí výrazně lišil?
3. Při překročení proudu cca 10 mA (střídavý) až 25 mA (stejnosměrný) nastává svalová křeč, která znemožňuje ovládat svaly. Tato situace už je velmi nebezpečná, neboť člověk se nemůže pustit zdroje napětí. Při jakém napětí a v jaké situaci by vám toto nebezpečí hrozilo?
4. V praxi se často stane, že se člověk dotkne vodiče pod napětím pouze jednou rukou. Proč je tato situace mnohem méně nebezpečná?
5. Při výboji statické elektřiny (například když si svlékáte svetr) dosahuje napětí desítek kV. Přesto vám neublíží. Čím to je?

Voltampérová charakteristika spotřebičů

Úkol: Proměřte voltampérovou charakteristiku žárovky, rezistoru a diody. Vytvořte příslušné grafy a zjistěte, o jakou matematickou závislost se jedná. Určete odpor rezistoru.

Vybavení: stabilizovaný zdroj napětí 6 V DC, ampérmetr, voltmetr, signální žárovka 6 V, rezistor 56 Ω, zelená LED 10 mA, ochranný rezistor 330 Ω, potenciometr 100 Ω, vodiče

Postup měření:

1. Zapojte obvod se žárovkou podle schématu. Pomocí potenciometru postupně zvyšujte napětí přiváděné na žárovku a měřte toto napětí a odpovídající proud. Měli byste získat přibližně 10 dvojic hodnot U a I rovnoměrně rozložených v intervalu napětí. Hodnoty zapisujte do tabulky.

   

2. Žárovku v obvodu nahraďte rezistorem 56 Ω a měření opakujte.

3. Zapojte obvod se světelnou diodou v propustném směru a ochranným rezistorem 330 Ω. Záporná elektroda diody (katoda, v obrázku označena písmenem K) je na součástce vyznačena seříznutím podstavy kloboučku. Interval napětí, ve kterém dioda vede proud a svítí, proměřte pečlivěji (alespoň 10 hodnot).

   

Zpracování:

1. Pro každou součástku sestrojte na počítači graf závislosti proudu na napětí, tj. I = f(U).
2. Experimentálními body proložte křivku (vyberte nejvhodnější matematický model) a zobrazte rovnici této regresní křivky. Pro které součástky platí Ohmův zákon?
3. Z grafu určete odpor rezistoru a porovnejte jej s hodnotou uvedenou na součástce.
4. Platnost Ohmova zákona můžete ověřit též výpočtem podílu U/I v tabulce.
5. Vysvětlete, proč nemá žárovka lineární charakteristiku.
6. (Bonusová úloha) Ve kterém intervalu napětí splňuje žárovka třípětinový zákon I = konst · U^3/5?

Poznámky pro učitele

Pokud nemáte stabilizovaný zdroj, je možné použít akumulátor 6 V nebo plochou baterii s odpovídající žárovkou. V tomto případě doporučujeme zapojit sériově ke zdroji tlačítko a do obvodu kvůli vybíjení baterie pouštět proud jen během odečítání hodnot z měřidel.

Proud tekoucí diodou nesmí překročit hodnotu udávanou výrobcem (u běžných diod 10 mA). Při použití jiného zdroje nebo diody je třeba použít jiný ochranný rezistor.

Zatěžovací charakteristika zdroje

Úkol: Proměřte zatěžovací charakteristiku jednorázové tužkové baterie a akumulátoru. Sestrojte příslušné grafy a z nich zjistěte parametry zdrojů.

Vybavení: jednorázová tužková baterie 1,5 V v držáku baterií, akumulátor, voltmetr, ampérmetr, reostat 100 Ω, tlačítko, vodiče

Postup:

1. Zapojte obvod se zkoumaným zdrojem podle schématu.
2. Změřte napětí na zdroji při nulovém proudu.
3. Jezdec reostatu nastavte nejdříve na maximální odpor a při postupném snižování odporu proměřujte souvislost mezi proudem odebíraným ze zdroje I a jeho svorkovým napětím U_S. Tlačítko držte stisknuté jen během odečítání hodnot z měřidel, aby se váš zdroj zbytečně nevybíjel. Hodnota proudu by neměla překročit 100 mA pro baterii a 200 mA pro akumulátor.

Zpracování:

1. Sestrojte graf závislosti svorkového napětí U_S na proudu I, tj. U_S = f(I) pro oba zdroje.
2. Experimentálními body proložte přímku a zobrazte rovnici regrese.
3. Na základě rovnice určete elektromotorická napětí U_e a vnitřní odpory r a zdroje porovnejte.
4. Jaký maximální proud dokážou vaše zdroje vyrobit?

Poznámky pro učitele

Při chybném nastavení jezdce by mohlo dojít k poškození ampérmetru, popř. akumulátoru. Před připojením zdroje doporučujeme žákovské obvody zkontrolovat a měření žákům předvést nebo použít ochranný rezistor (15 ohm pro tužkovu baterii a 30 ohm pro 6V akumulátor) zapojený sériově k ampérmetru.

Spojování rezistorů

Úkol: Cílem je experimentálně ověřit pravidla pro spojování rezistorů. Najděte všechny hodnoty odporu, které lze získat kombinací tří rezistorů.

Vybavení: tři rezistory o různých odporech, např. 56 Ω, 100 Ω a 470 Ω, ohmmetr, vodiče

Postup:

1. Na základě měření určete hodnotu odporu každého ze tří použitých rezistorů a zapište ji do tabulky.
2. Najděte všechny možné kombinace zapojení dvou rezistorů. Do tabulky zakreslete příslušná schémata. Odpor každé kombinace nejdříve vypočítejte teoreticky, pak rezistory zapojte a skutečnou hodnotu odporu ověřte měřením.
3. Proveďte totéž pro kombinaci tří rezistorů.

Energetický audit domácnosti – elektřina

Úkol: Analyzujte spotřebu elektrické energie vaší domácnosti.

Vybavení: wattmetr do zásuvky, vyúčtování elektřiny

Každá domácnost je odběratelem elektrické energie, bez níž by jen stěží mohla fungovat. Cílem vašeho výzkumu bude vybrat si jednu konkrétní domácnost a zmapovat její výdaje na elektřinu, určit podíl jednotlivých spotřebičů na celkové spotřebě a pomocí wattmetru ověřit jejich příkon.

Výsledkem energetického auditu má být zmapování spotřeby a nalezení potenciálu pro případné úspory.

Postup:

1. Abyste mohli audit zpracovat, budete potřebovat vyúčtování elektrické energie z vaší domácnosti. Vyznat se v něm není vůbec snadné. Pokuste se z vyúčtování zjistit některé důležité údaje:

   • Jaká byla cena za odebranou kWh, z jakých částí se tato cena skládá.
   • Jaká byla průměrná měsíční spotřeba domácnosti (kWh) a průměrná měsíční platba (Kč).

   Pokud nemáte vyúčtování k dispozici, nevadí, pokračujte k bodu 2).

2. Vyberte si některý typický den a změřte spotřebu vaší domácnosti pomocí elektroměru za 24 hodin. Elektroměr ukazuje celkovou spotřebovanou energii v kWh. Stačí tedy odečíst dvě hodnoty v časovém intervalu 24 hodin. Pro zajímavost můžete porovnat několik různých dní.
3. Proveďte analýzu spotřeby nejvýznamnějších spotřebičů. Vytvořte jejich seznam a u každého změřte nebo odhadněte jeho měsíční spotřebu. Zaměřte se na ty nejdůležitější, nevýznamné spotřebiče (např. nabíječka mobilu, mixér, který pracuje 10 min měsíčně) do přehledu nezahrnujte. U některých spotřebičů (např. pračka, lednička) se dá jejich denní spotřeba získat přímo od výrobce (buď z návodu nebo z internetu). K měření spotřeby použijte wattmetr. Můžete porovnat údaje z wattmetru i s údaji od výrobce nebo změřit spotřebu v různých režimech činnosti spotřebiče. Spotřebu světelných spotřebičů vypočítejte pomocí jejich příkonu a doby svícení.
4. Získané údaje zpracujte do přehledného grafu, ze kterého bude patrný podíl jednotlivých spotřebičů či jejich skupin (např. osvětlení celkem, nikoliv jednotlivé žárovky) na měsíční spotřebě. Výsledek porovnejte s údajem získaným v bodě 1 (měl by se přibližně shodovat).
5. Navrhněte, kde by bylo možné spotřebu efektivně snížit.