Doświadczenia z elektryczności i magnetyzmu

We wpisie z ubiegłego tygodnia o ćwiczeniach laboratoryjnych z zamysłem pominąłem propozycje z zakresu ELEKTRYCZNOŚCI I MAGNETYZMU. Zrobiłem to z dwóch powodów - to mój ulubiony zakres tematyczny fizyki (wszak jestem technikiem RTV) i nie obejdzie się tutaj bez "grubszych" zakupów. Minimum to oczywiście garść przewodów, oporników, kondensatorów, diod, tranzystorów i kilka magnesów oraz najprostszy miernik uniwersalny. 

Absolutnie zgadzam się z kolegą Wojtkiem Gańczą, że wystarczy taki kosztujący symboliczną dychę (koszt zakupu na znanym portalu aukcyjnym to wydatek rzędu 15 PLN - wliczając koszt przesyłki) i już większość podstawowych eksperymentów daję się prowadzić. Dla tych, którzy mogą wydać wielokrotność tej kwoty (z przesyłką zamknie się w 100 PLN) polecam zakup multimetru umożliwiającego pomiar temperatury (dzięki dołączonej termoparze) oraz pojemności elektrycznej (choćby UNI-T UT-55). Pozostaje jeszcze kwestia źródeł zasilania - tutaj dobrze sprawdza się uchwyt na baterie (AA lub AAA), najlepiej mieszczący 6 sztuk. Idealnie, gdy możemy pracować z akumulatorami o tych rozmiarach i mamy ładowarkę do nich.

I tym razem, spróbujmy zacząć od konkretnych treści - poniższą propozycję doświadczeń do wykonania w warunkach domowych sporządzono w oparciu o listę zadań doświadczalnych I Pracowni Fizycznej Uniwersytetu Wrocławskiego (numery ćwiczeń w nawiasach) oraz archiwum Olimpiady Fizycznej Polskiego Towarzystwa Fizycznego (oznaczenia numeru olimpiady i stopnia zawodów). Przy każdej propozycji zamieszczono link do szczegółowego opisu eksperymentu, a w części nawet przykładowych wyników.

1. Własności elektryczne drutu oporowego (41). Oczywiście drut oporowy nie jest czymś, co każdy z nas ma w domu, ale z pomocą przyjść może folia aluminiowa, z której należy wyciąć różnej długości wąskie paski o stałej szerokości (w zależności od grubości foli to pojedyncze ohmy na metr, przy szerokości 4 mm). Można puścić wodze fantazji i zbadać przewodzące ciasto.
2. Prawo Ohma dla prądu stałego (43). Korzystając z uchwytu na baterie otrzymuje się 6 punków pomiarowych - wykorzystanie potencjometru lub dowolnego innego dzielnika napięcia poszerza pole działania. Do badania diody jest już konieczne.
3. Prawa Ohma i Kirchhoffa (46). Tu bez garści oporników już się nie uda, ale to wydatek rzędu części złotego za sztukę. Kiedyś wylutowywało się różne elementy z czegoś, co dziś nazywamy elektrośmieciami.
4. Zależność oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika od temperatury (57). Jeśli mamy tylko jeden przyrząd do pomiaru temperatury (można ją zmieniać choćby w kąpieli wodnej  - element szczelnie izolujemy) i natężenia prądu elektrycznego doświadczenie należy przeprowadzić wielokrotnie dla tych samych warunków mierząc różne parametry, a wyniki stosownie zestawić i zinterpretować.
5. Wyznaczanie oporu o znacznej wartości (66/2/2). Znacznymi wartościami oporu charakteryzuje się np. sucha skóra człowieka i już mamy interesujący temat na projekt (interdyscyplinarny). Tranzystor bipolarny to także wydatek niewielki. Z takich tranzystorów i kilku innych elementów można zbudować np. ciekawy detektor ładunku, ale to temat na oddzielny wpis.
6. Wyznaczanie ilorazów momentów magnetycznych (63/2/2). Kiedyś zdobycie magnesu ferrytowego będącego źródłem pola o znacznej wartości wektora indukcji było trudnym zadaniem. Dziś, powszechnie dostępne magnesy neodymowe, to źródła pola magnetycznego nierzadko o parametrach rzędy wielkości większych. Ostatecznie pamiątkowe magnesy z lodówki można wykorzystać.
7. Wyznaczanie długość fali światła odpowiadającego krótkofalowej granicy widma emitowanego przez diodę LED (56/2/2). To niewątpliwie zadanie przekrojowe, ale tym bardziej interesujące. Trochę trzeba się napocić, by w domowych warunkach regulować natężenie prądu płynącego przez diodę, ale da się to zrobić np. wykorzystując roztwory soli o różnych stężeniach.
8. Czarna skrzynka (55/2/2). Ten eksperyment, w mojej ocenie, ma niezwykłą wartość edukacyjną, choć potrzebny jest generator. Z brakiem tego urządzenia można sobie poradzić wykorzystując komputer bądź smartphon z zainstalowanym generatorem (np. Phyphox) i wyprowadzając sygnał z gniazda audio. Uszkodzone słuchawki, które w tym celu można użyć ma z pewnością każdy uczeń. Tajnego połączenia trzech elementów może dokonać rodzić - skręcając nóżki elementów energicznie w palcach -  i zamknąć całość, choćby w pudełku po zapałkach. 
9. Wyznaczanie gęstości liniowej drutu (54/2/2). Tutaj "nasz generator" trzeba koniecznie zabezpieczyć przed uszkodzeniem podłączając drut przez opornik min. 1 kOhm. Zmian wartości natężenia prądu dokonujemy zmieniając głośność.Także ze względu na niewielką moc "naszych generatorów" zadanie do łatwych nie należy.

Do tej kolekcji można jeszcze dodawać i dodawać. Pozwolę sobie tylko na jeszcze dwie propozycje przećwiczone z moimi uczniami już w czasie pandemii:

• Badanie procesu rozładowania kondensatora. Najlepiej sprawdzają się te o pojemności rzędu 1000 mikroF, rozładowywane przez oporniki rzędu kilo Ohmów. Wystarczy rejestrować wskazania woltomierza kamerą, a potem poklatkowo, choćby w Trackerze, odczytać wskazania w czasie. To zadanie pracochłonne, ale daje satysfakcję (obu stronom procesu nauczania-uczenia się).
• Badanie zależności pojemności kondensatora płaskiego od powierzchni okładek. Tu potrzebny jest multimetr pozwalający mierzyć pojemność bezpośrednio, folia spożywcza (możliwie gruba - torby foliowe są alternatywą) i folia aluminiowa. Wycinamy okładki o znanych powierzchniach, odpowiednio przełożone starannie dociskamy i dokonujemy pomiaru pojemności. Kondensatory to wdzięczny temat.

Na zakończenie przychodzi mi do głowy tylko propozycja, by uczniów zarazić... Arduino (klony to wydatek 20 PLN). Czasownik ten jednak brzmi teraz złowieszczo. To może już po powrocie do szkoły?