Elektriska kretsar med trolldeg och lysdioder
Årskurs: 7-9, Gymnasiet
Ämnesområde: Elektricitet och magnetism
Sluten krets, kortslutning, trolldegsrecept med mera
Vad kan man prata om medan man bygger elektriska kretsar? Jo, en hel del faktiskt. Detta lektionsexempel består av två delar som utgår från varsin video och visar hur det med trolldeg, modellera och lysdioder går att bygga elektriska kretsar som illustrerar olika elektriska fenomen. I den första delen beskriver vi bland annat kort:
- Sluten krets
- Seriekoppling
- Parallellkoppling
- Kortslutning - strömmen tar lättaste vägen
Här hittar du också recept på trolldeg och tips om materialval.
I den andra delen bygger vi en dimmer, parallell- och seriekopplar batterier samt visar hur en RGB-diod fungerar. Här finns även information om hur lysdioder fungerar och dess fördelar.
Trolldeg för elektriska kretsar
Idén till elektriska kretsar med trolldeg är hämtad från Squishy Circuits hemsida.
Där finns recept på två olika degar: En som leder ström och en som inte leder ström. Det var svårt att få den icke-ledande degen att fungera - eftersom den leder ström rätt bra den också - och därför har vi använt modellera istället som icke-ledande deg.
Recept på ledande deg:
- 1 dl vatten
- 1,5 dl vetemjöl
- 0,25 dl salt
- 3 msk vinsyra (finns i kryddhyllan)
- 1 msk matolja
- Eventuellt karamellfärg
Blanda allt i en kastrull. Vill du färga degen häll även i karamellfärg. Värm på medeltemperatur så att smeten tjocknar till en klump. Låt klumpen svalna något, knåda sedan degen tills den blir sval. Förvara degen i en påse om du vill spara den till en annan dag.
Seriekoppling och sluten krets
I videons första experimentet skapar vi en seriekoppling. Lamporna i en julljusstake eller en julgransslinga är till exempel seriekopplade - skruvar man ur en slocknar alla. Det beror på att ström inte kan ledas utan en sluten krets. Alltså från batteriet, genom något, och tillbaka till batteriet. I det aktuella experimentet kan du visa detta genom att ta loss en av dioderna - då slocknar de andra eftersom kretsen inte längre är sluten (ingen ström går längre genom trolldegen).
Om du sätter fler lysdioder i serie kommer de att lysa svagare eftersom resistansen i kretsen har blivit större - då går det mindre ström i kretsen. Har du två lysdioder kan det räcker med två batterier, har du fler får du förmodligen använda fyra batterier.
Parallellkoppling
I videons andra experimentet skapar vi en parallellkoppling. Lampor och andra elektriska apparater i hemmet är parallellkopplade - skruvar man ur en lampa eller stänger av en apparat så fungerar de andra forfarande.
I en parallellkoppling kan strömmen gå från batteriet, genom en diod, och tillbaka till batteriet utan att behöva passera mer än en diod. Detta skiljer sig från seriekopplingen där vi tvingade strömmen att passera flera dioder, alla med sitt elektriska motstånd.
Dioderna fortsätter att lysa lika starkt även om du sätter i fler i trolldegen. Det visar att strömmen genom en viss diod inte ändras, till skillnad från vid en seriekoppling, även om vi sätter i fler dioder.
Kortslutning - strömmen tar lättaste vägen
Ström tar lättaste vägen, vilket betyder att mer ström går den väg där det elektriska motståndet (resistansen) är minst. Om du för ihop trolldegskorvarna/klumparna eller lägger en tredje klump i kontakt med de två andra (antingen i en parallellkoppling eller seriekoppling), så ger du strömmen en alternativ väg att gå, som innebär att den inte behöver passera lysdioden.
Då kommer strömmen att välja att gå genom degen utan att passera lysdioden eftersom lysdioden har mycket högre elektriskt motstånd än en klump trolldeg. Detta kallas kortslutning - att man genom att ge strömmen en ny väg kopplar förbi sin krets med lysdioder.
Materialval
Använd 1,5 V (AA) batterier. Röda lysdioder behöver inte så mycket spänning för att lysa medan gröna behöver lite mer. När du seriekopplar dioder behöver du fyra batterier eller till och med fler om gröna dioder används. Flera batteripack kan seriekopplas om det behövs (se mer info nedan). Du behöver:
- Batterihållare för 2 batterier
- Batterihållare för 4 batterier
- Batterikontakt
- Lysdioder med ofärgade höljen i olika färger
Lysdioder kan ha färgade eller ofärgade höljen. Båda varianterna fungerar i försöken, men vi valde dioder med ofärgade höljen eftersom de lyser klarast. Vi har använt dioder med bredden 5 mm - det blir pilligt om du köper mindre - men hittar du större dioder (10 mm) går det bra.
Utrustningen finns att köpa i den vanliga elektronikhandeln och på nätet.
Dimmer
En lång och smal trolldegssträng har högre resistans än en kort och tjock. När vi låter strömmen gå genom en lång och smal sträng, före den når dioden, blir strömmen i kretsen mindre eftersom den totala resistansen är större än om vi hade kopplat förbi trolldegssträngen.
Delen av den totala spänningen (6 V från fyrpacket med batterier) som faller över dioden minskar också eftersom den högre resistansen gör att en större del av spänningen faller här. Sammantaget blir både strömmen (I) och spänningen (U) över dioden mindre. Därmed minskar den elektriska effekten, P = UI, och dioden lyser svagare. Genom att variera längden på trolldegssträngen kan man även variera ljusstyrkan hos dioden.
Parallell- och seriekoppling av batterier
När vi parallellkopplar batterier, i det här fallet två fyrpack med 6 V i varje, blir spänningsfallet över dioderna fortfarande 6 V. Strömmen och resistensen är den samma och därmed även den elektriska effekten. Det visar sig genom att dioderna lyser lika starkt som när vi enbart använde ett av batteripacken. Låter vi uppställningen stå och lysa kommer batterierna dock att ta slut fortare om vi bara använder ett av batteripacken.
När vi seriekopplar batteripacken (minuspolen på det ena mot pluspolen på det andra) får vi totalt 12 V ut från de båda batteripacken. Det blir då en högre spänning över dioderna, strömmen ökar och därmed även den elektriska effekten och dioderna lyser starkare.
Vill du att dioderna ska lysa länge - parallellkoppla batterierna. Vill du att dioderna ska lysa starkt - seriekoppla batterierna.
RGB-dioden
En RGB-diod är tre lysdioder i en: En röd, en grön och en blå. Tillsammans ger de ett vitt ljus om var och en lyser med rätt intensitet i förhållande till de andra. I vår diod med klart plasthölje ser man tydligt att det röda, gröna och blåa ljuset kommer från olika delar av dioden. Har man en RGB-diod med diffust hölje blir färgmixningen bättre och man upplever dioden som vit eller nästan vit när alla tre elementen lyser.
Med RGB-dioden kan ni prova på färgmixning. Hur ser till exempel dioden ut när ni tänder den röda och blåa delen men låter den gröna vara släckt?
Hur fungerar en lysdiod?
Lysdioder fungerar på ett helt annat sätt än vanliga glödlampor. Glödlampan har en glödtråd som värms upp och glöder då strömmen passerar. Ljuseffekten hos en diod är en form av elektroluminiscens som uppstår då ström färdas genom det halvledarmaterial som dioden består av.
Utifrån vilket halvledarmaterial dioden är tillverkad av bestäms även dess färg. Den eventuella färgen på höljet är inte det som ger färgen hos dioden, utan en röd diod lyser rött även om höljet är ofärgat.
Lysdioder och andra dioder kan bara leda ström åt ett håll. Därför är det noga vilket av diodens två ben man kopplar till plus respektive minus på batteriet. En diod är som en enkelriktad väg för ström.
Varför använder man lysdioder?
Det mesta av den elektriska energin vi tillför en glödlampa omvandlas till värme istället för ljus vilket förstås är slöseri med energi. Man uppskattar att 20 procent av västvärldens energianvändning går åt till belysning.
Ett betydande svinn som alltså skulle kunna minskas om mer energisnåla lampor används. Till exempel ljusdiodlampor, så kallade LED-lampor. LED härstammar från engelskans "light emitting diode". Man kan också tänka sig att använda lågenergilampor. Problemet är dock att de ofta innehåller kvicksilver.
Sök på "lysdiod" i NRCF:s frågelåda för att få veta mer om lysdioder (ny flik)