Αυτοκινητομολυβοχαρτοκυκλώματα

Αυτοκινητομολυβοχαρτοκυκλώματα ή αλλιώς μουτζουροκυκλώματα

Υλικά που χρειαζόμαστε

χαρτόνια Α₄ (160 γραμ.), λευκά ή άλλα χρώματα
πρότυπα σχέδια περιγραμμάτων αυτοκινήτων, για αρχή ή για να πάρετε ιδέες για τα δικά σας
μολύβια, μαλακά που αφήνουν έντονο ίχνος στο χαρτί, κατά προτίμηση 7B ή 8B
μικρά λαμπάκια LED των 5 mm, απλά & χαμηλής φωτεινότητας, κατά προτίμηση κόκκινα ή και άλλα χρώματα
Μπαταρία των 9 Volt

Τι θα κάνουμε
Αν δεν έχετε ιδέα τι περίγραμμα αυτοκινήτου να σχεδιάσετε, μπορείτε να πάρετε ιδέες από τα πρότυπα σχέδια αυτοκινήτων που έχουμε αναρτήσει σ' αυτή τη σελίδα. Δείτε 12 μεγάλα περιγράμματα αυτοκινήτων εδώ και 10 μικρότερα περιγράμματα εδώ.

Το πείραμα που φαίνεται στη φωτογραφία είναι ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα, όπου χρησιμοποιείται γραφίτης από μολύβι ως αγώγιμο υλικό πάνω σε χαρτί, σχηματίζοντας το περίγραμμα ενός αυτοκινήτου. Στόχος του πειράματος είναι να δείξει πώς ο γραφίτης, ως καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανάψει ένα LED όταν συνδεθεί με μια μπαταρία 9V.

Σχεδιάστε ένα περίγραμμα αυτοκινήτου στο χαρτί και γεμίστε το με πυκνό στρώμα γραφίτη. Γεμίστε το περίγραμμα του σχεδίου με πυκνές γραμμές από μολύβι, έτσι ώστε να δημιουργήσετε ένα μονοπάτι γραφίτη που θα λειτουργήσει ως αγώγιμο υλικό. Βεβαιωθείτε ότι οι γραμμές είναι συνεχόμενες και ομοιόμορφες. Ο γραφίτης λειτουργεί ως το αγώγιμο "καλώδιο" του κυκλώματος.
Τοποθετήστε το LED σε δύο σημεία του γραφίτη, ώστε να σχηματίσει κλειστό κύκλωμα. Συνδέστε τους πόλους της μπαταρίας 9V στο κύκλωμα μέσω του γραφίτη. Τοποθετήστε τα δύο άκρα του LED πάνω στο μονοπάτι του γραφίτη. Η μακριά ακίδα του LED (+) πρέπει να συνδεθεί με τον θετικό πόλο της μπαταρίας και η κοντή ακίδα (-) με τον αρνητικό πόλο. Εφαρμόστε τους πόλους της μπαταρίας στα δύο άκρα του γραφίτη. Βεβαιωθείτε ότι υπάρχει καλή επαφή ανάμεσα στη μπαταρία και το γραφίτη.Αν το κύκλωμα είναι σωστά συνδεδεμένο και ο γραφίτης έχει επαρκή αγωγιμότητα, το LED θα ανάψει.

Χρησιμοποιήστε μολύβι με υψηλή περιεκτικότητα σε γραφίτη (μαλακό μολύβι) για καλύτερη αγωγιμότητα. Οι γραμμές γραφίτη, οι διαδρομές και τα "μονοπάτια" που θα σχεδιάσετε, θα πρέπει να είναι πυκνές και συνεχείς, χωρίς διακοπές ή κενά.
Αν το λαμπάκι LED δεν ανάψει, καλό θα είναι να ελέγξετε εάν το κύκλωμα είναι σωστά συνδεδεμένο και αν η μπαταρία είναι φορτισμένη.

Ερωτήματα

Πώς επηρεάζει το πάχος της γραμμής από γραφίτη την αγωγιμότητα του κυκλώματος;
Υπάρχει διαφορά στη λειτουργία του κυκλώματος αν χρησιμοποιήσουμε διαφορετικούς τύπους μολυβιού (π.χ. 2B, 4B, 6B);
Τι θα συμβεί αν το μονοπάτι του γραφίτη έχει κενά ή είναι ασυνεχές;
Πώς μπορούμε να ελέγξουμε αν το κύκλωμα είναι κλειστό ή ανοιχτό;
Τι θα συμβεί αν αλλάξουμε την πολικότητα της μπαταρίας στο LED;
Μπορεί το κύκλωμα να λειτουργήσει αν χρησιμοποιήσουμε άλλη πηγή ενέργειας, όπως μια μικρότερη μπαταρία (π.χ. 1.5V);
Πώς επηρεάζεται η φωτεινότητα του LED από την αντίσταση του γραφίτη;
Τι θα συμβεί αν προσθέσουμε περισσότερα LED στο ίδιο κύκλωμα;
Πώς θα μπορούσαμε να μειώσουμε την αντίσταση στο κύκλωμα;
Πώς θα μπορούσαμε να κάνουμε το μονοπάτι του γραφίτη πιο αγώγιμο;
Πώς θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε ένα πιο περίπλοκο κύκλωμα χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνική;

Τι συμβαίνει;
Ο γραφίτης είναι μια μορφή άνθρακα, μοιάζει πολύ με κάρβουνο, με αγώγιμες ιδιότητες, που επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Σχεδιάζοντας παχιές γραμμές με το μολύβι στα διάφορα μοτίβα αυτοκινήτων που προτείνουμε εδώ, δημιουργούμε μια αγώγιμη διαδρομή που συνδέει τη μπαταρία και το LED, σχηματίζοντας ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα. Το φως του LED, όταν δηλαδή το λαμπάκι φωτίζει ή φωτοβολεί, επιβεβαιώνει τη καλή και σωστή λειτουργία του κυκλώματος.
Με άλλα λόγια, ο γραφίτης ως υλικό έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Το μολύβι δημιουργεί ένα αγώγιμο μονοπάτι, μια διαδρομή πάνω στο χαρτί. Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό (μπαταρία, γραφίτης, LED), το ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από το γραφίτη και ανάβει το LED λαμπάκι.
Ο γραφίτης είναι μια μορφή γαιάνθρακα με μοριακή δομή όπου τα άτομα του άνθρακα είναι οργανωμένα σε επίπεδα (στρώματα). Μέσα σε αυτά τα στρώματα, τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται, γεγονός που καθιστά τον γραφίτη καλό αγωγό ηλεκτρισμού. Αυτή η αγωγιμότητα επιτρέπει στα ηλεκτρόνια που προέρχονται από τη μπαταρία να διασχίσουν το μονοπάτι γραφίτη και να φτάσουν στο LED. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ροή φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρονίων) μέσα από έναν αγωγό. Στο πείραμα αυτό, η μπαταρία 9V παρέχει την απαραίτητη ηλεκτρική τάση που δημιουργεί τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων του κυκλώματος. Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό (δηλαδή συνδεδεμένο χωρίς διακοπές), τα ηλεκτρόνια μπορούν να "ρέουν" διαμέσου του γραφίτη, επιτρέποντας στο LED να ανάψει. Η αντίσταση ενός αγωγού επηρεάζει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Ο γραφίτης έχει μεγαλύτερη αντίσταση σε σχέση με έναν μεταλλικό αγωγό και η αντίσταση εξαρτάται από:

Το πάχος των γραμμών γραφίτη (παχύτερες γραμμές έχουν μικρότερη αντίσταση).
Το μήκος των γραμμών (μεγαλύτερο μήκος γραφίτη αυξάνει την αντίσταση).
Την ποιότητα και την πυκνότητα της γραφής, του αποτυπώματος, του ίχνους (πυκνότερη γραφή μειώνει την αντίσταση).

Η αντίσταση του γραφίτη μπορεί να περιορίσει τη φωτεινότητα του LED, καθώς λιγότερο ρεύμα μπορεί να φτάσει σε αυτό. Αν οι γραμμές είναι πολύ λεπτές ή ασυνεχείς, το κύκλωμα δεν θα λειτουργήσει ή θα έχει προβλήματα λειτουργίας και θα χρειάζεται βελτιώσεις. Ωστόσο, ο γραφίτης έχει μεγαλύτερη αντίσταση σε σύγκριση με τους μεταλλικούς αγωγούς (καλώδια ή αλουμινοκαλώδια), γι’ αυτό η ποιότητα του κυκλώματος εξαρτάται από το πάχος και την πυκνότητα των γραμμών γραφίτη.

Διδακτική αξιοποίηση

Το μικρό αυτό σχέδιο εργασίας (project) με τα "αυτοκινητομολυβοχαρτοκυκλώματα" ή "μουτζουροκυκλώματα", είναι μια εξαιρετική ατομική ή/και ομαδική εργασία για αξιολόγηση αλλά και διερεύνηση της κατανόησης των φαινομένων και εννοιών, που σχετίζονται με τα ηλεκτρικά κυκλώματα (τελική αλλά και διαμορφωτική αξιολόγηση). Πρόκειται για μια δραστηριότητα που αυξάνει την οικειοποίηση και τη δέσμευση των παιδιών, μέσα από τη διαδικασία κατασκευής του "δικού τους παιχνιδιού". Η κατασκευή αυτή εντάσσεται στην ενότητα "Ηλεκτρισμός" της Ε΄ τάξης και συγκεκριμένα στα ηλεκτρικά κυκλώματα [Φύλλα Εργασίας 4-8] και ενδέχεται να αποτελέσει μια ανακεφαλαιωτική δραστηριότητα. Πρόκειται για μια διασκεδαστική και εκπαιδευτική δραστηριότητα για την κατανόηση των βασικών αρχών του ηλεκτρισμού, της αγωγιμότητας, και του τρόπου λειτουργίας των κυκλωμάτων.Μπορείτε να κατασκευάσετε κι εσείς τα δικά σας "μουτζουροκυκλώματα" ή "μολυβοχαρτοκυκλώματα" και να τα μοιραστείτε με άλλα παιδιά και εκπαιδευτικούς.

Δείτε παρακάτω αυτοσχέδιο αυτοκινητομολυβοχαρτοκύκλωμα, με μπόλικο μουτζούρωμα