Ρομποτική Α' Μάθημα 1ο - Ηλεκτρισμός

1. Ηλεκτρικό Ρεύμα

Σε κάποια υλικά (μέταλλα) ορισμένα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τα άτομα, έτσι δεν κινούνται γύρω από τον πυρήνα. Εκτελούν μια ελεύθερη τυχαία κίνηση μέσα στον χώρο του υλικού (Εικόνα 1). Τα ηλεκτρόνια αυτά τα ονομάζουμε ελεύθερα ηλεκτρόνια. Είναι δυνατόν σε έναν αγωγό να δημιουργηθεί κίνηση των ηλεκτρονίων προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση (Εικόνα 2). Η προσανατολισμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούμε να τα δούμε, άρα δεν μπορούμε να δούμε και το ηλεκτρικό ρεύμα. Καταλαβαίνουμε την ύπαρξή του από τα αποτελέσματά του.

Για να είναι δυνατή η ροή των ελεύθερων ηλεκτρονίων, για να έχουμε ηλεκτρικό ρεύμα, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ύπαρξη ενός κλειστού ηλεκτρικού κυκλώματος. Τα βασικά στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος είναι:

α) τα καλώδια (οι αγωγοί): μέσα από τους οποίους το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται,

β) η πηγή (π.χ. μπαταρία): που αναγκάζει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινηθούν,

γ) ο διακόπτης με τον οποίο μπορούμε να διακόψουμε τη ροή του ρεύματος, όποτε το επιθυμούμε, και
δ) η ηλεκτρική συσκευή (π.χ. λαμπάκι).

2. Ηλεκτρική Τάση

Στις ηλεκτρικές συσκευές εξασφαλίζουμε τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος με τις ηλεκτρικές πηγές (π.χ. μπαταρίες). Αυτές, καταναλώνοντας κάποια μορφή ενέργειας, διατηρούν σταθερή τάση (διαφορά δυναμικού) μεταξύ δυο σημείων, που ονομάζονται πόλοι (θετικός και αρνητικός). Έτσι, θέτουν σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια των μεταλλικών αγωγών με τους οποίους συνδέονται. Η τάση μετριέται σε V (Volt). Κάθε συσκευή λειτουργεί κανονικά με ορισμένη τάση που αναγράφεται στα χαρακτηριστικά της. Π.χ. σε έναν φακό με λαμπάκι πυράκτωσης παρατηρούμε ότι αρχικά φωτίζει αρκετά (λειτουργεί κανονικά), αλλά μετά από κάποιο διάστημα χρήσης η φωτοβολία μειώνεται (υπολειτουργεί). Είναι εύκολο να σκεφτούμε ότι αυτό συμβαίνει επειδή η τάση της μπαταρίας του μειώνεται. Όταν η τάση μηδενιστεί, δηλαδή όταν τελειώσει η μπαταρία, τότε το λαμπάκι πλέον δεν ανάβει.

3. Ηλεκτρική Αντίσταση

Η ηλεκτρική αντίσταση ενός αγωγού είναι η δυσκολία (αντίσταση) που παρουσιάζεται στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος δια μέσου του αγωγού. Η ηλεκτρική αντίσταση μετριέται σε Ωμ (Ω).

4. Στοιχεία Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων

Σε αυτήν την ενότητα θα παρουσιαστούν τα βασικά στοιχεία των κυκλωμάτων που θα χρησιμοποιήσουμε στις δραστηριότητες των μαθημάτων, πιο συγκεκριμένα θα παρουσιαστούν το breadboard, το led και οι αντιστάσεις.

4.1 BEADBOARD

Με το breadboard κατασκευάζουμε κυκλώματα χωρίς να κάνουμε καμία συγκόλληση. Το breadboard αποτελείται από μια επιφάνεια γεμάτη με τρύπες. Οι οριζόντιες τρύπες που σημειώνονται με μαύρο στο διπλανό σχήμα είναι μεταξύ τους συνδεδεμένες ανά πέντε. Στις τρύπες αυτές τοποθετούνται οι ακροδέκτες των εξαρτημάτων που θα δημιουργούν το κύκλωμα. Οι κάθετες τρύπες που σημειώνονται με κόκκινο πλαίσιο στο διπλανό σχήμα είναι όλες συνδεδεμένες μεταξύ τους και αν σε μια τρύπα συνδέουμε το (+) μιας μπαταρίας 1.5V τότε όλες οι κάθετες τρύπες μέσα στο κόκκινο πλαίσιο έχουν 1.5V. Οι κάθετες τρύπες που σημειώνονται με μπλε πλαίσιο στο διπλανό σχήμα είναι όλες συνδεδεμένες μεταξύ τους και σε μια τρύπα συνδέουμε το (-) μιας μπαταρίας και θα το καλούμε γείωση (GΝD).

Όταν τοποθετηθεί ένα εξάρτημα σε μία οριζόντια υποδοχή-τρύπα, τότε είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένο σε σειρά με οτιδήποτε άλλο τοποθετηθεί στην ίδια οριζόντια λωρίδα. Αυτό οφείλεται στις μεταλλικές γραμμές που είναι αγώγιμες και επιτρέπουν στο ρεύμα να ρέει σε κάθε σημείο τους. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να συνδέσετε μέχρι 5 εξαρτήματα σε κάθε λωρίδα.

4.2 LED

Τα led θα είναι τα μικρά φωτάκια των κυκλωμάτων μας. Επειδή στα δικά μας κυκλώματα η τάση τροφοδοσίας είναι 5 Volt, δεν μπορούμε να συνδέσουμε κατ' ευθείαν ένα LED στην τάση αυτή προκειμένου να το ανάψουμε, διότι αυτό θα καεί (αμέσως ή σιγά-σιγά). Για να ανάψουμε σωστά λοιπόν το LED, συνδέουμε σε σειρά μια κατάλληλη αντίσταση ώστε η τάση να μοιραστεί. Προσέξτε το μακρύ πόδι του LED να είναι από την θετική πλευρά (5V), και το μικρό πόδι του LED να συνδεθεί με μια αντίσταση, να είναι δηλαδή στην ίδια κατακόρυφη πεντάδα τρυπών και να συνδεθούν τέλος με τη γείωση (GND). Τα LED's ανάβουν μόνον όταν τα συνδέουμε με τη σωστή πολικότητα, και όχι ανάποδα. Την πολικότητα ενός LED την αναγνωρίζουμε από το μήκος των ακροδεκτών της. Ο μακρύτερος ακροδέκτης πρέπει να είναι σε θετική τάση ως προς τον κοντύτερο που πρέπει να συνδέεται με τη γείωση (GND).

4.3 Αντιστάσεις

Οι αντιστάσεις (διπλανό σχήμα) χρησιμοποιούνται για να μειώσουν την ποσότητα ρεύματος που διαρρέει ένα υλικό, όπως για παράδειγμα ένα led, ώστε να μην καεί. Όσο πιο μεγάλη είναι η αντίσταση σε Ω τόσο λιγότερη θα είναι η ποσότητα του ρεύματος που θα περάσει μέσα από αυτήν.

4.4 Καλώδια

Το καλώδιο είναι ένα σύρμα μονωμένο, το οποίο χρησιμοποιείται για την μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Στις δραστηριότητες των μαθημάτων, τα καλώδια τα χρησιμοποιούμε για να συνδέσουμε τα εξαρτήματά μας με το breadboard. Στις δραστηριότητες δεν θα χρησιμοποιούμε συνήθως απλά καλώδια (αριστερή φωτογραφία πάνω μέρος) αλλά για ευκολία καλώδια που έχουν ακίδες ή τρύπες (αριστερή φωτογραφία κάτω μέρος).

5. Όργανα Μετρήσεων

Σε αυτήν την ενότητα θα παρουσιαστεί το βασικό όργανο μετρήσεων που θα χρησιμοποιήσουμε στις δραστηριότητες των μαθημάτων, πιο συγκεκριμένα θα παρουσιαστεί το ψηφιακό πολύμετρο (φωτογραφία αριστερά). Στις δραστηριότητες των μαθημάτων το πολύμετρο θα χρησιμοποιηθεί ώστε να μετρήσουμε Ηλεκτρική Τάση και Ηλεκτρική Αντίσταση. Το πολύμετρο αποτελείται από τρία βασικά μέρη: α) Οθόνη β) Επιλογέα και γ) Ακροδέκτες. Ο επιλογέας βρίσκεται στο κέντρο του πολύμετρου και πρόκειται για έναν στρογγυλό διακόπτη. Ο διακόπτης αυτός ρυθμίζεται ανάλογα με το τι θέλουμε να μετρήσουμε (Τάση ή Αντίσταση) και σε ποια κλίμακα. Μέσα από τις επόμενες δραστηριότητες θα γίνει κατανοητή η λειτουργία του πολυμέτρου.

Δραστηριότητα 1η

Ολοκληρώνοντας το πρώτο μάθημα θα πρέπει να κατορθώσετε να κάνετε την παρακάτω συνδεσμολογία ώστε να δημιουργήσετε ένα κλειστό κύκλωμα και να ανάψετε το led.

Το παραπάνω κύκλωμα είναι ισοδύναμο με το παρακάτω μόνο που δεν χρησιμοποιούμε BEADBOARD παρά μόνο καλώδια.