Proizvodnja struje za početnike

Okvirni plan rada

[osnovne informacije]

Trajanje: 5 dana (oko 30 radnih sati)

Broj djece: 4-5

Prikladno za dobnu skupinu: 11 godina naviše

Održano (kada i gdje):  SSF, od 28.7. do 3.8.2008.

[opis radionice]

Cilj radionice:

Upoznati polaznike sa osnovnim pojmovima iz područja elektro-magnetizma kroz izradu male hidroelektrane. Ideja je da polaznike upoznamo sa osnovnim pojmovima iz magnetizma  i indukcije el. struje, te da oni pomoću tog znanja naprave jednostavnu hidroelektranu od priručnih materijala.

Izvori informacija:

A Renewable Energy Project Kit: Water Power - http://www.re-energy.ca/t-i_waterbuild-1.shtml - Stranica sa koje smo preuzeli ideju za izradu hidroelektrane, s time da je naša verzija izgledala nešto drugačije. Dotična stranica sadrži i druge projekte vezane uz obnovljive izvore energije. Planove u PDF formatu možete naći ovdje.

Interaktivni moduli: Magnetizam - http://magnetizam.ifs.hr/ - Web stranica izrađena u Flashu koja sadrži niz interaktivnih animacija koje mogu poslužiti za objašnjavanje pojmova iz područja magnetizma.

Linux Video Editing - http://www.robfisher.net/video/ - tutorial koji objašnjava osnove obrade videa pod Linuxom, što nam je trebalo za dio radionice u kojem se bavimo videom.

Izvođenje radionice:

Vrijeme trajanja naznačeno na početku je kondenzirano vrijeme koje bi vam trebalo da napravite hidroelektranu (HE) od koncepata do realizacije. Radionica je uključivala i dodatne sadržaje poput izrade bloga i obrade videa, te pripreme za završni dan tako da je ukupni posao raspoređen kroz 7 dana radionice:

1. dan:  Prvo je bilo potrebno upoznati osnovne koncepte iz elektro-magnetizma, no do kraja prvog dana napavili smo i prve zavojnice kako bi se relativno brzo stekla "Velika Slika" toga što radimo. Uglavnom nismo se koncentrirali na sve detalje koji bi se inače prošli u školi (za to ima vremena i kasnije) već smo fenomenološki pokušali pojasniti indukciju struje.

Mi smo počeli sa magnetima s obzirom da je shvaćanje magnetskog polja najvažnija stvar ako želite napraviti HE.

OPREZ: u većini ovih pokusa radili smo sa slabijim valjkastim magnetima - magnete u obliku diska smo koristili isključivo za dizajn HE s obzirom da su dosta jaki (~1T), te zbog toga jako interreagiraju, što može uzrokovati ozljedu ako neoprezno rukujete s njima. Dotični magneti se jako privlače na manjim udaljenostima i ako vam iskliznu mogu pričepiti prste ili komad kože između sebe što je dosta bolno. Također svi ovi magneti su dosta krhki tako da ih često udaranje magnetom o magnet (npr. uslijed privlačenja) može slomiti - mi smo ih na taj način izgubili nekoliko, a nisu baš jeftini ;-)

U tu svrhu možete vizualizirati mag. polje pomoću crtanja silnica - stavite (zalijepite) manji valjkasti magnet na list papira i zatim pomoću magneta odredite silnice u okolini magneta. Potrebno je pojasniti i vektore (ukratko). Važno je uočiti da polje ima smjer i da nije svugdje jednako gusto (tj. oko polova je gušće).

Također polje smo vizualizirali pomoću željezne prašine - prašinu raspršite po komadu papira i ispod papira stavite magnet i zatim se sa njim igrajte ispod papira (rotirajte, pomičite, udaljavajte i približavajte ...) - na ovakav način se silnice mogu vizualizirati i u prostoru, a ne samo na 2D plohi.

Nakon toga smo promatrali kako se magneti ponašaju u okolini drugih magneta (odbijanje-privlačenje), te u blizini drugih materijala (razni metali, drvo, plastika ...). Najvažnije otkriće nam se desilo sasvim slučajno, no dakako za svaki slučaj ovo bi svakako trebalo "inscenirati" :-) Jedan od dječaka je pustio magnet (ovaj put u obliku diska) da pada u blizini noge od stola, koja je bila metalna (ne znamo točno koji materijal) - i svi su ostali začuđeni kada magnet nije pao uobičajenom brzinom već usporeno otklizio do poda. Naravno dobro pitanje je zašto i tu polako uvlačimo indukciju struje i struju uopće! U ovom stadiju ne želite se ukopati u detaljima već okvirno pojasniti da se to dešava zbog indukcije struje.

NAPOMENA: pokušajte unaprijed naći neki predmet u okolini na kojoj možete pokazati ovaj efekt ili donesite dovoljno veliki komad bakra niz koji će se magnet zagarantirano polako spuštati - klasično se ovaj pokus izvodi puštanjem magneta kroz tanku bakrenu cijev.

Nakon ovog opažanja možemo napraviti i uvijete u kojima možemo mjeriti tu "struju" ili "napon" (u ovim trenutcima im nije bilo jasno što to točno je, a opet vrlo vjerojatno ni kasnije :) Počeli smo sa trljanjem magneta o jednu žicu koja je bila spojena na multimetar - dakako ovo će dati minuciozne strujice, ako i bude išta mjerljivog. Nakon toga smo dodavali sve više žica što nam daje sve više struje (iako i dalje jako malo).  Također je važno uočiti da je brzina kretanja magneta izrazito važna - što brže mičemo magnet to više promjena mag. polja imamo, što pak znači da će se inducirati veća struja. Ovdje je važno uočiti da ako dodajemo više žica dobivamo više struje, što nas zajedno sa opažanjem da ovako dobivamo malo struje dovodi do problema - kako dobiti neku uporabljivu struju, npr. dovoljno za upaliti žarulju? Zato uvodimo novo "pakiranje" u obliku zavojnice.

Na kraju 1. dana napravili smo svoje prve zavojnice od 30ak namotaja oko kemijske olovke. Odrežite vrhove kućišta kako biste dobili malu plastičnu cijev kroz koju može prolaziti valjkasti magnet, a izvana namotajte žicu. Sada možete staviti magnet u zavojnicu i brzo tresti (sa prstima zatvorite šuplje krajeve) - ovo sada daje značajno (iako i dalje malo) veće struje od situacije sa ravnim žicama. Uočit će se i da "urednije" zavojnice bolje rade, tj. zavojnice kojima se navoji ne preklapaju i sjeku već su fino namotani jedno pored drugog.

Dakle u prvom danu se prolaze pojmovi magnetskog polja, indukcije struje, napona, struje i kako ih mjeriti, te kako napraviti jednostavnu zavojnicu. Sa pojašnjavanjima nismo ulazili u dubinu već smo htjeli da dečki uoče osnovne "dizajnerske" probleme sa proizvodnjom struje. To je ostavilo dosta rupa u razumijevanju, no to je bilo i za očekivati - dodatna objašnjenja smo ostavili za 3. dan iako općenito smo mogli dodati još sadržaja u kojima objašnjavamo osnovne koncepte koji su i inače dosta teški.

2. dan:  Nakon završetka jednostavnih zavojnica krenuli smo u izradu kompliciranijih, tj. većih. Dobar dio dana je bio potrošen na izradu veće zavojnice, s tim da su dečki sami birali koliko će zavoja raditi (ali moralo je biti barem 100). Kućište se radilo od kartona koji je bio savijen u neki oblik (ono za što su procijenili da je čvršće - bilo je svega od trokuta do nepravilnih n-terokuta ;-)

"Najveći" problem je bilo računanje potrebne duljine žice - s obzirom da je sva naša žica bila na jednom velikom kolutu morali su unaprijed znati koliko im žice treba kako bi svako mogao uzeti svoj dio.  Brzo su došli do ideje da im treba "opseg puta broj namotaja", no namučili su se sa opsegom svojih kućišta koja su uglavnom bila nepravilna. Nakon toga imali smo vježbu iz matematike, a onda i konkretno razvlačenje i mjerenje žice (što je zauzelo cijelu prostoriju). Veličine su u prosjeku po 20m.

Nakon toga slijedi dugotrajan posao namatanja, a onda i testiranja vlastitih kreacija. Poslijepodne smo uglavnom proveli u snimanju i obradi videa.

3. dan: Ujutro smo potrošili na mozganje - ponavljanje dosad naučenog i pojašnjavanje onog što nije bilo jasno, a nakon toga i smišljanje toga kako ustvari napraviti HE.

U procesu se vidjelo da dakako dosta toga nije sjelo, a dosta toga i nije bilo pojašnjeno kako se spada u početku. Nakon što smo utvrdili osnove krenuli smo dalje: kako radi prava HE, i kako bi smo mi mogli napraviti jednu manju?

Ovo je bio dosta težak proces s obzirom da dosta toga nije samo tako očito - najviše smo se namučili sa uvođenjem rotacijskog sustava zato jer se transferzalni (mahanjem magneta simo-tamo kao što smo dosad radili) ispostavilo veoma nepraktično. No na kraju smo domozgali do svih ključnih dijelova prave HE - turbine, te rotora i statora koji zajedno čine generator. Jedini dio koji smo ubacili mi (mentori) je bio detalj da ćemo moći napraviti bolje zavojnice ako unutra stavimo feritnu jezgru, za što bi nam inače trebalo previše vremena.

Popodne smo utrošili nešto vremena na izradu zavojnice sa jezgrom, a dio na pretakanje ideje kako radi stvarna elektrana u to kako to izvesti sa materijalima na raspolaganju, što je također bio izazov.

Mi smo kupili materijale po konkretnom planu koji se može realizirati, ali im dotične upute nismo davali već su opet sami morali doći do rješenja. Izmjene u odnosu na originalne upute su to što smo mi koristili veće zavojnice (1000 namotaja sa jezgrom).

4. i 5. dan: kad su do kraja razvijeni planovi za izvedbu naše mini-HE koji su se protegli od prošlog dana prešli smo na konkretnu izradu koja je trajala dosta dugo - većina vremena potrošena je na izradu zavojnica, ali dosta vremena je otpalo i na samu montažu i testiranje, tako da se završni dio protegnuo i na 6. dan.

6. i 7. dan: Početkom 6. dana još smo završavali i testirali stvari - pokazalo se da su jezgre u zavojnicama problem s obzirom da se jako privlače za naše magnete što uzrokuje puno trenja. Cijela stvar se okreće samo pod jakim mlazom vode (a onda se stvarno OKREĆE :)

Jedan dio dana potrošen je i na lemljenje - bilo je potrebno napraviti trošilo, za što smo se na kraju odlučili napraviti slovo Č od LEDica.

Također dosta vremena je potrošeno na pripremu za zadnji, 7. dan kada su održane prezentacije za roditelje.

Izrada Bloga i obrada videa: uz samu radionicu dosta vremena je potrošeno i na izradu bloga koji je na kraju koristila cijela LjTZ, a također i na obradu videa. Snimali smo razne stvari tokom radinice i onda to montirali zajedno (za to vam treba digitalna kamera, koju smo mi posudili, te programi za obradu gdje smo mi odabrali besplatnu opciju korištenja Cinelerre i Kina pod Linuxom). U početku smo htjeli pokazati i osnove HTML-a, ali smo od toga odustali zbog manjka interesa.

[materijali]

Magneti:

DISK N35/Ni (R=20,h=5 mm), 13,00kn (artus d.o.o) - 8 komada

VALJAK N35/Ni (R=5, h=30 mm), 7,83 (artus d.o.o.) - 8 komada

ukupno: 166,64 kn

Žica:

Emajlirana-bakrena (didakta) - 520kn

(napomena: ovo je bila okvirna cijena, na kraju smo nabavili 2km žice od veleprodajnika po upola manjoj cijeni)

Potrošni materijal:

TINOL 100g 0,7mm , 22kn (chipoteka)

Izolir-traka, (iz obližnjeg dućana) - 5-10kn

Pleksiglas - uzeto iz Ćumeza (inače nabavljivo u Pevecu i sl.)

Al, Cu, Fe, Plastična i Staklena pločica - teško za kupiti, lakše se negdje posudi ;)

Pluteni čep (veliki) - 2 komada

Plastične žlice - 20 komada

Osovina - nešto 20 cm dugačko - 2 komada

Ležajevi - 2 komada (našli u Ležaj trade d.o.o., prilagodite promjer prema onom što nađete za osovinu)

Plastični kartnistar (3-4 L) - 2 komada

Plastično ravnalo Donau 30cm, 2,20kn - 2 komada

PROFI skalpel 18 mm, 11,90kn (limes plus d.o.o.) - 2 komada

Donau uredske škare 15 cm, 7,90kn (limes plus d.o.o.) - 2 komada

Olovke

MULTIMARK marker FABER-CASTELL crni, 6,80kn (limes plus d.o.o.) - 2 komada

Ukupno: 150-200kn

Alati:

WELLER LEMILO 220/25W SP 25, 171.40kn (chipoteka)

WELLER STALAK KOMPLET KH-20, 149kn (chipoteka)

PILA 150 MM PLASTIČNA DRŠKA, 29,95kn (chipoteka)

DT-830 B DIGITALNI MULTIMETAR, 59,59kn (chipoteka) - 4 komada

SET KABLOVA S KROKODILIMA, 14kn (chipoteka) - 2 komada

SET MULTIFUNKCIONALNI (KLIJEŠTA,NOŽ), 49,99kn (chipoteka) - 4 komada

KOMPAS & POVEČALO (XD-410701), 19,99kn (chipoteka)

PIŠTOLJ ZA VRUĆE LIJEPLJENJE PATTEX (sa 6 patrona), 85 kn (chemaco)

Osciloskop - posudba (najjeftiniji je nešto manje od 1000kn)

Ukupno: 923,35 kn

Sve zajedno: 1810kn

Mentori:

Damjan Jelić

Ivan Novosel

Kratki opis radionice:

Originalno zvano: Skriveni svijet magnetizma, struje i računalne obrade podataka - djeca su upoznata sa ljudskom oku nevidljivim svijetom magneta, magnetizma i magnetskog polja, strujnih krugova, a sva svoja znanja na kraju su usmjerila u konstrukciju male hidroelektrane. Drugi dio radionice bavio se računalnom obradom podataka, kreiranjem bloga, upoznavanjem sa informatičkim programima i snimanju dokumantarca o svim radionicama. Blog pod nazivom summersciencefactory.blog.hr bio je zajednički svim grupa i namjena mu je da se

tokom radionica, ali i po njihovom završetku održe kontakti i razmjene ideja među polaznicima. Blog sadrži opise projekata koji su djeca radila, slike i video snimke dječjih radionica. Sav sadržaj bloga napravljen je od strane djece.

Sudionici radionice:

Duje Jurić

Josip Duplančić

Roko Vilibić

Tomas Pinjušić

Stjepan Bilač