Uspostava stacionarnog stanja - Nastavni pristup površinskim nabojima u istosmjernim strujnim krugovima Katarina...

4. Uspostava stacionarnog stanja
Kako dolazi do uspostave stacionarnog stanja u primjeru iz prethodnog poglavlja? Električno polje unutar vodiča otvorenog strujnog kruga iznosi nula, a površinska je gustoća naboja približno jednaka duž vodiča. Kada se krug zatvori dolazi do preraspodjele površinskog naboja. Električno polje i struja elektrona unutar vodiča regulirani su preraspodjelom naboja. Takav mehanizam, u kojem se pojave unutar strujnog kruga reguliraju površinskom raspodjelom naboja, naziva se mehanizam povratne veze, a stanje do uspostave stacionarnog stanja naziva se prijelaznim stanjem.
Koliko dugo traje prijelazno stanje? Slika 5. prikazuje uvećanu pukotinu između dva nespojena kraja vodiča sa slike 3. Prije kontakta dvaju vodiča uspostavljeno je ravnotežno stanje, površinska raspodjela naboja se ne mijenja u vremenu, kao ni električno polje unutar vodiča. Rezultantno električno polje unutar vodiča iznosi nula. Naboji s unutrašnje strane pukotine (zaokruženi na slici 5.) stvaraju električno polje označeno crnim strelicama, . Električno polje označeno sivim strelicama uzrokuju svi ostali naboji, naboji na površini vodiča i na bateriji. Ta dva električna polja su po iznosu jednaka, a smjerovi su im suprotni. Zbog toga je u točkama unutar vodiča označenima križićem rezultantno električno polje nula.
|
|
Slika 5.Rezultatno električno polje unutar vodiča u nespojenom strujnom krugu
|
Slika 6. Tok elektrona unutar vodiča nakon spajanja strujnog kruga, prije uspostave stacionarnog stanja
|
Kada napokon dođe do kontakta vodiča naboji unutar pukotine se neutraliziraju i time nestaje električno polje . Slobodni će se elektroni unutar metala početi kretati u skladu s novonastalom situacijom iz područja negativne površinske raspodjele prema području pozitivne, te od ili prema površini vodiča. (Slika 6.) Takav tok elektrona prorjeđuje površinski naboj oko mjesta gdje se nekoć nalazila pukotina. Područje prorijeđene površinske raspodjele naboja širi se prema polovima baterije s obje strane mjesta kontakta gotovo brzinom svjetlosti. Vrijeme koje je potrebno za pomak elektrona prema ili od površine vodiča je zanemarivo, budući da se elektroni moraju infinitezimalno pomaknuti da bi se uspostavila značajna raspodjela površinskog naboja potrebna za uspostavu stacionarnog stanja. Dakle, u samo nekoliko nanosekundi preraspodjela površinskog naboja proširi se na čitavi strujni krug.
Zanimljivo je razmotriti što se događa sa strujom elektrona i površinskom raspodjelom naboja kada se ravni dio vodiča u krugu savije. (Slika 7.) Nadolazeći elektroni „ne znaju“ odmah što se dogodilo s vodičem, već nastavljaju kretanje u izvornom smjeru i nailaze na zavoj u koji se zalijeću i počinju se nakupljati na površini vanjske strane zavoja. Višak površinskog naboja na zavoju vodiča djeluje na dolazeće elektrone i zakreće ih u smjeru zavoja. Elektroni se nakupljaju na površini zavoja sve dok ih ne bude onoliko koliko ih je potrebno da se svi ostali nadolazeći elektroni zakrenu u smjeru vodiča.
|
Slika 7. Savijeni dio vodiča i zakretanje elektronske struje unutar njega
|
5. Nastavni pristup
Razrađen i prilagođen sadržaj, opisan u prethodna dva poglavlja, prezentiran je učenicima 3. razreda V. zagrebačke gimnazije i studentima 3. semestra sveučilišnog studija nastavnog smjera fizike na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu. Kada se učenike ili studente zatraži da obrazlože svoj model toka struje u strujnom krugu javljaju se krive predodžbe o mehanizmu toka struje. Vodiče strujnog kruga zamišljaju kao cijevi punjene vodom, struju elektrona unutar vodiča poistovjećuju sa strujom vode, a zatvaranje strujnog kruga s otvaranjem slavine. Pojedini studenti već su otprije bili upoznati s postojanjem površinske raspodjele naboja. Bez obzira na to, oni koji su i znali ponešto o površinskim nabojima nisu razumijevali koliku važnost ti naboji imaju u analizi strujnih krugova.
Tijekom diskusije, jednostavnim potpitanjima, učenici su navedeni na zaključak kako unutar vodiča u strujnom krugu mora postojati električno polje. Na pitanje o nabojima koji uzrokuju električno polje unutar vodiča, prvobitno predlažu naboje s baterije, a kasnije izlažu i druge mogućnosti, poput naboja unutar samih vodiča. Informaciju o postojanju površinskih naboja prihvaćaju s iznenađenjem, kako pozitivnim tako i negativnim. To predstavlja novi fizikalni pojam s kojim dosad nisu upoznati. Površinska raspodjela naboja kod učenika ne predstavlja problem u shvaćanju, pogotovo kada se pojam raspodjele poveže s onim što već znaju iz elektrostatike. Nakon što usvoje ideju o postojanju površinske raspodjele naboja učenici se mogu pozabaviti njenim utjecajem na strujni krug. Tako su na pitanje o skretanju elektrona u vodiču kada je vodič savijen ili zapetljan u čvor, predlagali razne ideje, te je sama činjenica da postoji novi pojam o kojem mogu promišljati postala pojedinim učenicima interesantna. U svojim odgovorima na daljnja pitanja baratali su novousvojenim pojmom o površinskoj raspodjeli naboja.
Studenti su nakon detaljnog analiziranja, diskutiranja i grafičkog prikazivanja pojedinih koraka do uspostave stacionarnog stanja u strujnom krugu, dobili okvirnu sliku o ulozi površinske raspodjele naboja. Rješavanjem problemskih situacija korištenjem mehanizma povratne veze i prikazivanjem površinske raspodjele naboja dobili su važan dio slike mehanizma toka struje u strujnim krugovima. Kod analize skretanja struje (Slika 7.) otvorenost prema „novoj“ interpretaciji bila je dobra, te su, kao i srednjoškolski učenici, studenti uvidjeli da postoji još jedan zanimljiv fizikalni pojam koji pritom objašnjava i olakšava stvaranje prijeko potrebne predodžbe o mehanizmu toka struje u strujnom krugu.
6. Zaključak i implikacije za nastavu
U samo dva nastavna sata održana sa studentima pokazalo se da ovakva analiza nudi novu kvalitativnu predodžbu mehanizma strujnih krugova. Uvrštavanje sadržaja prezentiranih u trećem i četvrtom poglavlju ovog rada u nastavni program ima svoje prednosti, ali i nedostatke. Nedostatak je taj što bi se nastavno gradivo povećalo, dok su prednosti sljedeće: ujedinjenje elektriciteta kao cjeline, analiziranje strujnih krugova na mikroskopskoj razini korištenjem pojmova površinske raspodjele naboja i električnog polja, detaljnije upoznavanje prijelaznih pojava i uspostave stacionarnog stanja. Sve navedene prednosti doprinose stvaranju čvršće, jasne i ispravne predodžbe mehanizma toka struje u jednostavnim strujnim krugovima.
S druge strane, iskustvo s poučavanjem gimnazijalaca nije donijelo toliko prednosti koliko nedostataka. Učenicima je gradivo, u mnogočemu pojednostavljeno u odnosu na gradivo namijenjeno studentima, bilo predugačko i teško za savladavanje. Tek je četvrtina učenika uspijevala pratiti sadržaj od početka do kraja, odgovarati na pitanja i sudjelovati u diskusijama. Oni koji su sudjelovali i pratili sadržaj dolazili su do dobrih ideja pri rješavanju problemskih situacija, čime se dalo naslutiti da su predočeni sadržaj i razumjeli. Takvi su učenici dobili bazu za daljnje razumijevanje elektriciteta. Teško je procijeniti je li pristup elektricitetu predočen u ovom radu osigurao ikakav napredak u poimanju strujnih krugova i razvoju modela toka struje kod učenika koji nisu mogli pratiti sadržaj. Na temelju svega rečenog možemo zaključiti da bi se analiza strujnih krugova uporabom raspodjele površinskih naboja mogla prezentirati naprednijim učenicima, koji su sposobni i voljni naučiti više, na dodatnoj nastavi fizike.
7. Reference
1 H. Härtel, Test about voltage – A basic term in eletricity, prezentirano na GIREP, Opatija, Hrvatska, kolovoz 2007.
2 R.W. Chabay, B.A. Sherwood, Electric and Magnetic Interactions, Wiley&Sons, NY, SAD, 1995.
3 H. Härtel, A Qualitative Approach to Electricity, Report # IRL87-0001, Institute for Research on Learning , Paolo Alto, CA, SAD, 1987.
4 H. Härtel, The Electric Voltage, iz: Aspects of understanding electricity: Proceedings of an international conference, IPN/Shmidt & Klauing, Kiel, Njemačka, 1985.
5 Duit, R. & Rhöneck, C. v. Learning and understanding key concepts of electricity. In Tiberghien, A., Jossem, E. L. & Barojas, J. (Eds.), Connecting research in physics education with teacher education. International commission on physics education 1997, 1998.
|