circuitelor de curent alternativ

Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VI-a, 2008 257

Programarea în Lab View a circuitelor de curent alternativ

Liliana Violeta Constantin Grup Şcolar “Dimitrie Gusti”, Bucureşti, Universitatea Hyperion,

Bucureşti, România e-mail: [email protected]

Abstract Lucrarea abordează studiul circuitelor de curent alternativ şi prezintă o modalitate de integrare a simulărilor realizate în mediul de programare Lab View în cadrul lecţiei de fizică. De asemenea, sunt evidenţiate avantajele utilizării acestei simulări. Evoluţia rapidă în domeniile: cunoaştere, tehnologie, comunicaţie, impune realizarea unei reforme a sistemelor de predare, învăţare, evaluare, având în vedere aplicarea tehnologiei informaţiei şi comunicaţiilor în învăţământ. Programul Lab View are o interfaţă grafică prietenoasă, dezvoltă cultura vizuală, prezintă facilităţi de prelucrare rapidă a datelor, efectuarea de calcule, afişarea rezultatelor, realizarea de grafice, tabele, experimente virtuale. Mediul realizează o economie de timp şi de material didactic şi duce la creşterea motivaţiei pentru studiul fizicii.

Noţiunea de calitate a fost identificată, ca necesitate, mai întâi în economie, apoi, a devenit obiectivul primordial şi pentru alte domenii, inclusiv pentru învăţământ. Progresul poate fi stăpânit numai prin performanţă, iar resursele umane sunt elementul cheie în această competiţie mondială. De aceea investiţia în capitalul uman şi, în special, investiţia în educaţie trebuie să devină una dintre cele mai rentabile. Măsura dezvoltării unei societăţi poate fi relevată nu numai de indicatorii economici şi de calitate ai vieţii ci şi de nivelul de educaţie al populaţiei.

Un rol important în realizarea cu succes a unei educaţii calitative centrată pe elev îl reprezintă dezvoltarea şi diversificarea curriculară la nivel de şcoală, creşterea caracterului aplicativ al cunoştinţelor şi activităţilor şi stimularea motivaţiei elevilor pentru învăţare. Într-o pedagogie centrată pe elev, este stimulată învăţarea prin cooperare şi folosirea metodelor interactive de grup. Prin interacţiunile sociale dintre elevi, între aceştia şi profesori, între elevi şi comunitate, se realizează construcţia progresivă a cunoştinţelor şi abilităţilor. Această ancorare a noilor cunoştinţe în structura informaţională deja existentă nu poate fi temeinic făcută doar prin intermediul activităţii proprii.

Învăţământul modern dezvoltă o metodologie axată pe acţiune, pe metodele interactive care să solicite mecanismele gândirii, ale inteligentei, imaginaţiei şi creativităţii. „Activ” este elevul care depune efort de reflecţie personală, interioară şi abstractă, care întreprinde o acţiune mentală de căutare, de cercetare şi de redescoperire a adevărurilor, de elaborare a noilor cunoştinţe. Se pune accentul pe formativ, pe dezvoltarea proceselor cognitive, important fiind cum elevul foloseşte ceea ce a învăţat, nu cât a învăţat.

Munca activă şi creativă a elevului are la bază procedee de construcţie a cunoaşterii, de restructurare a ideilor, de reformare a gândirii, metacogniţia. Însuşirea strategiilor metacognitive are în vedere reflectarea din partea elevului asupra propriei identităţi, ca subiect al învăţării, efectuând analize de nevoi şi aşteptări educaţionale proprii intereselor sale, în concordanţă cu particularităţile şi posibilităţile cognitive, practice şi de efort intelectual şi fizic de care dispune. Metacogniţia presupune şi analiza gradului de dificultate a sarcinilor de

258 Universitatea din Bucureşti şi Universitatea “Ovidius” Constanţa

învăţare şi a strategiilor oportune de rezolvare eficientă a acestora. Atitudinea activă şi creatoare a elevilor este o consecinţă atât a stilului de predare al profesorului cât şi a obişnuinţei elevului de a se raporta la sarcină. Stimularea activismului şi a creativităţii în şcoală presupune favorizarea unui mediu de învăţare interactiv, incitator şi dinamic. Condiţiile şi situaţiile specifice care pot duce la dezvoltarea spiritului investigativ, a gândirii divergente, a atitudinii creative şi active în şcoală, pot fi considerate următoarele:

• Încurajarea elevilor să pună cât mai multe întrebări, • Limitarea constrângerilor şi a factorilor care produc frustrare, • Stimularea comunicării prin organizarea de discuţii şi dezbateri • Activizarea elevilor prin solicitarea lor de a opera cu idei, concepte, obiecte în vederea

reconsiderării acestora şi a emiterii de noi variante, • Cultivarea independenţei cognitive, a spontaneităţii şi a autonomiei în învăţare, • Stimularea spiritului critic constructiv, a capacităţii de argumentare şi de căutarea

alternativelor, • Favorizarea accesului la cunoaştere prin forţe proprii, stimulând atitudinea reflexivă

asupra propriilor demersuri de învăţare, • Posibilitatea de a contesta „lămuritul” şi „nelămuritul” în lucruri şi în fapte, • Utilizarea metodelor moderne de predare, învăţare, evaluare.

Profesorul este cel care trebuie să găsească cele mai eficiente modalităţi prin care să stimuleze potenţialul creativ al fiecărui elev în parte. Pentru a realiza acest lucru trebuie modificat destul de mult modul de gândire şi stilul de lucru al profesorului la clasă, cristalizate în secole de învăţământ tradiţional, prea puţin preocupat de personalitatea elevului, de dorinţele şi aspiraţiile acestuia, de posibilităţile sale creative! "Atunci când predarea se pliază pe nevoile elevilor, atitudinea acestora se schimbă şi se obţin rezultate mai bune". (Cotfon, 1998).

Lecţia devine astfel «o aventură a cunoaşterii» în care elevul participă activ, după puterile proprii, întâlnind probleme şi situaţii dificile, examinându-le şi descoperind soluţii plauzibile. Rolul profesorului constă, mai mult, în cel de stimulare şi îndrumare. Profesorul trebuie să ofere elevilor posibilitatea de a-şi exprima părerea într-o atmosferă neautoritară, promovând o atitudine deschisă, prietenoasă, pozitivă şi receptivă, apreciind ideile bune ale elevilor şi acordând înţelegere nereuşitelor. El îngăduie elevului să-şi manifeste curiozitatea, indecizia, interesul pentru schimbul de informaţii. Profesorul trebuie să trateze de fiecare dată întrebările elevilor cu interes, să respecte opiniile acestora şi să le întărească constant convingerea că pot emite idei valoroase, antrenându-i şi în procesul de evaluare, comunicându-le criteriile de evaluare şi oferindu-le timpul necesar exersării propriilor capacităţi. Profesorul trebuie să fie activ şi creativ, să manifeste un comportament şi o atitudine pozitive în acest sens. Misiunea profesorului nu trebuie să înceteze odată cu terminarea lecţiei. El trebuie să cunoască potenţialul creativ al fiecărui elev şi modalităţile de stimulare, să sesizeze manifestările creative ale acestora, în afara orelor de clasă, în activităţile extra-şcolare, să-l facă pe elev conştient de propriile capacităţi şi să îi dezvolte capacitatea şi obişnuinţa auto-evaluării. Profesorul permite elevului să-şi asume riscuri intelectuale, să speculeze, să facă asocieri nebănuite, oferindu-i însă sprijin în situaţii de frustrare, eşec, nesiguranţă, ambiguitate. Elevul trebuie considerat un participant activ şi creativ la propria formare. Şcoala trebuie să ţină pasul cu noul, actualizând atât cunoştinţele cât şi metodele de predare, învăţare, evaluare, dar mai ales introducând calculatorul în procesul instructiv-educativ.

Pentru a oferi şanse egale tinerilor noştri cu ale celorlalţi tineri din lume se impune modernizarea procesului de învăţământ. De aceea lucrarea abordează tematica educaţiei de calitate, prezentând o modalitate de desfăşurare a unei lecţii de fizică. Realizând astfel de lecţii, elevii şi profesorii pot asigura calitatea în învăţământul preuniversitar.

Noţiunile noi sunt prezentate utilizând o prezentare Power Point. Curentul alternativ este curentul care îşi schimbă periodic sensul. Circuitele de curent

alternativ sunt circuite electrice alimentate cu tensiuni electromotoare alternative.


Intensitatea efectivă a curentului alternativ este mărimea „I” egală cu intensitatea unui curent continuu care, străbătând acelaşi rezistor ca şi curentul alternativ, produce aceeaşi căldură Joule ca şi curentul alternativ, în acelaşi interval de timp.

2mI

I =, 2

mUU =

Circuitul de curent alternativ cu rezistor

tUtu m ωsin)( =

tIti m ωsin)( =

Riu *=

SlR *ρ= , unde „R” este rezistenţa electrică, „l” este lungimea conductorului, „S” este aria

secţiunii transversale a conductorului, iar „ρ” este rezistivitatea electrică a materialului din care este confecţionat conductorul. După valoarea rezistivităţii materialele pot fi clasificate astfel: conductoare (ρ 10-8-10-5 Ωm), semiconductoare (ρ 10-5-107 Ωm) şi izolatoare (ρ 108-1020 Ωm). Rezistivitatea depinde de temperatură. )](1[ 00 tt −+= αρρ , unde ρ, este rezistivitatea materialului la temperatura t, ρ0 este rezistivitatea materialului la temperatura t0, aleasă ca referinţă, α, este numit coeficient termic al rezistivităţii [α]SI = grad -1.

Rezistorul nu produce defazaj între curentul stabilit prin el şi tensiunea aplicată.

Circuitul de curent alternativ cu condensator

tUtu m ωsin)( =

)2

sin()( πω += tIti m

CX C ω

1=

reactanţa capacitivă, „C” este capacitatea condensatorului.


Într-un circuit de curent alternativ cu condensator ideal, intensitatea este în avans de fază cu ”π/2” faţă de tensiune.

Circuitul de curent alternativ cu bobină

)2

sin()( πω += tUtu m

tIti m ωsin)( =

LX L ω= reactanţa inductivă, „L” este reactanţa bobinei. Într-un circuit de curent alternativ cu bobină ideală, tensiunea este în avans de fază cu „π/2”

faţă de intensitate. Circuitul de curent alternativ RLC serie

)sin()( ϕω += tUtu m , tIti m ωsin)( = , φ=defazajul

În cazul în care UL = UC se produce rezonanţa tensiunilor. Rezultă XL = XC deci ω0L = 1/( ω0C),

deci LCπυ

21

0 = frecvenţa de rezonanţă

Perioada tensiunii alternative la rezonanţă este dată de formula lui Thomson: LCT π20 =

RLU

XIU LrezL0ω

==

CRUXIU CrezC

0ω==

CLR uuuu ++= iiii CLR ===

msm IZU ⋅= 22 )( CLs XXRZ −+= RXX CL −=ϕtg

LC1

0 =ω


Factorul de calitate al circuitului Q este: CL

RUU

UUQ CL 1)()(

00=== == ωωωω

Impedanţa caracteristică a circuitului este CLZ =0

Figura 1. Simularea realizată în Lab View pentru studiul circuitului de curent alternativ

RLC serie

Circuitul de curent alternativ RLC paralel

tUtu m ωsin)( = , )sin()( ϕω −= tIti m , φ = defazajul În cazul în care IL = IC se produce rezonanţa intensităţilor.

Figura 2. Simularea realizată în Lab View pentru studiul circuitului de curent alternativ

RLC paralel

Simularea realizată în Lab View poate fi folosită la studiul circuitului RLC serie pentru vizualizarea independentă sau simultană a dependenţelor de timp ale tensiunilor la bornele

uuuu CLR === CLR iiii ++=

p

mm Z

UI =2

2

1111⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=

CLp XXRZ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

CL XXR 11tgϕ


circuitului şi la bornele elementelor de circuit. La studiul circuitului RLC paralel VI poate fi folosit pentru vizualizarea independentă sau simultană a dependenţelor de timp ale intensităţilor prin ramurile circuitului şi prin circuitul principal. Se pot evidenţia influenţele pe care modificarea valorilor unor elemente de circuit le are asupra defazajului. De asemenea se poate observa fenomenul de rezonanţă. Softul este util deoarece osciloscoapele obişnuite nu sunt osciloscoape multispot, deci nu permit observarea simultană a mai multor tensiuni sau intensităţi, astfel încât să poată fi evidenţiat defazajul. De asemenea realizarea experimentului real consumă foarte mult timp, iar elementele de circuit se pot deteriora.

Pentru realizarea simulării RLC serie şi RLC paralel, s-au utilizat în interfaţa cu utilizatorul următoarele elemente: patru elemente Digital Control necesare pentru a controla valorile de intrare ale rezistenţei, inductanţei, capacităţii şi frecvenţei tensiunii de alimentare; un element de control de tip Meter utilizat pentru a regla valoarea efectivă a tensiunii de alimentare; un element de control de tip Horizontal fill slide folosit pentru modificarea bazei de timp; patru întrerupătoare Round Led necesare pentru selectarea tensiunilor sau intensităţilor a căror variaţie în timp se doreşte a fi vizualizată; un element pentru reprezentare grafică de tip Waveform Graphs care permite vizualizarea dependenţei valorilor instantanee ale tensiunilor sau ale intensităţilor în funcţie de timp; două elemente Digital Indicator necesare pentru a indica valorile impedanţei circuitului şi defazajului.

Cu ajutorul comutatoarelor de pe panoul principal se pot selecta tensiunile sau intensităţile ce vor fi vizualizate individual sau simultan pe ecranul osciloscopului. Rezonanţa se poate obţine prin modificarea valorilor frecvenţei curentului alternativ, a inductanţei bobinei sau a capacităţii condensatorului. De asemenea se poate urmări comportamentul lui UL şi UC, respectiv IL şi IC în apropierea rezonanţei. Se poate compara valoarea afişată pentru defazaj şi pentru impedanţa circuitului cu cele obţinute prin calcul matematic cu ajutorul formulelor fizice. Se poate observa diferenţa dintre tensiunea maximă şi tensiunea efectivă şi diferenţa dintre intensitatea maximă şi intensitatea efectivă.

Aplicaţia poate fi folosită în lecţie atât pentru acumularea de noi cunoştinţe, cât şi pentru recapitulare sau pentru verificarea soluţiilor unor probleme. Pentru fixarea cunoştinţelor teoretice elevii au la dispoziţie un rebus.

5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Rebus:

1. Circuit RLC de curent alternativ a cărui impedanţă se calculează cu formula:


2. Este definit de relaţia: CL

RUU

UUQ CL 1)()(

00=== == ωωωω

3. Element de circuit alternativ pentru care intensitatea este în avans de fază cu π/2 faţă de tensiune.

4. Circuit RLC de curent alternativ a cărui impedanţă se calculează cu formula:

5. Curent electric care îşi schimbă periodic sensul.

6. Element de circuit alternativ pentru care tensiunea este în avans de fază cu π/2 faţă de intensitate.

7. Fenomen datorită căruia efectul capacitiv se compensează cu efectul inductiv astfel încât defazajul φ=0.

8. Mărime fizică definită de relaţia: CLZ =0

9. Element de circuit alternativ pentru care nu se produce defazaj între curentul stabilit prin el şi tensiunea aplicată.

10. Valori ale curentului şi ale tensiunii alternative egale cu 2mI

I = şi respectiv cu

2mU

U =.

5

1 P A R A L E L

2 F A C T O R D E C A L I T A T E

3 C O N D E N S A T O R

4 S E R I E

5 C U R E N T

6 B O B I N A

7 R E Z O N A N T A

8 I M P E D A N T A C A R A C T E R I S T I C A

9 R E Z I S T O R

10 V A L O R I E F E C T I V E

Mediul de programare Lab View permite realizarea unor aplicaţii simple dar foarte utile în

cadrul orelor de fizică.

2

2

1111⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=

CLp XXRZ

22 )( CLs XXRZ −+=


Bibliografie

[1] Rodica Ionescu Andrei, Cristina Onea, Ion Toma, Fizica, Ed. Art, Bucuresti, 2006 [2] Tom Savu, Neacşu Ion, Grigorescu Ştefan, Garabet Elena Mihaela, Bazele instrumentaţiei

virtuale LabVIEW, Ed. Atelier Didactic, Bucureşti, 2006 [3] Liliana Ciascai, Didactica fizicii, Ed. Corint, Bucureşti, 2001 [4] Anghel Sorin, Malinovschi Viorel, Iorga Simăn Ion, Stănescu Costel, Metodica predării

fizicii, Ed. Arg Tempus, Piteşti, 1995 [5] Crenguţa Lăcrămioara Oprea, Strategii didactice inovative, Ed. Didactică şi Pedagogică, R.

A., Bucuresti, 2008

circuitelor de curent alternativ

Documents