ฟิสิกส์ สสวท. - 8 รักษพล ธนานุวงศ์...

นตยสาร สสวท.

8 รกษพล ธนานวงศนกวชาการ สาขาฟสกส สสวท. / e-mail: rthan@ipst.ac.th

ในปจจบนและอนาคตอนใกล แบตเตอรจะเปนแหลงกกเกบและใหพลงงานหลกในการใชชวตของผคน เพราะนอกจากแบตเตอรจ�านวนมหาศาลทใชในอปกรณพกพาหลากหลายทมปรมาณการใชเพมขนทกวนแลว การทผคนสวนใหญเรมหนมาใชพลงงานทดแทน เชน พลงงานแสงอาทตย พลงงานลม หรอ พลงงานน�า เพอรบมอ กบสภาวะการขาดแคลนน�ามนและแกสธรรมชาต และ การแกปญหาจากสภาวะเรอนกระจก แบตเตอรจะเปนอปกรณส�าคญส�าหรบใชกกเกบพลงงานเหลานในชวงเวลาทมการผลตสง เชน ในชวงทแดดจา หรอ ลมพดแรง และเปนแหลงจายพลงงานทกกเกบไวในชวงทมการผลตต�า เชน ในชวงกลางคน หรอ วนทไมมลมพด นอกจากน แบตเตอรย ง เป นอปกรณจ ายพลงงานหลกของยานพาหนะท ขบเคลอนดวยพลงงานไฟฟา ซงก�าลงกาวเขามาแทนท ย านพาหนะท ใช พ ล ง ง านจ าก เช อ เ พล ง ฟอส ซ ล การท�ากจกรรมการเรยนร เกยวกบแบตเตอร และการชารจแบตเตอรดวยพลงงานทดแทนทเปนมตรกบ สงแวดลอม หรอ ทเรยกวา พลงงานสะอาด นอกจากจะ ชวยสรางความเขาใจเกยวกบวทยาศาสตรและเทคโนโลย ของพลงงานสะอาดและแบตเตอรแลว ยงเปนการสรางเสรมทกษะและเจตคตในการน�าสงทไดเรยนรมาใชประโยชนในชวตประจ�าวน สงเสรมใหเกดการเรยนรอยางมความหมาย อกทงยงชวยใหผเรยนไดเขาใจถงแนวทางการใชแหลงกกเกบและใหพลงงานทส�าคญในอนาคตอยางแบตเตอรทปลอดภย สามารถยดอายการใชงานของแบตเตอรไดนาน และจดการแบตเตอรทใชแลวไดอยางถกวธ ไมสงผลกระทบกบสงแวดลอม

ในบทความน เปนการน�าเสนอชดกจกรรมการเรยนรเกยวกบการน�าพลงงานสะอาดมาชารจแบตเตอรของโทรศพทมอถอ โดยมการบรณาการเนอหาสาระในเรอง ปฏกรยาเคม ไฟฟาเคม วงจรไฟฟา อปกรณอเลกทรอนกส ไฟฟากระแส และ พลงงานทดแทน ซงผสอนสามารถน�าไปจดเปนกจกรรมใหกบทงผเรยนในระดบมธยมศกษาตอนตนและมธยมศกษาตอนปลาย ภายในชดกจกรรม ประกอบดวยกจกรรมการเรยนรยอยจ�านวน 3 กจกรรม ไดแก กจกรรมท 1 ท�าความรจก กบแบตเตอร กจกรรมท 2 ชารจแบตเตอรดวยพลงงาน แสงอาทตย และ กจกรรมท 3 ชารจแบตเตอรดวย การปนจกรยาน ซงมรายละเอยดดงตอไปน

กจกรรม ชารจแบตเตอรดวย

พลงงานสะอาด

9

ปท 43 ฉบบท 196 กนยายน - ตลาคม 2558

กจกรรมท 1 ท�ำควำมรจกกบแบตเตอร

เวลำ 1 ชวโมง

จดประสงค1. อธบายหลกการท�างาน ประเภท และ สมบตของแบตเตอร แตละประเภท2. อธบายแนวทางการใชและเกบรกษาแบตเตอรทปลอดภย ชวยใหแบตเตอรมอายการใชงานไดนาน และ ไมสงผลกระทบ ตอสงแวดลอม

แนวทำงกำรจดกจกรรมกำรเรยนร ผสอนสรางความสนใจ (5 นาท) ดวยการใชค�าถาม เชน ใครใชโทรศพทมอถอ หรอ แทบเลต บาง และ ในอนาคตอปกรณเหลานจะมปรมาณการใชเพมขนหรอ ลดลง จากนน ผสอนชใหเหนวา อปกรณพกพาตาง ๆ จะท�างานไมไดหากไมมแบตเตอร การท�าความเขาใจเกยวกบหลกการท�างานของแบตเตอร จะชวยใหผ เรยนเปน ผบรโภคอปกรณทใชพลงงานจากแบตเตอรไดอยางปลอดภย ยดอายการใชงานแบตเตอร และสามารถจดการกบแบตเตอรทไมใชแลวไดอยางถกวธ ไมสงผลกระทบตอสงแวดลอม

ผสอนใหผเรยนส�ารวจแบตเตอรในโทรศพทมอถอของผเรยน จากนนน�าผเรยนอภปรายเกยวกบ ลกษณะ ประเภท และสมบตของแบตเตอรจากข อมลบนตวแบตเตอร ในล�าดบตอมา ใหผเรยนแบงกลมออกเปนกลมละ 4 – 5 คน และใหแตละกลมใชเวลา 30 นาทสบคนขอมลเกยวกบแบตเตอรจากใบความรเกยวกบแบตเตอรทผสอนเตรยมไว หรออาจใหสบคนจากแหลงเรยนรตาง ๆ เชน เวบไซต หนงสอในหองสมด หรอ หนงสอเรยน โดยใหแตละกลมเลอกหวขอทสนใจ เชน(1) หลกการท�างานและองคประกอบของแบตเตอร(2) ประวตของการพฒนาแบตเตอร (3) ประเภทของแบตเตอรและขอด ขอจ�ากดของแบตเตอร แตละประเภท (4) แนวทางการชารจแบตเตอรแบบทตยภม(5) การใชแบตเตอรอยางมประสทธภาพ และปลอดภย (6) แนวทางการจดการกบแบตเตอรทใชแลว

ระหวางการสบคน ใหแตละกลมไดเตรยมตวน�าเสนอผลการสบคนหนาชนเรยน 3 – 5 นาท โดยใหใชสเมจก เขยนสรปความเขาใจในหวขอทไดท�าการสบคนเปนส�านวนของตนเอง และอาจวาดภาพ หรอ แผนภาพ ลงในกระดาษฟลปชารตเพอใชเปนสอส�าหรบการน�าเสนอหนาชนเรยน ระหวางการน�าเสนอ ผสอนประเมนความเขาใจเกยวกบแบตเตอร ทกษะการสอสาร การท�างานรวมกนของผเรยน

จดประสงค1.อธบายแนวทางการใชเซลลแสงอาทตยในการชารจแบตเตอร

วสดอปกรณ (ตอ 1 กลม)

1. เซลลแสงอาทตย ขนาด 5.5 – 6 V 1 อน 2. โทรศพทเคลอนทพรอมแบตเตอร 1 เครอง3. มลตมเตอร 1 เครอง4. สายชารจโทรศพทเคลอนทแบบ USB 1 เสน5. USB ตวรบพรอมสายไฟ 1 อน6. ตวตานทาน 1 อน 7. โคมไฟ 1 อน สายไฟพรอมปากหนบสแดง-ด�า 2 ค

กจกรรมท 2 ชำรจแบตเตอรดวยพลงงำนแสงอำทตย

เวลำ 1 ชวโมง

วสดอปกรณ (ตอ 1 กลม)1. กระดาษฟลปชารต 1 แผน2. สเมจก 1 ชด

นตยสาร สสวท.

10แนวทำงกำรจดกจกรรมกำรเรยนร ผสอนสรางความสนใจดวยการใชค�าถาม ( 5 นาท) เชน • ในอนาคต ทตองเผชญกบปญหาสภาวะขาดแคลนพลงงาน และ ปญหาดานสงแวดลอม การน�าพลงงานสะอาดมาใช มขอจ�ากดส�าคญคออะไร • ถาตองการน�าพลงงานสะอาด เชน พลงงานจากแสงอาทตย หรอ พลงงานลม มากกเกบไว เพอใชในเวลาทตองการ จะมแนวทางอยางไร ผสอนแจงใหผเรยนทราบวา ในกจกรรมน ผเรยนจะไดเรยนรแนวทางการชารจแบตเตอรของโทรศพทมอถอดวยเซลลแสงอาทตย (45 นาท) จากนน ใหแตละกลม รบชดอปกรณและใบกจกรรม และเรมการท�ากจกรรม โดย ใหน�าเซลลแสงอาทตยไปไวในบรเวณทมแดด (ในกรณทบรเวณภายนอกหองเรยนมแสงแดดไมเพยงพอ หรอ มฝนตก ใหใชแสงจากโคมไฟแทนแสงอาทตย) ใหผ เรยนบนทกลกษณะการจดวางเซลลแสงอาทตย เชน วางราบกบพน หรอ วางตงฉากกบพน ถดมา ใหผเรยนตอตวตานทานเขากบเซลลแสงอาทตย และใชมลตมเตอรวดกระแสไฟฟา และ แรงเคลอนไฟฟาของเซลลแสงอาทตย บนทกผลลงในใบกจกรรม ใหผเรยนปรบเปลยนต�าแหนงและการจดวางเซลลแสงอาทตยในลกษณะตาง ๆ อก 2 - 3 ลกษณะ และบนทกลกษณะการจดวาง คากระแสไฟฟา และ แรงเคลอนไฟฟาทวดได ใหผ เรยนทดสอบการชารจแบตเตอรโทรศพทเคลอนทดวยเซลลแสงอาทตย โดยใชสายไฟปากหนบเชอมตอระหวางเซลลแสงอาทตยกบ USB ตวรบ ซงไดม การบดกรเพอเชอมตอกบสายไฟเรยบรอยแลว ดงแสดงในภาพท 1

จากนน เชอมตอ USB ตวรบ กบหว USB ตวเสยบของสายชารจโทรศพทเคลอนทแบบ USB ดงแสดงในภาพท 2 สงเกตสถานะการชารจของโทรศพท

ภายหลงการท�ากจกรรม ใหผเรยนกลบมาทหองเรยน เพออภปรายผลการท�ากจกรรม (5 นาท) โดยถาโทรศพทเคลอนทไมแสดงสถานะการชารจ ใหผเรยนใชสงทไดเรยนรเกยวกบแบตเตอรและการชารจจากกจรรมท 1 ใน การอภปรายถงสาเหต และบนทกผลการอภปราย หรอ ถาโทรศพทเคลอนทแสดงสถานะการชารจ ใหอภปรายเกยวกบแนวทางทชวยใหการชารจแบตเตอรโทรศพทเคลอนทดวยเซลลแสงอาทตยไดเตมความจไดเรวทสด บนทกผล การอภปรายลงในใบกจกรรม ภายหล งจากท ผ เร ยนได ท� ากจกรรมชาร จแบตเตอรดวยพลงงานแสงอาทตยแลว ผสอนน�าอภปรายและสรปกจกรรม (5 นาท) ซงควรสรปไดวา การน�าเซลลแสงอาทตยมาชารจแบตเตอร ควรมการค�านงถงแรงเคลอนไฟฟา และ กระแสไฟฟาทเหมาะสม กบแบตเตอร ทน�ามาชารจ ถาเซลลแสงอาทตยมแรงเคลอนไฟฟานอยเกนไป อาจมการน�ามาตอกนแบบอนกรม เพอเพมแรงเคลอนไฟฟา แตถาเซลลแสงอาทตยมกระแสไฟฟานอยเกนไป อาจมการน�ามาเชอมตอกนแบบขนาน โดยคาแรงเคลอนไฟฟ าและกระแสไฟฟ าท ใช ชาร จแบตเตอร ไมควรมคามากเกนกวาทแบตเตอรจะรบได เพราะอาจท�าใหแบตเตอรเสยหายและเกดอนตรายได นอกจากน การจดวางเซลลแสงอาทตย มผลกบประสทธภาพใน การเปลยนพลงงานแสงอาทตยเปนพลงงานไฟฟา

ภำพท 1 USB ตวรบทมกำรบดกรสำยไฟทขวส�ำหรบกำรเชอมตอกบ

เซลลแสงอำทตย

ภำพท 2 กำรเชอมตอเซลลแสงอำทตยกบสำยชำรจโทรศพทเคลอนท

แบบ USB เพอชำรจแบตเตอร

11

ปท 43 ฉบบท 196 กนยายน - ตลาคม 2558

ในการประเมนผล ผสอนสามารถประเมนความเขาใจเกยวกบ พลงงานทดแทน วงจรไฟฟา การชารจแบตเตอร ไดจากใบกจกรรม นอกจากน ผสอนสามารถประเมนการท�างานรวมกนเปนทมไดจากการสงเกต

แนวทำงกำรจดกจกรรมกำรเรยนร ผสอนสรางความสนใจและเชอมโยงสงทไดเรยนรจากกจกรรมท 2 (5 นาท) โดยใชค�าถาม เชน ถาจะเปลยนพลงงานสะอาด อยางเชน พลงงานลม หรอ พลงงานจากการปนจกรยาน มาเปนพลงงานไฟฟา แลวน�ามาเกบสะสมไวในแบตเตอรเพอใชในเวลาทตองการ จะมแนวทางอยางไร (แนวค�าตอบ ใชเครองก�าเนดไฟฟาหรอไดนาโมในการเปลยนเปนพลงงานไฟฟา กอนจะมการเชอมตอกบอปกรณเปลยนกระแสไฟฟาจากกระแสสลบเปนกระแสตรง และอปกรณชวยปรบแรงเคลอนไฟฟาใหเหมาะสมส�าหรบการชารจแบตเตอร) ใหผเรยนใชเวลา 30 นาท ในการศกษาเนอหาในใบความร เ กยวกบเครองก�า เนดไฟฟ าและอปกรณ อเลกทรอนกสทเกยวของกบการชารจแบตเตอร ซงไดแก ตวเกบประจ (capacitor) ไดโอด (diode) ตวกรองกระแสแบบเตมคลน (bridge rectifier) และไอซควบคมแรงเคลอนไฟฟา (voltage regulator) จากนน ผสอนน�า ผเรยนอภปรายเพอสรปเนอหาจากใบความร ซงควรสรปไดวา การชารจแบตเตอรดวยพลงงานกล จ�าตองอาศยอปกรณอ เ ลกทรอนกส ส�าหรบเปลยนกระแสไฟฟ า กระแสสลบเปนกระแสตรง และปรบแรงเคลอนไฟฟา ใหเหมาะสมกบแบตเตอรทตองการชารจ ผสอนใหความรเพมเตมกบผเรยนวา การทจะชารจแบตเตอรไดอยางปลอดภยและไมสรางความเสยหาย กบแบตเตอร ตองมอปกรณทชวยควบคมกระแสไฟฟา ใหมความสม�าเสมอ โดยปรมาณกระแสไฟฟาตองมปรมาณเพยงพอกบการชารจแบตเตอรดวย ส�าหรบวงจรทใชเปลยนกระแสสลบเปนกระแสตรงเตมคลนทสม�าเสมอ เพอใชในการชารจแบตเตอร สามารถแสดงไดดงภาพดานลาง

จดประสงค1. อธบายหนาท และแนวทางการใชงานของอปกรณไฟฟาอเลกทรอนกสท เกยวของกบการชารจแบตเตอรด วยพลงงานไฟฟาจากเครองก�าเนดไฟฟา

วสดอปกรณ (ตอ 1 กลม)

1. มลตมเตอร 1 เครอง 2. แผนสรางวงจรตนแบบ หรอ โพรโตบอรด 1 แผน 3. ไอซควบคมแรงเคลอนไฟฟาชนด 7805 1 อน 4. ตวเกบประจ 1000 F 1 อน 5. ตวกรองกระแสแบบเตมคลน 1 อน 6. คมปอกสายไฟ/คมตด 1 อน 7. สายไฟพรอมปากหนบ สแดงและด�า 2 ค 8. สายไฟสแดง และ สด�า 9. สาย USB ส�าหรบชารจโทรศพทเคลอนท 1 เสน 10. โทรศพทเคลอนทพรอมแบตเตอร 1 เครอง

กจกรรมท 3 ชำรจแบตเตอรดวยกำรปนจกรยำน

เวลำ 2 ชวโมง

ภำพท 3 ก. แผนภำพแสดงวงจรกรองกระแสตรงเตมคลน และ

ข. กรำฟแสดงลกษณะของกระแสไฟฟำทไดจำกวงจรกรองกระแสตรงเตมคลน

เทยบกบเวลำ

ข. ก.

R

R

C

C

+_

AC ii

t

i เมอตอ ขนานกบ

นตยสาร สสวท.

12 จากนน แบงผเรยนออกเปนกลมละ 4 – 5 คน และใหผ เรยนไดสรางอปกรณส�าหรบชารจแบตเตอรโทรศพทมอถอจากพลงงานไฟฟาทไดจากไดนาโมจกรยาน (70 นาท) โดยใหเชอมตออปกรณอเลกทรอนกสในลกษณะดงแผนภาพของวงจร ดงภาพท 4

ผเรยนอาจเชอมตออปกรณอเลกทรอนกสโดยการใชสายไฟรวมกบการบดกรบนแผนวงจรพมพ หรอ ผเรยนอาจใชโพรโตบอรด ซงไมตองอาศยการบดกร ภาพท 5 และ เ ม อผ เรยนได เช อมต ออปกรณ อ เลกทรอนกส ดงแผนภาพวงจรขางตนแลว ใหผสอนตรวจสอบความถกตองของการเชอมตอกอนใหผ เรยนน�าไปทดสอบกบไดนาโมจกรยาน (ในกรณทผสอนไมมจกรยานและไดนาโมทพรอมส�าหรบการทดสอบ สามารถใชหมอแปลงไฟฟาโวลตต�า ในการเปนแหลงก�าเนดไฟฟากระแสสลบแทนได)

ในการเชอมตอแผนวงจรทผ เรยนสรางขนกบไดนาโม ใหเชอมตอตามแผนภาพวงจรในภาพท 6 โดย ใชสายไฟพรอมปากหนบสแดงและสด�าเปนสายเชอม จากนน ใหใชมลตมเตอรวดแรงเคลอนไฟฟาทออกมาจาก ไอซควบคม โดยระหวางการท�ากจกรรม ผสอนควรระมดระวงความปลอดภยในการเชอมตอแผนวงจรทผเรยนสรางขนกบแหลงก�าเนดไฟฟา เพราะหากการเชอมตอไมถกตอง สามารถท�าใหเกดความรอนกบอปกรณ และเกดความเสยหายหรออนตรายกบผเรยนได

ภำพท 4 แผนภำพวงจรกำรเชอมตออปกรณอเลกทรอนกสส�ำหรบ

กำรชำรจแบตเตอรโทรศพทมอถอจำกพลงงำนไฟฟำทไดจำกกำรปนจกรยำน

ภำพท 5 ตวอยำงกำรเชอมตออปกรณอเลกทรอนกสตำมแผนภำพ

วงจรในภำพท 2 ดวยโพรโตบอรด (ภำพ ก.) และดวยแผนวงจรพมพ หรอ

แผนปรนต (ภำพ ข. และ ค.)

ก.

ข.

ค.

13

ปท 43 ฉบบท 196 กนยายน - ตลาคม 2558

ถาแรงเคลอนไฟฟาทผเรยนวดได มคาไมคงท หรอนอยกวา 4 โวลต ใหตรวจสอบการเชอมตออปกรณ และท�าการทดสอบอกครง จนกวาจะไดคาแรงเคลอนไฟฟาทมคาคงท และมคาประมาณ 5 โวลต (แบตเตอรของโทรศพทมอถอสวนใหญ มแรงเคลอนไฟฟาทเหมาะสมกบการชารจคอประมาณ 5 โวลต) บนทกคาแรงเคลอนไฟฟาในใบกจกรรม หลงจากไดท�าการวดคาแรงเคลอนไฟฟาแลว ใหน�าตวตานทานมาเชอมตอแบบอนกรมเขากบแหลงก�าเนดไฟฟาและแผนวงจร จากนน ใหวดกระแสไฟฟาของไฟฟาทไดจากแผนวงจรทสรางขน ถากระแสไฟฟาไมคงท ใหตรวจสอบการเชอมตออปกรณ จนกวาจะไดคากระแสไฟฟาคงท บนทกคากระแสไฟฟาในใบกจกรรม เมอแรงเคลอนไฟฟาทไดจากการป นจกรยานม คาคงท ใหทดสอบการชารจแบตเตอรโทรศพทมอถอดวย การปนจกรยาน โดยใชสายไฟปากหนบเชอมตอระหวางแผงวงจรกบ USB ตวรบ จากนน ใหเชอมตอ USB ตวรบ กบสายชารจโทรศพทเคลอนทแบบ USB ดงแสดงในภาพท 7 สงเกตสถานะการชารจของโทรศพท บนทกผล

หลงการทดสอบการชารจ ใหผเรยนแตละกลมอภปราย (10 นาท) ถง แนวทางการพฒนาและออกแบบการชารจแบตเตอรดวยการปนจกรยานใหมประสทธภาพมากยงขน สะดวกกบการใชงานมากขน รวมทง ขอควรระวงดานความปลอดภย ขอดและขอจ�ากดของการน�าพลงงานสะอาดแตละประเภทมาเกบไวในแบตเตอร จากนน ผสอนน�าผเรยนอภปรายและสรปกจกรรมชารจแบตเตอรดวยการปนจกรยาน (5 นาท) ผสอนประเมนการท�างานรวมกนจากการสงเกตพฤตกรรมของผเรยน ประเมนความเขาใจเกยวกบ การชารจแบตเตอรดวยพลงงานสะอาดประเภทพลงงานกลจากบนทกผลการท�ากจกรรม บนทกผลการอภปราย และการตอบค�าถามทายกจกรรมในใบกจกรรม นอกจากน ผสอนอาจเพมเตมการประเมนดานความรความเขาใจดวยแบบทดสอบหลงเรยน

ภำพท 6 กำรเชอมตอวงจรอเลกทรอนกสทประกอบแลวเขำกบไดนำโมจกรยำนเพอวดแรงเคลอนไฟฟำ

ภำพท 7 กำรเชอมตอวงจรอเลกทรอนกสทอยบนแผนวงจรพมพกบไดนำโมจกรยำนและสำยชำรจโทรศพทเคลอนทแบบ USB เพอชำรจแบตเตอร

Rechargeable Battery Recycling Corporation & National Geographic Society. Battery Lesson Plan. Retrieved September, 7 2015,

from http://www.panasonic.com/environmental/rbrc_lesson_plan.pdf

Buchman, I. Battery University. Retrieved August 15, 2015, from http://batteryuniversity.com/

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย. (2554). หนงสอเรยนรายวชาเพมเตม เคม เลม 4 ชนมธยมศกษาปท 4 – 6 กลมสาระเรยนรวทยาศาสตร

ตามหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐาน พทธศกราช 2551. กรงเทพฯ: สกสค. ลาดพราว. สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย. (2554). หนงสอเรยนรายวชาเพมเตม ฟสกส เลม 4 ชน มธยมศกษาปท 4 – 6 กลมสาระการเรยนร

วทยาศาสตร ตามหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐาน พทธศกราช 2551. กรงเทพฯ: สกสค. ลาดพราว.

ฝายพฒนาศกยภาพเยาวชนดานไอซท ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต. (2548). กาวทนโลกอเลกทรอนกส. จ. ปทมธาน. ส�านกงาน

พฒนาวทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงชาต (สวทช.)

บรรณำนกรม