Elektricitet | Til fysiksiden
El-lære
Elektricitet - eller bare el - er grundlaget for den elektriske energi, der er en af de vigtigste energiformer, vi har i det moderne samfund. Vi bruger el til at levere energi til rigtig mange, at de opgaver, vi måske tager for givet i det daglige. Uden el ville vores mobiler og computere ikke virke. Der ville ikke være noget internet. Vi ville ikke kunne nedkøle vores madvarer, og en stor del af produktionen i industrien ville ikke kunne foregå.
Elektricitet og magnetisme hører uløseligt sammen. Derfor skal vi også beskæftige os med magnetisme og elektromagnetisme.
Elektricitetens historie
Mennesker har kendt til nogle af elektricitetens egenskaber siden oldtiden. De gamle grækere havde bl.a. lagt mærke til, at rav under visse omstændigheder kunne tiltrække andre ting. Grækerne vidste ikke, at det var statisk elektricitet, der gav ravet disse kræfter, men det græske ord for rav, ἤλεκτρον, eller "elektron" er stadig nært forbundet med fænomenet elektricitet.
I mange år var el ikke noget, man brugte til noget praktisk formål. Man var forundret over de "magiske" ting, der skete, når noget - fx et menneske - blev ladet med statisk elektricitet. Rige mennesker i 1700-tallet lavede shows, hvor de demonstrerede elektricitetens forunderlige egenskaber for måbende gæster.
Grækeren Thales (624 – 546 fvt) filosoferede meget over, hvorfor rav nogle gange kunne flytte med ting.
"Rigtig strøm"
I år 1800 lavede italieneren Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta en forløber for det, vi i dag kender som batteriet. Dermed kunne man få en støt, elektrisk strøm, som opstod på baggrund af to metallers elektrokemiske reaktion med hinanden.
Her til venstre kan du se Voltas "batteri"; den såkaldte voltasøjle. I voltasøjlen placeres en skive af kobber, en skive af zink og en skive af syregennemvædet filt i lag ovenpå hinanden. Den øverste kobberskive udgør batteriets pluspol, og den nederste zinkskive udgør minuspolen.
Opgave: lav en voltasøjle Ved hjælp af DETTE ARK.
Voltas batteri gjorde, at man kunne sende en elektrisk strøm gennem ting, der kunne lede strømmen. Var batteriet stort nok, kunne man gøre en metaltråd varm, når strømmen passerede igennem den. Det viser, at der bliver overført energi, når der passerer elektrisk strøm gennem fx en metaltråd!
Alessandro Volta
H. C. Ørsted
En spole med ni vindinger
Magnetisme og elektricitet
Den store, danske fysiker Hans Christian Ørsted kendte til Voltas batteri, og han eksperimenterede med at sende strøm gennem forskellige ting. Han mente, at der blev udkæmpet en kamp mellem nogle modsat rettede kræfter, og denne kamp medførte, at en metaltråd blev varm og måske endda lyste, hvis man sendte en elektrisk strøm gennem den. Det fik ham til at tænke, at det ville være naturligt, hvis magnetisme på en eller anden måde var indblandet i denne "kamp".
I 1820 kom han, i forbindelse med nogle forelæsninger han holdt på universitetet, frem til det forsøg, der gjorde ham verdenskendt. Han påviste, at når der går en elektrisk strøm gennem en leder, så dannes der et magnetfelt.
Opgave: Udfør Ørsteds forsøg.
H. C. Ørsteds forsøgsopstilling
Hvis man tager metaltråden fra Ørsteds forsøg og laver en "spiral" af den som vist her til venstre. En sådan "spiral" kaldes en spole, og i tilfældet her er der tale om en spole med ni "omgange" eller ni vindinger.
Når metaltråden er vundet op som en spole, vil metaltrådens magnetfelt forme sig om alle vindingerne og blive tilsvarende forstærket. Klik på videoen her til højre for at se, hvordan magnetfeltet dannes, når en strøm går gennem spolen.
Man laver spoler med mange flere vindinger end ni. I fysik bruger vi spoler med 200, 400 og 1600 vindinger. Spolerne er lavet, så man nemt kan sætte ledninger til. Metaltråden i spolerne er isoleret med et lag lak.
En ny måde at lave elektricitet på
Ørsteds forsøg blev kendt vidt omkring, og mange gjorde det efter. I england sad videnskabsmanden Michael Faraday også og arbejdede med elektricitet og magnetisme. Han opdagede, at Ørsteds opdagelse - at der skabes et magnetfelt omkring en leder, hvori der går en elektrisk strøm - kunne foregå "baglæns". Dvs. at når der er et varierende magnetfelt i nærheden af en spole, skabes der en elektrisk strøm i spolen. Kort sagt opdagede han, at hvis man bevæger en magnet i nærheden af en metaltråd, så dannes der elektrisk strøm i tråden. Vi kalder det induktion. Induktion er altså, når:
Når der er et varierende magnetfelt i nærheden af en spole, skabes der en elektrisk strøm i spolen.
Michael Faraday
Opgave: Lav forsøg med induktion i spoler og med galvanometer.
Elektrisk strøm er elektroner, der vandrer
Som vi ved fra det faglige kursus Atomet, er elektroner meget små partikler, der er negativt ladede. Denne ladning gør, at elektronen kan påvirkes af et magnetfelt. Vi kan sige, at når vi laver forsøget med induktion, så "skubber" vi elektronerne rundt i lederen, når vi bevæger magneten ned i spolen.
Elektrisk strøm
Generatoren
Vi kan udnytte induktionsprincippet meget mere effektivt end i øvelsen, hvor vi brugte stangmagneter. Hvis vi bruger en roterende magnet og spænder den fast i forhold til en spole med en jernkerne i, kan vi opnå en højere spænding.
Opgave: Byg en simpel generator og mål på spændingen. Brug dette ark.
Den strøm, vi producerer med en generator, kaldes vekselstrøm. Spændingen, vi måler, kaldes vekselspænding. Det betyder, at den positive og negative pol veksler efterhånden som magnetens poler skifter position. her er en skitse, der viser det:
Elektricitet er en energiform
Som vi så i det faglige kursus Energi, er det ofte el-forbrug, vi tænker på, når vi taler om vores energiforbrug. Elektrisk energi kan let overføres til andre energiformer, som lys, varme og bevægelse.
For at forstå elektricitet som en energikilde, skal vi først se på begreberne spænding, strømstyrke og effekt.
Elektrisk energi er en kombination af spændingen og strømstyrken i et kredsløb. Som vi ved er elektricitet defineret som elektroner, der bevæger sig.
Spændingen er den ladning, som disse elektroner repræsenterer - vi kan for nemheds skyld sige, at hver elektron har en "energipakke" med sig. Har vi en høj spænding, har hver elektron en stor energipakke med, og hvis vi har lav spænding, har de en lille energipakke med. Vi måler spænding i volt.
Strømstyrke er antallet af elektroner, der strømmer gennem en leder i et bestemt tidsrum. Strømmer der mange forbi, har vi en høj strømstyrke, og strømmer der få forbi har vi en lav strømstyrke. Vi måler strømstyrke i ampere.
Effekten er spændingen ganget med strømstyrken og er et udtryk for, hvor meget energi, der bliver overført. Vi måler effekten i watt. Effekt kan også måles i joule pr sekund.
Se eksemplerne herunder:
Effekt er spænding gange strømstyrke
Jeg er et afsnit. Klik her for at tilføje din egen tekst eller redigere mig. Det er nemt.Når vi skal finde ud af, hvor meget elektrisk energi, vi bruger (overfører), skal vi kende spændingen og strømstyrken. Har vi de størrelser kan vi nemt finde effekten, og kender vi effekten, kender vi også antal joule, der bliver overført pr sekund.
Kigger man på forskellige el-apparater, kan man se, hvilken effekt apparatet har, når det er tilsluttet strøm. Her til høre er en el-kedel, og vi kan se, at kedlen skal tilsluttes en spænding på 230 volt og har en effekt på 1840 Watt.
Opgave: Hvor mange ampere, vil der være i kredsløbet, når den viste kedel er tilsluttet?
Vi bygger en lille el-kedel
En el-kedel er egentlig ganske enkelt bygget op. Man sender strøm gennem en metaltråd, så den bliver varmet op. Metaltråden varmer så vandet i kedlen op. Man har også sat en varmefølsom kontakt i el-kedelen, så den selv slukker, når vandet koger.
Her til højre ses opbygningen af en meget simpel el-kedel.
Du kan se byggevejledningen her.
Når vi har bygget vores lille el-kedel, kan vi begynde at bruge den til at udføre måling af energioverførsel. Se evt. det faglige kursus om energi for at få frisket energibegrebet op.
Når vi skal beregne, hvor meget elektrisk energi, vi overfører, bruger vi disse oplysninger:
Effekt = spænding gange strømstyrke
og
Effekt = joule pr sekund.
Derfor kan vi også sige, at:
spænding gange strømstyrke = joule pr sekund
Og det vil sige:
Joule = spænding gange strømstyrke gange sekunder
Vi ved også, at det kræver 418 Joule pr grad celsius 100 ml vand bliver opvarmet.
Nu har vi alle faktorerne, der skal til for at beregne virkningsgraden af vores el-kedel!
Brug vejledningen HER.