960 Intro til elektricitet 1 af 2 De store byer ligger badet i lys. Hong Kong er ingen undtagelse. Vi bruger rigtigt meget elektricitet, ikke bare for at klare hverdagen, men også til at skabe stemning og hygge. Vi har gjort os afhængige af elektricitet Elektricitet er en vigtig del af det moderne samfund. Vi kan ikke leve uden. Et godt eksempel er mobiltelefonen. Vi går rundt med elektricitet i lommen 24-7. Køkkenet er fuld af elektriske apparater: Ovnen, komfuret, køleskabet, opvaskemaskinen, kogekedlen, brødristeren osv. Inde i stuen kan vi fortsætte med fjernsynet, DVD-afspiller, musikanlægget, playstation m.m. Så er der vaskemaskine, tørretumbler, fryser og støvsuger. Der er næsten igen ende på listen over hverdagens elektriske apparater. Opdagelser og opfindelser har banet vejen Det hele begyndte for ca. 200 år siden... I Italien var der en, der opfandt batteriet, se voltasøjlen til højre. En dansker opdagede magnetfeltet rundt om en strømførende ledning. En englænder blev inspireret og opdagede, at man kan lave strøm med en magnet og en spole. En amerikaner opfandt glødepæren, og så har vi elektrisk lys. Og så var grunden lagt for anvendelsen af elektricitet. Snart kom det til at gå rigtig stærkt. Vi fortsætter. Vi er ikke til at stoppe!
960 Intro til elektricitet 2 af 2 Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
960a Elektricitetens historie 1 af 2 Elektricitetens historie kort fortalt 2011: Første elbusser i København. 2009: TV-signalerne bliver alle digitale. 2000: Internettet er udbredt og bruges i mange privathjem. 1990'erne: Mobiltelefonen bliver udbredt, først i firmaer, senere blandt private. 1980'erne: Telefaxen bliver populær i firmaer. PC'en til private vinder frem. 1978: TV-avisen sendes i farver. 1951: Første fjernsynsudsendelser. 1937: Første tegnefilm med lyd i biograferne var Snehvide og de 7 små dværge. Elbus i København 1925: Danmarks Radio begynder at sende. 1912: Elektricitetsværket ved Tange Sø. 1906: Paris får elektrisk gadebelysning. 1900: Metroen i Paris åbner; eldrevet. 1897: J. J. Thomson opdager elektronen. 1879: Edison fremstiller sin første glødelampe. 1876: Graham Bell tager patent på telefonen. 1870: Søren Hjort opfinder dynamoen. 1835: Morse opfinder telegrafen. 1835: I England opdager Michael Faraday induktionsstrømmen, dvs. man kan lave strøm med en magnet og en spole. Generator på Tangeværket 1820: H.C. Ørsted opdager et magnetfelt omkring en ledning med strøm i. 1800: Volta konstruerer det første batteri. 1790: Galvani opdager strøm i frøer. 1752: Franklin fanger lynet. 1745: Strøm samles i en Leidnerflaske. 1705: Nollet laver en elektrisermaskine. 1680: Guericke laver statisk elektricitet. Voltasøjle Telefon
961 Ørsteds forsøg 1 af 2 Opdagelsen der for alvor satte gang i brugen af elektricitet. Magnetfelt omkring en strømførende ledning I 1820 opdagede H.C. Ørsted, at der et magnetfelt rundt om en ledning med strøm i. Vi kan let påvise elektromagnetisme. Vi holder en strømførende ledning på langs hen over en kompasnål. Kompasnålen vil dreje og stille sig på tværs i forhold til ledningen. Altså må der være et magnetfelt. Magnetnålen slår forskelligt ud alt efter om man holder ledningen over eller under ledningen. Magnetfeltet går rundt om ledningen i en cirkulær bane. Der skal over 2 ampere til at påvise magnetfeltet med de kompasnåle, vi bruger i fysik. Stor strømstyrke Vi sætter en lyspære fra en bil ind i det kredsløb, vi anvender til Ørsteds forsøg. Ellers kortslutter vi strømforsyningen. Pæren er mærket med 60 Watt og 12 Volt. 60W = 12V * 5 A Watt = Volt * Ampere Strømstyrken bliver derfor 5 ampere, dvs. rigeligt til at påvise et magnetfelt rundt om ledningen. Højre hånd og tommel-finger-regel Der er flere regler omkring strøm, magnetisme og højre hånd. Her er der da også en, selv om den ikke er så kendt: Hold højre hånd i strømmens retning, dvs. fra plus mod minus. Nordpolen vil da dreje ud mod tommelfingeren. Det virker selvfølgelig kun, hvis du har hånden over ledningen. Du skal også holde hånden med håndfladen ned mod ledningen. Men reglen er nu sjov alligevel.
961 Ørsteds forsøg 2 af 2 H.C. Ørsted (1777-1851) Dansk fysiker og Den Polytekniske Læreanstalts første direktør. Opdagede elektromagnetismen 1820, og fremstillede som den første metallet aluminium 1824. Inspireret af europæiske studierejser i 1800-tallets begyndelse stiftede han 1824 Selskabet for Naturlærens Udbredelse. I 1814 fremsatte han forslag til en dansk betegnelse for en række kemiske ord. Eksempler på Ørsteds ord er: Ilt (oxygen), brint (hydrogen), rumfang, vægtfylde, mindretal, tidevand. Alle er ord, der bruges i dag. I alt skabte Ørsted 2.000 ord og orddannelser. Billede: H.C. Ørsted på Gåsetorvet i Rudkøbing, Langeland Vi tager en tur til Langeland H.C. Ørsted er født og opvokset på Langeland. Vi besøger hans hjemby, Rudkøbing. Gåsetorvet i Rudkøbing med statuen til venstre og hans barndomshjem, apoteket, til højre. Statuen af H.C. Ørsted har denne indskrift på bagsiden af soklen. Ørsteds opdagelse af elektro-magnetismen var altså i 1820. Læs mere på nettet om... H.C. Ørsted Ørstedssatelitten Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
962 Induktion og vekselspænding 1 af 2 - vi laver elektricitet Elektromagnetisme er et stort emne inden for fysik, kemi og biologi. I hverdagen har vi gjort os totalt afhængige af elektricitet. Sådan opstår elektricitet Vi går lige i gang med at kommentere forsøget, vi laver for at vise, hvordan man kan lave elektricitet. Forsøget viser, at når man bevæger en magnet tæt på eller ned i en spole, så opstår der induktion, dvs. elektricitet. Viseren på galvanometeret går enten til den ene eller den anden side alt efter om du... vender nordpolen opad eller nedad putter magneten ned i eller trækkes den ud af spolen Induktionspændingen i ledningerne skifter altså mellem + og -. Der opstår vekselspænding. Her på billedet til højre kommer sydpolen først ned i spolen. Galvanometeret slår ud til den anden side i forhold til billedet oven over. Når man laver elektricitet på denne måde, omdanner man mekanisk energi til elektromagnetisk energi. Normalt må man ikke sætte de to spoler så tæt på hinanden. Her er det gjort for få et godt billede. Stangmagneten forstyrrer nemlig galvanometret. Her til højre ses en roterende magnet. På et tidspunkt er det nordpolen, der passerer jernkernen, og bagefter er det sydpolen. Derfor opstår der vekselspænding i spolen. Plus og minus skifter hele tiden. Der skal bruges energi for at trække magneten rundt. Det kan man gøre med vand-, vind- eller motorkraft. Årsagen til energiforbruget er, at når spolen påvirkes af et magnetfelt, opstår der elektricitet i spolen. Spolens magnetfelt er modsatrettet det udefra kommende magnetfelt. Jo mere energi man vil have ud at spolen, jo mere energi skal man bruge for at dreje magneten rundt. Forsøget viser, at når man bevæger en magnet tæt på eller i en spole, så opstår der induktion, dvs. elektricitet. Når man laver elektricitet på denne måde, omdanner man mekanisk energi til elektromagnetisk energi. Tværbølger En dynamo er i princippet det samme som forsøget med den roterende magnet. Der opstår vekselspænding, altså elektromagnetiske tværbølger. Man forbinder den ene ledning til jord, kaldet nul-leder, og den anden, kaldet fasen, vil nogen gange være positiv i forhold til jord og andre gange negativ. Her er 0-lederen en grå streg, og fasen er rød.
962 Induktion og vekselspænding 2 af 2 Historien om H. C. Ørsted og Michael Faraday Apotekerdrengen H. C. Ørsted fra Langeland endte som rektor på Københavns Universitet. Her underviste han bl.a. i fysik og opdagede i 1820, at en elektrisk ledning kunne påvirke en magnetnål. Opdagelsen blev offentliggjort på latin og udgivet i England. På et trykkeri i nær London arbejde fysikeren Michael Faraday, og han så straks, at der nu var påvist en sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme. H.C. Ørsted Faraday tænkte, at det kunne være interessant, om man så også kan starte med magnetisme og lave elektricitet. Michael Faraday arbejdede på ideen og opfandt elektromotoren i 1821. Først i 1831 fandt han ud af, at når man bevæger en magnet i en spole, opstår der elektricitet. Dermed er Faraday induktionens far. Disse to opdagelser blev fulgt op af en række opfindelser. Snart blev telegrafen opfundet, og man kunne ved hjælp af morsealfabetet sende beskeder over meget store afstande. Ørsteds og Faradays opdagelser havde afgørende indflydelse på den moderne industrielle revolution. Michael Faraday Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
963 Transformator 1 af 2 Derfor har du brug for en transformator På elektricitetsværket produceres elektricitet i form af vekselspænding. Strømmen sendes ud til forbrugerne og kommer ind i vore huse som 230 volt vekselspænding. Mange af vore elektriske apparater i huset kører direkte på 230 V, f.eks: køleskab opvaskemaskine lys i form af glødepærer, neonrør og sparepærer el-kogekedel brødrister hårtørrer støvsuger En del andre apparater har indbygget elektronik, som kører på en meget lav jævnspænding, f.eks. musikanlæg fjernsyn computer, printer osv. mobiltelefon En undtagelse fra ovenstående regel er bl.a. halogenlamper, som har en transformator, men ingen elektronik. Så snart der er elektronik i et apparat, skal der være en transformator for at nedsætte spændingen. Desuden skal vekselspændingskurven udglattes, så den er jævn som strømmen på et batteri. Det sker i en batteri-emulator. Elektronik er opbygget med elektriske kredsløb, som kun kan virke med jævnspænding. Transistorer f.eks. kan kun virke, når den ved, hvad der er plus og minus. En computer-chip indeholder 34 mill. transistorer, og den bruger normalt 5 volt jævnspænding. Sådan virker en transformator En transformator virker kun med vekselspænding. Det er, fordi det er ændringen i det magnetiske felt inde i spolen, der skaber elektriciteten, også kaldet induktion. Herunder ses den type transformator, som mange elever landet over stifter bekendtskab med i skolen. Den spole, der tilsluttes strømkilden, kaldes for primærspolen. Den spole, der tilsluttes forbrugeren, kaldes for sekundærspolen.
963 Transformator 2 af 2 Det er ren matematik Den gule spole har 400 vindinger, og den blå har 200. Hvis den gule er primærspole, vil den elektriske spænding blive nedsat til det halve i den blå sekundærspole. Man kan altså matematik gætte sig til, hvilken spænding, der kommer ud af transformatoren. Der er et energitab i enhver transformator, men alligevel sætter vi denne regel op for forholdet mellem spænding og vindinger i de to spoler, primær- og sekundærspolen: Spænding i primær forholder sig til spænding i sekundær som antallet af vindinger i primær forholder sig til vindinger i sekundær. Eksempel Herunder ses en transformator, der er tilsluttet lysnettets 230 volt. Den lille pære lyser fint, men ville sprænges, hvis den blev sat direkte til lysnettet. Her går elektricitet fra lysnettet gennem en transformator med 12.000 og 600 vindinger på henholdsvis primær- og sekundærspolerne. Lommelygtepæren lyser fint, fordi de 230 volt er lavet om til en meget lavere spænding. Der er 11 gange færre vindinger på sekundærspolen. Det vil i teorien nedsætte spændingen på sekundærspolen til ca. 11 volt. Effekttab gør, at en 6 volt pære lyser fint. Transformatoren virker ikke på jævnspænding Prøv at tilslutte primærspolen på en transformator til jævnspænding. Der dannes ingen elektricitet i sekundærspolen. Prøv nu at slukke og tænde hurtigt for strømmen i primærspolen. Det giver udslag i sekundærspolen. Der skal hele tiden ske en ændring i magnetfeltet i spolerne for at transformatoren virker. Denne ændring sørger vekselspændingen for, idet den skifter med en frekvens på 50 Hz, altså 100 gange i sekundet. Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
964 Det elektiske kredsløb og Ohms lov 1 af 1 og Ohms lov Elektricitet og matematik Der er en matematisk sammenhæng mellem spænding (volt), strømstyrke (ampere) og modstand (ohm) i et elektrisk kredsløb. Det kaldes for Ohms lov. På tegningen til højre er den vandrette streg divisionstegn. Den lodrette streg er gangetegn. I forsøget, hvor modstanden i kredsløbet er uændret hele tiden, er volt og ampere ligefrem proportionale. Dvs. når spændingen stiger, så siger strømstyrken også. V = A * Ω A = V : Ω Ω = V : A Sådan sætter du de elektriske kredsløb sammen. Multimetret fungerer som amperemeter og er den del af det elektriske kredsløb. Spænding i kredsløbet er på 2,4 V. Strømstyrken er 0,066 A. Modstanden i spolen bliver 2,4/0,066 = 36,4 W. Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
Volta, Ampere og Ohm 1 af 1 Det skete i Europa for omkring 200 år siden... Enheden volt er opkaldt efter den italienske fysiker Alessandro Volta, som levede fra 1745 til 1827. Han opfandt det kemiske batteri, voltasøjlen. Enheden ampere er opkaldt efter den franske fysiker André Marie Ampére, som levede fra 1775 til 1836. Han hørte om den danske fysiker H.C. Ørsted og opdagelsen af elektromagnetismen. Det satte ham i gang med flere undersøgelser. Enheden ohm er opkaldt efter den tyske fysiker og matematiker Georg Simon Ohm, som levede fra 1787 til 1854. Ud fra forsøg definerede han sammenhængen mellem spændingsforskel, modstand og strømstyrke. Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
965 Små pærer 1 af 2 Forsøget går ud på at sammenligne forskellige 6 volt pærer. De har forskelligt forbrug - opgivet i Watt. Forsøget behandler også begrebet ampere. På billedet ses det, at strømmen løber igennem multimeteret, og på den måde måles strømmen. Husk at justere spændingen til 6 volt på strømforsyningen ved hver måling. Man kan således finde pærens effekt: 6 volt spænding på strømforsyningen 0,144 ampere i strømstyrke volt * ampere giver effekten i watt Effekten bliver 6*0,144 = 0,86 watt Husk at effekt er... volt * ampere = watt Alle pærerne er alle beregnet til 6 volt. De lyser ikke lige meget - vi siger, at deres effekt er forskellig.
966 Elektricitet i hjemmet 1 af 3 I dette afsnit skal vi se på, hvad vi skal være opmærksom på, når vi bruger elektricitet hjemme hos os selv. Vi skal tænke på to ting, som tilsammen giver forbruget: Effekten i watt Tiden i sekunder eller timer Forbrug = effekt tid En almindelig glødepære varmer meget mere, end den lyser. Om få år har vi ingen glødepærer mere. De er nemlig strømslugere. Pærerne er tændt i timevis, og det belaster miljøet. Hvor meget energi de bruger afhænger af effekten (måles i watt) og hvor længe, vi har dem kørende. Køb hellere en sparepære. Problemet er dog, at de gamle glødepærer har en bedre fordeling af det hvide lys end de nye pærer. Solen har det bedste, hvide lys, og det efterligner de gamle pærer altså bedre end de nye. En sparepære lyser som en normal, gammeldags pære, men den varmer meget mindre. Derfor bruger den mindre strøm. På æsken kan man se, at en sparepære på 11W lyser som en almindelig pære på 60W. Sparepæren bruger kun 20% af det en normal pære bruger. Sparepæren holder meget længere, men den er også dyrere i indkøb. Rigtigt eller forkert? Bor man et hus med el-varme, er der ikke meget idé i at købe sparepærer. Det påstår en konsulent fra Energi Horsens. I dag har vi mange apparater, vi kan sætte i stikkontakten. En gammel ghetto blaster bruger 18 watt. Selv om den kører 10 timer om dagen, er den ingen strømsluger. Vi har andre strømslugere. Antallet af opvaskemaskiner er fordoblet på bare 10 år, og vi har computer og TV kørende i timevis. Hårtørreren er på 550 watt og piger har det med at lade den køre længe. Den kan godt være en strømsluger i husets forbrug af elektricitet. Husk... Forbrug = effekt tid
966 Elektricitet i hjemmet 2 af 3 Teenagere er nu storforbrugere i hjemmet. PC, musikanlæg og evt. en varmeblæser kører døgnet rundt. Har man en gammel monitor, bruger man mere strøm end med en ny fladskærm. Når man bruger en forlængerledning, skal man sørge for at rulle kablet helt ud, hvis der er tilsluttet mange forskellige elektriske artikler. Denne yoyo må højst tilsluttes 920 watt, hvis den ikke er rullet ud. Ruller man den ud, må man tilslutte max. 2.300 watt, men det står ikke på den. Leger du håndværker, skal du netop tænke på, hvor stor effekt du trækker gennem din forlængerledning. Denne gamle boremaskine er nu beskeden i sit forbrug; kun 380 watt. Piger bruger ikke stiksav. Det gør far. Den er på 710 watt og kan godt være en strømsluger, hvis den kører hver dag i en ferie, hvor der skal saves meget. Slibemusen på billedet herunder er på 105 watt. Den har normale teenagere heller ikke kørende i ret lang tid.
967 Solcelle 1 af 3 Solceller er blevet populære. Herover ses en lille solcelle, der leverer elektricitet til en lille blæser. Herunder ses to forskellige solceller, som bruges på Vejlefjordskolen. En gammel til venstre og en nyere til højre. Hvor stor elektrisk spænding, de kan levere, må du måle dig til. Det sikkert også afhængigt af lysets styrke. Hvordan virker en solcelle? Solenergi kan omdannes til elektricitet i en solcelle. Det er ren og miljøvenlig energi, fordi der ikke kommer affaldsstoffer. Selv i Danmark, hvor Solen ikke skinner hver dag, kan det lade sig gøre at udnyttet denne form for gratis energi. En solcelle er lavet af to slags silicium, en n-type og en p-type. Grundstoffet silicium er et halvmetal fra 4. hovedgruppe, og for at danne n-type silicium, forurenes det med ganske lidt fosfor fra 5. hovedgruppe; det giver et overskud af negative elektroner. P-type laves ved at blande ganske lidt bor i fra 3. hovedgruppe; her dannes et underskud af elektroner - også kaldet positive huller.
967 Solcelle 2 af 3 Når Solen skinner, vil nogle af de positive huller søge mod det bagerste metalgitter, og elektronerne søger mod det forreste gitter. Forbinder man de to gitre med en ledning og en forbruger (pære), vi der løbe strøm. Overraskelse Denne såkaldte fotoelektriske effekt, blev første gang opdaget af franskmanden Bequerel i 1839, og senere beskrevet af Einstein. Solceller på Økolariet i Vejle Økolariet i Vejle viste for nogle få år siden et stort panel med solceller. Der produceres mere end 1 kw. Normalt vil man montere flere paneler ved siden af hinanden, så der produceres mere elektricitet. Økolariets udstilling oplyser også, at blot 0,3 % af den solenergi, der rammer Sahara i Afrika, er nok til at dække hele Europas energibehov. Gaia Solar Gaia Solar er et dansk firma, som opsætter solceller rundt omkring i Danmark. Cellerne laver jævnspænding, men en såkaldt vekselretter omdanner elektriciteten til 230V velselspænding. På den måde kan strømmen tilsluttes lysnettet. En solcelle virker både i solskinsvejr og gråvejr. Solceller er blevet billigere, og firmaet Gaia Solar har opstillet mere end 300 anlæg siden starten i 1996. Det er dyrt at producere elektricitet med solceller, fordi investeringen er stor. Fordelen er miljørigtig energi uden CO2-udslip. Producerer solcellerne mere strøm end husets forbrug, løber elmåleren baglæns. På denne måde kan en privat forbruger spare på en elregning. Investeringen vil være betalt efter ca. 20 år, så besparelsen får man altså ikke lige med det samme. http://www.gaiasolar.dk Energi Horsens For nogle år siden var en klasse fra Vejlefjordskolen i Horsens på besøg hos Energi Horsens for at lære noget om energi. Vi fik et solpanel demonstreret. Læreren måler spændingen med et multimeter, dvs et voltmeter. I dag hedder firmaet NRGI. Sikkert en forkortelse af ordet "energi".
967 Solcelle 3 af 3 Copyright 2013 Forlaget hjerteportal
968 Transistor-kontakt 1 af 2 Elektronik Du lærer i dette forsøg: et eksempel på elektronisk styring hvordan en transistor virker hvad en transistor kan styre Diagrammet Vi skal have en transistor til at tænde og slukke en pære. Transistoren sidder i serie med pæren, således at transistorens funktion er at tænde og slukke. Transistorens styreben, basis "b", skal blot have en spænding på mere end 0,7 volt, så vil tænde pæren. Transistoren er bygget til at klare spændinger op til over 60 volt, så den fungerer fint i dette kredsløb. Tænd pæren på forskellige måder 1. 2. Transistoren skal beskyttes af en modstand, R, ellers brænder den let af. Trykker man på trådkontakten 1 til venstre på tegningen, vil der komme strøm frem til transistoren, som så vil åbne for strømmen til pæren. Prøv også at tænde pæren med et lille 1,5 volt batteri. Forbind pluspolen på batteriet til sømmet til venstre for R og minus til den nederste tråd markeret med 0 volt. Pæren er nu fjernstyret af et andet elektrisk 1 kredsløb.
968 Transistor-kontakt 3. Prøv at montere en kondensator i stedet for batteriet. Kondensatoren bliver opladet, når fingerkontakten aktiveres. Pæren vil lyse kort tid efter, at kontakten er sluppet. Kondensatoren er brugt til at lave en tidsforsinkelse. 4. 5. Monter et potmeter på de tre søm til venstre, og du har nu en lysdæmper. Potmetret og kondensatoren giver tilsammen nogle interessante muligheder. Prøv selv. Lidt transistor-historie Transistoren blev først og fremmest kendt for sin brug i radioer. Udviklingen kom rigtigt i gang i 1960'erne og er fortsat siden: I 1964 kunne der være 1 transistor på 1 cm 2 I 1974 kunne der være ca. 1.000 transistorer på 1 cm 2 I 1984 kunne der være ca. 1.000.000 transistorer på 1 cm 2 I 1994 kunne der være ca. 19.000.000 transistorer på 1 cm 2 I dag er den mindste transistor lavet af mindre end 25 atomer - så nu kan den ikke blive mindre! Link Transistoren er 60 år gammel, se... http://ing.dk/artikel/84170 Copyright 2013 Forlaget hjerteportal 2 af 2
969 Prøvespørgsmål 1 af 1 Hele emnet/kapitlet om elektricitet kan opsummeres i et prøvespørgsmål. Her et eksempel: Tegn og fortæl, planlæg og udfør nogle forsøg, der siger noget væsentligt om: Tag f.eks. udgangspunkt i følgende: Hvordan opstår elektricitet? vekselspænding transformatoren ensretning Du kan også komme ind på: elektromagnetisme generelt energi svingninger kemi og el fra Edisons glødepære til min mobil Når du har læst spørgsmålet her i rammen ovenover, så prøv at forestille dig, at du er til afgangsprøven i fysik/kemi. Lav en disposition som viser, hvordan du vil gribe det hele an: Hvilke to forsøg vil du gennemføre fra først til sidst? Hvilke forsøg vil du evt. blot omtale mundtligt? Hvor vil du finde teori i tekstbogen, som støtter forsøgene Sæt teorien op i en logisk rækkefølge. Forklar, hvorfor den valgte teori er relevant. Copyright 2013 Forlaget hjerteportal