De følgende sider er et forsøg på en forklaring til det meste af det stof I skal have været igennem og som opgives til eksamen. Sammenlign disse forklaringer med relevante sider i jeres bog. SPØRGSMÅL TIL FYSIKKEN SVAR FRA FYSIKKEN 1 Hvad er magnetjernsten? Naturlig magnet, som kaldes magnetit og dens kemiske forbindelse er: Fe 3 O 4 2 Er den magnetiske kraft lige stor overalt Nej stærkest ved polerne på en magnet? 3 Hvorfor kaldes en magnets to poler for nord- og sydpolen? 4 I hvilken retning har man vedtaget, at de magnetiske feltlinier går? Da magnetens ene pol peger mod nord, kaldes den magnetens nordpol. Feltlinierne går fra nordpolen gennem rummet til sydpolen 5 Hvor ligger Jordens magnetisk poler? Jordens magnetiske sydpol ligger i det nordlige Canada (og ikke på den geografiske nordpol), og dens magnetiske norpol i Antarktis 6 Hvad er en inklinationsnål? En magnetnål der retter sig efter magnetfeltet overalt på Jorden, så på de magnetiske poler vil den være lodret, ellers varierende, her i landet omkring 70 0 i forhold til vandret 7 Hvad forstås ved misvisningen? Afvigelse fra den rigtige retning, hvis et kompas skulle pege mod nord, ville den pege 3 grader mere mod vest, altså en misvisning. 8 Hvad kan en magnet tiltrække? Jern, andre magneter, protoner og elektroner (som er ladede + eller -) 9 Hvad forestiller vi os, en magnet er En mængde småmagneter opbygget af? 10 Hvilken enhed måles spænding i? Volt 11 Hvilken enhed måles strøm i? Ampere 12 Hvilken enhed måles modstand i? Ohm 13 Hvad sker der med strømstyrken, hvis spændingen gøres mindre? 14 Hvad sker der med strømstyrken, hvis modstanden gøres mindre? I følge Ohms lov: U= R x I ; Ved mindre spænding, samme modstand vil, strømstyrken mindskes. I følge Ohms lov: U= R x I ; Ved mindre modstand, samme spænding vil, strømstyrken øges. 15 Hvordan lyder Ohms lov? U= R x I 16 Hvordan skal et voltmeter forbindes i et I en parallelforbindelse, man måler hen over f.eks. en pære, hvilken spændingsforskel der elektrisk kredsløb? er. 17 Hvordan skal et amperemeter forbindes i I en serieforbindelse, man måler den strøm der løber i kredsløbet. et elektrisk kredsløb? 18 Hvad er en elektromagnet? En magnet der består af en spole og jernkerne kaldes en elektromagnet
19 Hvad afhænger en elektromagnets styrke af? 20 Nævn nogle anvendelsesmuligheder for elektromagneter. 21 Prøv med egne ord at formulere gribereglen. Antallet vindinger, strømstyrken samt jernkernes materiale. Blødt jern øger styrken. Løft af tunge jernplader på et skibsværft, magnetiske tog, telegraf, telefon, højttalere Grib med højre hånd om spolen, så fingerspidserne peger i strømmens retning. Da vil der være Nordpol til tommelfingersiden.
22 Prøv med egne ord at formulere lillefingerreglen. Hold med højre hånd langs ledningen, så fingerspidserne peger i strømmens retning. Hånden holdes, feltlinierne fra magnetens nordpol går ind i håndfladen. Ledningen vil da slå ud til lillefingersiden.
23 Hvad er et galvanometer? Et milliamperemeter der er indrettet til at måle små strømstyrker. (Dette er et drejespoleinstrument, med skala, så spolens drejning i en hesteskomagnet kan aflæses)
24 Hvad sker der, hvis man sætter polsko Det centrerer magnetfeltet, således at det overalt mellem polsko og jernkerne er lige mellem en hesteskomagnets poler? stærkt. 25 Hvad forstår man ved induktion? Frembringelse af elektricitet ved hjælp af magnetisme 26 Hvordan frembringes induktion? Medens småmagneterne drejer, vokser de magnetiske feltlinier, og derved frembringes der strøm, induktionsstrømmen. 27 Hvilken type strøm frembringer Vekselstrøm induktion? 28 Hvordan finder man induktionsstrømmens retning? 29 Hvilken retning har induktionsstrøm? vha. Gribereglen, som lyder: Stømretningen bestemmes vha. et element, forbundet på en sådan måde at det giver udslag til samme side som når en nordpol føres ned i en spole, og da strømmen går fra + til - kan vi aflæse strømretningen på elementets poler. Grib med højre hånd om spolen, så fingerspidserne peger i strømmens retning. 30 Hvorfor er sluk-spændingen større end tænd-spændingen? 31 Nævn flere eksempler fra hverdagen, hvor man udnytter induktion! 32 Hvad kaldes en strøm, der hele tiden skifter retning? Nordpolen vil da være til tommelfingersiden. Det er nemmere at lave uorden i småmagneterne i en jernkerne end at lave orden. Tændspole, Båndoptager, Pickup (gl. pladespiller), Speedometer, Datalagring osv. En strøm der hele tiden skifter retning, kaldes en vekselstrøm. 33 Hvor mange gange skifter strømmen herhjemme? 34 Hvorfor er et oscilloskop bedre til at måle vekselstrøm end et viserinstrument? 35 I en vekselstrømsgenerator er der en fast del og en bevægelig del. Hvad kaldes de? Hvis det er retning, 100 gange, 50 gange den ene vej og 50 gange den anden, da den spænding vi bruger herhjemme har en frekvens på 50 Hz. Et udtryk for at der er 50 perioder på et sekund, og da en spænding har bevæget sig én gang i hver retning, og igen er blevet nul er der forløbet en periode. Da lyspletten flytter sig mange gange hen over skærmen aftegnes positionen blot som en kurve for vores øje, da det ikke kan nå at registrere dette som bevægelse. Den faste del (spolen), den der står stille kaldes stator, og den bevægelige del (magneten) kaldes rotor. (- det kan dog også være sådan at det er spolen der bevæger sig og magneten der står stille og derfor benævnes de omvendt) 36 Hvad forstår man ved periodetid? Når en spænding har bevæget sig én gang i hver retning, og igen er blevet nul er der
forløbet en periode, og den tid dette tager er periodetiden (T). 37 Hvad forstår man ved frekvens? Frekvensen (f) er antal perioder pr. sekund. Frekvens måles i hertz (Hz). 1 hertz = 1 periode pr. sekund. Når periodetiden (T) er kendt, omregnes til frekvens (f) ved at dividere 1 med T. Frekvens (f) = 1/T Når frekvensen (f) er kendt, omregnes til periodetid (T) ved at dividere 1 med f. 38 Hvad sker der med periodetiden og frekvensen når hastigheden på en generator øges? 39 Hvilke ting har betydning, når en generator skal give høj spænding? Periodetid (T) = 1/f Når rotorens hastighed øges, øges også frekvensen og dermed øges også antallet af perioder pr. sekund, derfor bliver peridodetiden mindre. (jævnfør ovnennævnte under spm. 37) For at en generator skal afgive højere spænding kræves der: Antal vindinger på spolen øges Hastigheden hvormed en magnet bevæges i spolen øges. Magnetens styrke øges. Flere spoler kan også øges spændingen. 40 Hvad betyder belastningen for spænding og frekvens? (Frekvensen kan øges uden at øge hastigheden, da antallet af magneter i rotoren kan øges og dermed øges det antal gange spændingen skifter retning) Når belastningen (forbruget) øges falder rotorens omdrejningstal, og samtidig falder selvfølgelig også frekvensen og spændingen, og derfor også strømstyrken, da belastningen er den samme. Så for at bevare den samme spænding, må man øge den energi der driver rotoren ved forøget belastning.
41 Hvad er effektiv spænding og hvad er maksimal spænding? Da både en vekselspænding og en jævnspænding afgiver samme energi (f.eks. 5 volt), siger vi at vekselspændingens effektive værdi er lig jævnspændingens. Men! Da vekselspændingen hele tiden varier mellem nu og maksimalværdierne, må den effektive værdi være en slags gennemsnit, og så må den maksimale værdi være større end de 5 volt. Nøjagtige målinger har vist, at når den effektive vekselspænding r lig jævnspændingen, så er den maksimale vekselspænding på 2 gange større end jævnspændingen. Med andre ord: En vekselspændings maksimale værdi er 2 gange større end dens effektive værdi. Maksimalværdi = effektivværdi x 2 Effektivværdi = maksimalværdi/ 2 2 er ca. 1.4 42 Når vi angiver spændingen 220V, er det så effektiv værdi eller maksimal værdi? 43 Hvad bruger man en diode til, og hvordan virker den? Den daglige opgivelse af vekselspænding er altid den effektive værd der angives. (her i landet 220-240 V) Da ikke alle de apparater vi bruger i dagligdagen umiddelbart kan udnytte den
vekselstrøm vi kan trække fra vores eludtag, må den gøres anvendelig til denne brug. En vekselstrøm skal derfor ændres til en jævnstrøm og til dette brug anvendes en diode, da den ensretter strømmen. Den har en spærreretning <- ---}--- og en -> lederetning. Strømmen passer altså i symbolpilens retning og standses i den modsatte retning. Men det er kun jævnstrømmen den standser, da vekselstrøm jo ændrer retning, men vores øje opfatter det som om pæren lyser hele tiden, men den tænder og slukker 100 gange i sekundet, frekvensen er 50 Hz. Pæren lyser svagere. På et oscilloskop vil det vise sig ved at den negative halvperiode mangler, da dermed en del af energien mangler lyser pæren svagere. (Den lyser kun i den positive halvperiode) En speciel sammenstilling af dioder vil også kunne udnytte den negative halvperiode.
I periodens første del (den positive halvperiode) kommer strømmen gennem 2 hvor den fortsætter gennem pæren og ud gennem 4. I periodens anden del (den negative halvperiode) kommer strømmen gennem 3 hvor den fortsætter gennem pæren og ud gennem 1. Selv om denne strøm stadig består af halvperioder kan strømmen udnyttes, men kaldes nu en pulserende jævnspænding, modsat en normal jævnspænding der ville tegne en ret linie på oscilloskopet. Denne kurve kan yderligere glattes ud ved hjælp af en kondensator, der virker som et element, der kan oplades, afgive sin spænding når der er dale i kurven og derfor medvirke til at den pulserende jævnspænding nærmer sig en normal jævnspænding. 44 Hvad forskel er der på en motor og en generator? En motor er er en generator der tilsluttes vekselspænding. En generator, genererer (danner) strøm, hvorimod en motor forbruger den genererede strøm, men en generator er en motor når der tilføres strøm til den. Vekselstrømsmotorer kører ved samme frekvens, hvilket er vigtigt i f.eks. ure, båndoptagere og ældre pladespillere.
Det kan også lade sig gøre at fremstille en jævnstrømsgenerator, men det besværliggøres ved at strømmen hele tiden må vendes, hvilket kan gøres med en kommutator. 45 Hvad er elektrisk strøm? Når de bundne elektroner i et metal bevæger sig rundt om atomkernen, frembringer de elektriske strømme i alle mulige retninger rundt om kernen. Disse strømmes magnetfelter ophæver hinandens virkning udadtil. Men når frie elektroner får fælles besvægelsesretning, så opstår der en fælles strøm strømmen i ledningen. Og denne strøm frembringer så også et fælles magnetfelt omkring lederen. Desuden afsættes en del af energien i ledningen som varme, da elektronerne medfører at atomerne svinger hurtigere, og selvfølgelig også støder elektronerne derfor sammen. 46 Hvorfor er metaller elektrisk ledende? Metaller er elektrisk ledende, da der er en del af elektronerne der frit kan bevæge sig i metallet og derfor skubbes gennem metallet. 47 Hvad skal der til for en strøm til at bevæge sig gennem en ledning? 48 Hvad skal man kende, for at kunne beregne elektrisk energi? Den effektive bevægelseshastighed for en fri elektron, hvis ledningens tværsnitsareal er 1 mm 2 og strømstyrken 1 ampere, ca. 1/10 mm i sekundet. Elektronens egen hastighed er omkring 1000 km i sekundet. For at en strøm kan bevæge sig gennem en ledning, skal der sættes spænding over ledningen, således at der tilføres frie elektroner til ledningen. Størrelsen af den elektrisk energi afhænger af: Spændingsforskellen Strømstyrken Tid (den tid strømmen løber) Joules lov: Eel = U x I x t
Energi = spændingsforskel x strømstyrke x tid E = energimængden, målt i joule (J) U = spændingsforskellen, målt i volt (V) I = strømstyrken, målt i ampere (A) t = tiden, målt i sekunder (s) Eks. Voltmeteret viser 220 volt Amperemeteret viser 0,27 ampere en pære Lampen lyser i 3 minutter Eel = 220 V x 0,27 A x 180 sekunder l 10800 J Eks. 2 Voltmeteret viser 220 volt Amperemeteret viser 0,45 ampere to pærer
Lamperne lyser i 3 minutter Eel = 220 V x 0,45 A x 180 sekunder l 18000 J Det ses derfor tydelig at energiforbruget øges jo flere pærer der tilsluttes. 49 Hvad betyder effekt? I Joules lov: Eel = U x I x t indgår produktet U x I får vi hvor meget energi der bruges pr. sekund. Dette energiforbrug pr. sekund kaldes effekt og har bogstavet P En elektrisk pæres effekt er derfor hvor meget effekt den tilføres pr. sekund. 50 Hvilken enhed måles effekt i? Effekt måles i da: Effekt = spændingsforskel x strømstyrke P = U x I Hvilket er joule pr. sekund (J/s), enheden kaldes watt (W). Energi = effekt x tid Eel = P x t
Så eksemplet ovenfor kan beregnes på følgende måde: Eel = 60 w x 180 sekunder l 18000 J 51 Hvor mange joule er en kwh? Begrebet Kilowatttimer (kwh) indføres da enheden joule (J) er en meget lille enhed. Eks. En 40 W pære 1 time om dagen i et år Energiforbruget er derfor: Da 1 time = 60 x 60 sekunder = 3600 sekunder Eel = 40 W x 3600 sekunder x 365 = 52560000 J Hvilket jo er et temmelig stort tal, tænk på af få alle nullerne med. 1 wattsekund = 1 joule 1 wattminut = 1 joule x 60 = 60 joule
1 watttime = 6o joule x 60 = 3600 joule 1 kilowattime = 3600 joule x 1000 = 3600000 joule Denne enhed kaldes 1 kilowatttime. Kilowatttime (hwh) er portioner af 3600000 J 52 Hvad består en transformator af? En primærspole, en sekundær spole samt en jernkerne. 53 Hvilken slags strøm tilsluttes den? Vekselstrøm, da en jævnstrøm ikke vil få en tilsluttet pære til at lyse, spændingen er for lille. Vekselstrømmen i primærspolen frembringer i jernkernen et magnetfelt, der skifter retning 100 gange i sekundet, og denne ændring er for hurtig til at vi med øjet kan opfatte at pæren blinker. Altså: 54 Hvad hedder de to spoler i transformatoren? 55 Hvordan overføres effekten fra den ene spole til den anden? En jernkerne med to spoler er en transformator. Primærspolen og sekundærspolen. Vekselstrømmen i primærspolen frembringer i jernkernen et magnetfelt, der skifter retning 100 gange i sekundet, og denne ændring er for hurtig til at vi med øjet kan opfatte at pæren blinker. 56 Hvad kan en transformator gøre ved spændingen? Transformatoren kan sætte spænding op eller ned, afhængig af vindingstallet på de to spoler. En transformator med 600 vindinger på primærsiden og 1200 vindinger på sekundærsiden vil transformere spændingen 10 V på primærsiden til 20 V på sekundærsiden.
Lige så mange gange vindingstallet på sekundærspolen er større end vindingstallet på primærspolen, ligeså mange gange er sekundærspændingen større end primærspændingen. (det samme gælder selvfølgelig også når vindingstallene er mindre på sekundærspolen, så bliver spændingen selvfølgelig mindre det samme antal gange) 57 Hvorfor er jernkernen lamelleret? Jernkernen er lamelleret da det ved forsøg har vist sig at der er et mindre energitab ved denne type jernkerne, der er mindre tab i form af varme. 58 Hvad forstår ved tomgangsstrøm? Det er den strømmængde der går i transformatorens primærspole når der ikke aftages strøm på sekundærspolen. Jo mere strøm der aftages transformatoren, jo mere strøm tilføres. Up x Ip = Us x Is 59 Hvad betyder effekt? Effekt er produktet af spændingsforskel og strømstyrke, hvilket kendes fra tidligere. P = U x I Indsættes enheder i effektligningen fås: W = V x A Da effekt betyder energiforbrug pr. sekund, og vi har et effektforbrug på 22 W, som fortæller os at der bruges 22 joule pr. sekund.
1 W = 1 J/s eller 1 J = 1 W x s 60 Hvad er enheden for effekt? Watt (W) se ovenfor 61 Hvordan lyder transformatorligningen? Primærspændingen x primærstrøstyrken er lig sekundærspændingen x sekundærstrømstyrken. Up x Ip = Us x Is Dette gælder kun når sekundærstrømmen er passende stor 62 Hvorfor bruger elværkerne højspænding? For at undgå energitab i ledningerne! Eks. Eleværkerne leverer en høj effekt på ca. 150000 V, hvilket giver en lav strøm i ledningerne, som dermed kan være tyndere og dermed billigere. Vend! Fra Ohms lov kender vi: U = R x I (spændingsforskel = strømstyrke x modstand) Desuden kender vi effektformlen:
P = U x I (effekt = spændingsforskel x strømstyrke) Indsættes Ohms lov i effektformlen fås: P = R x I x I = R x I 2 Med ord: En modstand af størrelsen R ohm gennemløbes af en strømstyrke på 1 ampere, afsættes effekten R x I 2 i modstanden. Tal eks. R = 440 ohm I = 0,5 A R x I 2 = 440 ohm x (0,5A) 2 = 110 W Strømkilden afgiver: U x I = 220 V x 0,5 A = 110 W Altså intet overskud al energi tabes i modstanden Effekttabet i ledningerne må derfor trækkes fra strømkildens effekt.
Hvis modstanden i ledningsnettet er 5 ohm hver vej, fås 10 ohms modstand, og strømstyrken 10 A Eleværket leverer en effekt på 220 V x 10 A = 2200 W I ledningerne tabes effekten 10 ohm x (10 A) 2 = 1000 W Til rest er der derfor (2200 1000)W = 1200 W, altså kun godt halvdelen. Dette kan undgås hvis man transformerer spændingen op 10 gange eller mere. Eks. Elværket leverer en effekt på 2200 V x 1 A = 2200 W I ledningerne tabes effekten 10 ohm x (1 A) 2 = 10 W Til rest, som nytteeffekt er derfor (2200-10) W = 2190 W Og da der i praksis arbejdes med spændinger på op til 400000 V opnås overførsel af næsten hele den producerede effekt fra elværket.