Naturfag 2 2007/8 Elektrisitet (og magnetisme) Likestrøm Vekselstrøm

Læreplanmål i LK06 Fenomener og stoffer 7. trinn: gjennomføre forsøk med magnetisme og elektrisitet, beskrive og forklare resultatene Fenomener og stoffer 10. trinn: forklare resultater fra forsøk med strømkretser ved bruk av begrepene strøm, spenning, resistans, effekt og induksjon forklare hvordan vi kan produsere energi fra fornybare og ikke-fornybare energikilder http://www.bouvet.no/default.aspx?ChannelID=1007&DocumentID=10583

Elektrisitet kan være så mangt Svak strøm Sterk strøm

Elektrisk ladning Ladning er knyttet til elementærpartikler: elektroner og protoner Et elektron har negativ ladning, mens et proton har en like stor positiv ladning Et atom i grunntilstand har like mange elektroner som protoner, og er nøytralt Et ion har ladning: Enkelt ion: Na+, H+, Cl- osv Sammensatte ioner: OH-, NO3- osv

Enhet for ladning Ladningen til ett proton kalles elementærladningen: e SI-enheten for ladning er Coulomb: C 1 Coulomb tilsvarer ladningen av 6,25 * 1018 protoner. Altså er elementærladningen e = 1,60 * 10-19 C

Statisk elektrisitet Oppstår når en gjenstand blir ladet fordi elektroner rives løs når ulike stoffer gnir mot hverandre Oppstår f eks mellom ulike tekstiler/stoffer, mellom skyer og luftmasser (gir lyn) osv Den triboelektriske rekka (fra gresk tribein = å gni) er en liste over ulike stoffer ordnet etter deres evne til å bli oppladet positivt eller negativt. Triboelektrisk rekke: http://www.naturfag.no/_ungdom/forsok/vis.html?tid=16337 http://www.matnat.uio.no/evu/skolelab/fys0110/fagteori/fag_1_statisk_elektrisitet.html

Triboelektrisk rekke Eksempelvis har Glass, hår, ull og nylon stor evne til positiv oppladning Polyester, akryl og polyeten stor evne til negativ oppladning Positivt og negativt ladde gjenstander vil tiltrekkes av hverandre Statisk elektrisitet kan gi svært høye spenninger (flere 1000 Volt) Lades ut ved gnist, eller langsommere ”lekkasje” (særlig i fuktig vær)

Elektrisk strøm (”Mobil elektrisitet”. ) http://www. amasci Elektrisk strøm: Ladning (oftest elektroner) som beveger seg i en retning (oftest i en ledning). En elektrisk ledning er laget av metall, og elektronene i metallet kan bevege seg slik at ladning ”flyter” Strømmen kan drive elektromotorer, lage varme m v - kort sagt utføre arbeid SI-enheten for strøm er Ampere (A) 1 Ampere = 1 C/sekund

Spenning - resistans Ladning vil bare vandre fra et sted til et annet dersom det finnes en forskjell i elektrisk potensial mellom de to stedene - en elektrisk spenning. Ofte forkortet til bokstaven U (og noen ganger V - voltage) SI-enhet for spenning er Volt (V) Materialet strømmen går gjennom, vil gi motstand mot bevegelsen av ladning – kalt resitans (forkortet R) SI-enhet for resistans er Ohm (W) Ulike stoffer har varierende evne til å lede strøm: Ledere, halvledere, isolatorer.

Strømkretser Elektrisk strøm beveger seg vanligvis i en lukket strømkrets hvor det finnes en spenningskilde (batteri, generator e l) I en strømkrets med batteri vandrer ladningen som elektroner i ledningene, men som ioner inne i batteriet Strøm kan bevege seg fast i en retning i kretsen (likestrøm), eller skifte retning i en fast takt (vekselstrøm) - se http://www.pbs.org/wgbh/amex/edison/sfeature/acdc.html Strøm kan også oppføre seg mer ukontrollert (elektrisk støt, kortslutning, lysbuer, lynnedslag…)

Vekselstrøm vs likestrøm War of Currents på 1880-tallet: Thomas Edison kjempet for likestrøm (DC), George Westinghouse for vekselstrøm (AC) http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents Ulike argumenter for AC vs DC (saklige og usaklige;-) http://en.wikipedia.org/wiki/Topsy_the_Elephant Endte med at vekselstrøm overtok det meste av markedet (hvorfor?)

Strøm, spenning, resistans Hvis forskjellen i elektrisk potensial øker, transporteres mer ladning pr tidsenhet. Dvs høyere spenning i en krets gir sterkere strøm Hvis resistansen (motstanden mot ladningens bevegelse) øker, blir strømmen svakere – jf Ohms lov

Resistans - Ohms lov http://xtronics.com/kits/rcode.htm Sammenheng mellom spenning, resistans og strømstyrke i en strømkrets: Spenning = Resistans*Strømstyrke (U = R * I) SI-enhet for resistans er Ohm (W) Ohm = Volt/Ampere Alle komponenter i en strømkrets har resistans. Noen komponenter – motstander – skal bare regulere strømmengden i kretsen (se også http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/rescarb.html#c1 Merk at resistansen i de fleste materialer varierer – f eks med temperaturen (og at temperaturen øker når strømmen øker)

Ledere, halvledere, isolatorer http://www.apc.net/bturner/ Gode ledere har lav resistans, isolatorer har svært høy resistans. Alle metaller leder strøm Saltvann leder strøm (inneholder ioner). Helt rent vann leder nesten ikke strøm (men vann er svært sjelden helt rent. F eks i badekaret..) Olje, plast, luft, tre, mennesker m m leder strøm svært dårlig Moderne elektronikk er basert på materialer som leder strøm ”måtelig godt” (halvledere)

Spenning og elektrisk arbeid Formell definisjon spenning (RST 2 s. 230): Spenningen mellom to punkter er det arbeidet som gjøres pr enhet ladning når en ladning flyttes fra det ene til det andre punktet Eksempel galvanisk spenning mellom sinkplate og kobberplate i elektrolytt: Elektroner har høyere potensiell energi på sinkplaten enn på kobberplaten. Dette skaper en elektrisk spenning som driver elektroner fra sink til kobber (stedet med lavest energi)

Elektrisk effekt og energi Kjekt å kunne regne ut (hvor mange Watt kan du bruke i hele huset før hovedsikringen på 35 A ryker?) Effekt (P) er arbeid pr tidsenhet, måles i Watt (Joule pr sekund). Regnes ut ved at Effekt = Spenning*Strøm (P = U*I) I kretser hvor resistansen R er konstant, vil strøm og spenning følge Ohms lov U = R*I. Da kan vi beregne effekten ved at Effekt = Resistans*(Strøm)2 (P = R*I2)

Kretser: Serie- og parallellkobling Strømkretser kan kobles på ulike måter Seriekobling: Alle komponenter er koblet i en lang kjede i kretsen. Brytes strømmen på ett sted i kretsen, brytes den overalt (jf seriekoblede juletrelys..) Parallellkobling: Kretsen består av flere strømsløyfer/grener. Brytes strømmen på ett sted, vil den fortsatt gå i de andre grenene (jf parallellkoblede juletrelys..)

Spenning, strøm og resistans i ulike kretser Eksempler: Hvis vi kobler to like batterier i serie, blir spenningen dobbelt så høy Hvis vi kobler to like batterier i parallell, blir spenningen i kretsen uforandret – men strømmen blir dobbelt så høy Kobler vi to motstander i serie, blir resistansen i kretsen lik summen av de to resistansene Tar vi den galvaniske spenningen vi måler mellom kobber og jern og legger til spenningen mellom jern og sink, er summen lik den galvaniske spenningen mellom kobber og sink

Seriekobling - oversikt I en krets hvor komponenter (spenningskilder, motstander osv) er koblet i serie, har vi: Spenning: Spenning i kretsen er summen av spenningen til spenningskildene i kretsen (U = U1+U2+..) Resistans: Resistans i kretsen er summen av resistansen til komponentene i kretsen (R = R1+R2+..) Strøm: Er den samme overalt i kretsen Kirchhoffs 2. lov, RST 2 s. 232: Når strøm går gjennom en krets med ulike komponenter koblet i serie (f eks lyspærer, motorer, motstander), utfører strømmen et arbeid i hver komponent slik at elektronene avgir potensiell energi. Derfor vil spenningen falle trinnvis etter hvert som strømmen passerer komponentene

Parallellkobling - oversikt Resistans: Dersom flere komponenter med resistans R1, R2, R3 osv er koblet i parallell, er resistansen i kretsen gitt ved at 1/R = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R3 +… Strøm: I alle forgreningspunkter i kretsen vil summen av strøm i grenene inn mot punktet være lik summen av strøm i grenene ut fra punktet (Kirchhoffs 1. lov)