EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 2222

Indhold

Indhold .........................................................................................................................2

Hvad er strøm? .............................................................................................................3

Hvordan fremstilles strøm? ..........................................................................................4

Magnetisme...............................................................................................................4

Elektromagnetisme.......................................................................................................4

Elektromagnetisme.......................................................................................................5

Induktion......................................................................................................................6

Vekselstrøm..................................................................................................................7

Hvordan måles strøm?..................................................................................................7

Hvordan måles strøm?..................................................................................................8

Strømstyrke ..............................................................................................................8

Hvorfor koster strøm penge? .......................................................................................9

Hvordan transporterer man strøm?............................................................................10

Fra sol - energi til el – energi.......................................................................................11

Fra sol - energi til el – energi.......................................................................................12

Opgaver El – energi. ...................................................................................................13

Opgaver El – energi. ...................................................................................................14

Energi forbrug: Cykling .........................................................................................14

Tip tretten.........................................................................................................15

Indgangsspørgsmål:

1. Hvad er strøm?

2. Hvordan fremstilles strøm?

3. Hvordan måles strøm?

4. Hvorfor koster strøm penge?

5. Hvordan transporteres strøm?

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 3333

Hvad er strøm?

Strøm kan sammenlignes med trafik. Trafik består af biler i bevægelse. Der skal altså to dele til at skabe trafik, biler og bevægelse, hvis bilerne ikke bevæger sig har vi ingen trafik.

På samme måde kan man sige at strøm består af to dele nemlig elektroner i bevægelse. Hvis elektronerne ikke bevæger sig er der ingen strøm.

Når du “bruger” strøm, udnytter du den bevægelses - energi som elektronerne har i kraft af deres hastighed.

Når du bruger strøm forbruger du altså ikke elektroner i den forstand at de forsvinder, du udnytter bare at elektronerne indeholder energi.

Den energi, som elektronerne indeholder (elektrisk energi), kan omdannes til varme - energi i f.eks. en kogeplade, eller den kan omdannes til lys i en pære, eller til bevægelses - energi i en motor og mange andre ting.

Energien, som elektronerne i strøm indeholder, får de fra elværket, hvis opgave det er at sørge for at elektronerne har så meget energi, at der er nok til at forsyne alle dele af samfundet med energi.

I dette hæfte vil vi forsøge at nærme os en forståelse af, hvordan man kan tildele elektroner energi, altså hvordan man kan lave strøm.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 4444

Hvordan fremstilles strøm?

At fremstille strøm vil sige at give elektronerne fart på.

For at kunne forstå, hvordan det kan lade sig gøre, at fremstille strøm, må vi se på nogle grundlæggende fysiske egenskaber ved strøm, nemlig sammenhængen mellem strøm og magnetisme.

Magnetisme.

En magnet er et stykke jern som kan tiltrække jern, og som har to forskellige poler, en nord - pol og en syd - pol. To ens poler frastøder hinanden. En magnet er omgivet af et magnetisk felt.

Magnetisme skyldes cirkulære hvirvelstrømme af elektroner i bestemte områder i metallet, disse områder kommer derved til at virke som småmagneter.

Stangmagnet set fra nordpolsenden. Småmagneterne vender alle den samme vej.

Ensretningen af små-magneterne, medfører et magnetisk felt omkring magneten.

Feltet kan påvises med små kompasnåle.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 5555

Elektromagnetisme.

I 1820 opdagede den danske fysiker H.C. Ørsted at der opstår et magnetisk felt omkring en ledning når man sender strøm igennem den. Han opdagede det magnetiske felt ved at holde en magnetnål hen i nærheden af en ledning, hvorigennem der løb strøm.

Her er vist et forsøg til påvisning af et magnetfelt fra en spole.

Strømmens retning i spolen er vist med grønne pile.

Hvis du griber med højre hånd omkring spolen med finger-spidserne i strømmens retning, skal magnetens nordpol slå ud til tommelfingersiden. Det ses at dette også sker.

Prøv selv at udføre et lignende forsøg.

Elektromagnet

Hvis man vikler en ledning tæt op omkring en jernkerne og sender strøm igennem ledningen, virker jernkernen som en magnet, man har en elektromagnet. Styrken afhænger af antallet af vindinger samt strømstyrken i ledningen. Flere vindinger og større strømstyrke, giver stærkere magnet.

Strøm, som er elektronbevægelser, medfører magnetisme.

Forsøg

Undersøg den magnetiske kraft.

Hvad kan en magnet tiltrække – hvilke stoffer kan gøres magnetisk

Hvordan kan man vise magnetisme og forklare magnetisme?

Hvilke egenskaber har magneter?

Undersøg hvordan elektromagnetisme virker:

Hvad forstærker en elektromagnet?

Hvilke regler gælder for elektromagnetisme?

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 6666

Induktion.

I 1831 opdagede den engelske fysiker Michael Faraday at hvis man bevæger en magnet i nærheden af en ledning opstår der strøm i ledningen.

Ørsted opdagede at strøm medfører magnetisme og nu opdagede man det omvendte fænomen, nemlig at magnetisme også kan frembringe strøm.

Faradayes forsøg.

Med en stangmagnet, en spole og et voltmeter, kan du let efterprøve Faradayes teori, om at der dannes strøm i en ledning når du bevæger en magnet i nærheden af ledningen.

I et forsøg på at forstå, hvorfor der opstår strøm i en ledning, når man bevæger en magnet i nærheden af den, kan man betragte elektronerne som små magneter der reagere som magneter gør, når de bliver påvirket af en anden magnet. Hvis polerne er ens bliver magneterne (elektronerne) frastødt af den anden magnet, og hvis polerne er forskellig bliver de tiltrukket af hinanden.

Når vi fører en magnet tættere og tættere på en ledning bliver det magnetiske felt i nærheden af elektronerne stærkere og stærkere hvorved frastødningen bliver stærkere og stærkere.

Når magneten er så tæt på ledningen som den kan komme, er elektronerne skubbet helt ud i en yderstilling og bevægelsen stopper. Når vi fjerner magneten igen, tiltrækkes elektronerne af den, hvorved der sker en bevægelse i den modsatte retning.

Forsøg.

Undersøg hvad induktion afhænger af – hvor stor en spænding kan i frembringe?

Magnetens styrke og form, antal vindinger,?

Undersøg hvad der sker når vi belaster en generator.

Lange ledninger. Flere pærer.

Forsøg med to spoler

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 7777

Vekselstrøm.

Når man nærmer en magnet til ledning (en spole) dannes der en strøm i ledningen. Denne strøm løber i en sådan retning at der dannes et magnetfelt i spolen, så den forsøger at frastøde den magnet, der er ved at blive puttet ind i spolen.

Når man fjerner magneten igen forsøger spolen at fastholde magneten, ved at der nu dannes en strøm der går i den modsatte retning, således at vi nu får dannet nordpol hvor der før blev dannet sydpol.

Vi får altså hele tiden strømmen i spolen til at skifte retning, frem og tilbage.

Herved har vi dannet vekselstrøm, som altså er en strøm der hele tiden skifter (veksler) retning, altså løber frem og tilbage.

Jo hurtigere vi kører magneten ind og ud af spolen, jo hurtigere skifter strømmen retning.

Forsøg:

Vekselstrøm. Maksimal spænding – effektiv spænding.

Trefaset vekselstrøm

Hvor ofte skifter strømmen retning?

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 8888

Hvordan måles strøm?

Strøm består som sagt af elektroner i bevægelse.

Spændingsforskel

Elektronernes bevægelse afhænger af den kraft, de bliver påvirket med. Den kraft er bestemt af spændingskilden / generatoren.

Spændingsforskellen måles med et volt-meter i enheden Volt.

Strømstyrke

Der kan flyttes mange eller få elektroner. Dette afhænger af hvor meget man belaster spændingskilden.

Strømstyrken måles med et amperemeter i enheden Ampere.

Effekt

Strømmen, som vi sender igennem f.eks. en pære, bevirker at der udsendes lys og varme fra pæren. Strømmen har altså en virkning - en effekt - på pæren. Denne effekt (P) måler man i Watt. Den er sammensat af to størrelser: spændingsforskellen (U) som måles i volt, samt strømstyrken (I) som måles i ampere.

Når man skal måle hvor meget energi en vis mængde strøm indeholder er man altså nød til både at se på hvor kraftig elektronerne bevæger sig, på hvor mange elektroner der deltager i arbejdet, samt på hvor lang tid elektronerne skal arbejde.

Energi måles i enheden joule.

1 Joule = Energiforbruget, hvis spændingen er 1 volt,

strømstyrken er 1 ampere og

strømmen løber i netop 1 sekund.

For at kunne sammenligne forskellige apparaters energiforbrug, har man indført et mål for hvor meget energi der omsættes pr. sekund. Dette mål kaldes effekt.

Effekt = Omsat energimængde, målt i joule pr. sekund. Enheden for effekt er Watt.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 9999

Hvorfor koster strøm penge?

For at få en pære til at lyse, altså til at udsende energi i form af lys og varme, er vi nød til at sende strøm (elektroner) igennem en glødetråd. Lige så længe som vi ønsker pæren skal lyse, lige så lang tid er vi nød til at sende elektroner igennem.

For at få disse elektroner til at bevæge sig med så stor hastighed igennem glødetråden på pæren så den lyser så længe vi ønsker, er vi nød til at bevæge en magnet kraftigt i nærheden af ledningen, så elektronerne kommer op i fart, og denne fart skal fastholdes lige så længe pæren skal lyse.

Vi er altså nød til at udføre et arbejde (tilføre energi) for at få lys ud af en pære.

Jo kraftigere bevægelsen i elektronerne er jo stører bliver spændingsforskellen, og jo flere elektroner der bliver sat i bevægelse jo større bliver strømstyrken.

Jo længere tid vi ønsker pæren skal lyse jo længere tid må vi påvirke elektronerne så de bibeholder deres fart.

Jo stører modstand der er, i det apparat der skal bruge den strøm vi laver, jo vanskeligere bliver det at sætte elektronerne i bevægelse, jo mere energi skal der derfor bruges for at fremstille strømmen.

Heldigvis kan vi få elværket til at udføre arbejdet med at sætte elektronerne i bevægelse og fastholde denne bevægelse, så vi selv slipper for det.

Elværket bruger brændstof (f.eks. olie eller kul) til at få magneten i generatoren til at dreje rundt.

Når nogen skal udføre et stykke arbejde for andre, her elværket for os, koster det penge.

Forsøg:

Energi til el - forsyning. Sammenhæng mellem belastning og nødvendig energi.

Kinetisk og potentiel energi.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 10101010

Hvordan transporterer man strøm?

El - energien er sammensat af to størrelser: Spænding og strømstyrke. Når vi skal sende strøm over store afstande, fra elværket til forbrugerne, er det vigtigt at så lidt som muligt af energien går tabt.

Da energitabet er lavt ved store spændingsforskelle, fordi strømstyrken herved er lav, er det vigtigt at man kan lave strømmen om så den har en stor spændingsforskel og en lille strømstyrke.

Transformator En transformator består af to spoler der er placeret på en ringformet jernkerne. Spolerne er ikke forbundet med hinanden med ledninger, alligevel kan man, hvis man sender vekselstrøm ind i den ene spole, udtage vekselstrøm fra den anden spole.

Dette fænomen skyldes sammenhængen mellem strøm og magnetisme. Strømmen i den ene spole danner et magnetfelt i jernkernen. Dette magnetfelt danner

Jernkerne der forstærker det magnetiske felt.

Spole

der sendes strøm ind i.

Primærspole Sekundærspole

Spole

der tappes

strøm ud fra.

Forsøg: Lav forsøg hvor du undersøger transformeren. Antal vindinger. Belastning

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 11111111

Regler for transformation.

Forestil dig en transformator der kun har en vinding på primærsiden og to vindinger på sekundærsiden.

Vi sender vekselstrøm med en spændingsforskel på 6 volt og en strømstyrke på 2 ampere ind i denne transformator.

På primærsiden vil vekselstrømmen i den ene vinding medfører at der dannes et magnetfelt af en vis styrke.

Magnetfeltet føres af jernkerne over til sekundærsiden.

Her vil magnetfeltet påvirke dobbelt så mange vindinger, fordi der er to vindinger her. Vi får derfor påvirket dobbelt så mange elektroner på sekundærsiden. Derfor får vi dannet en strøm med dobbelt så stor spændingsforskel som på primærsiden, altså 12 V.

En fordobling af vindingstallet på sekundærsiden medfører en fordobling af spændingen.

Der kan ikke tappes flere Watt ud af en transformer end der sendes ind i den. Effekten på primærsiden skal være lig med effekten på sekundærsiden. Hvis spændingen stiger til det dobbelte på sekundærsiden, må strømstyrken falde til det halve.

En fordobling af vindingstallet på sekundærsiden medfører en halvering af strømstyrken.

Nedenstående ligning gælder derfor.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 12121212

Fra sol - energi til el – energi

Fotosyntese

Forbrænding

Ved fotosyntesen, tager planterne kuldioxid fra luften og vand fra jorden, og forbinder dem til lange kul-stofforbindelser, som bruges til at opbygge planterne

Ved forbrændingen sker den modsatte proces af fotosyntesen. Her sker der en ned-brydning af de lange kulstofforbindelser til kuldioxid og vand.

CO2

C - forbindelser

Kul, Gas og Olie

Hvis der ikke komme ilt til planterne under forrådnelsen, kan de ikke omdannes til kuldioxid. Så dannes i stedet kul, gas eller olie. Ved afbrænding frigøres kulstoffet igen til atmosfæren som kuldioxid, herved frigøres samtidig en stor mængde energi, som kan udnyttes til at lave strøm.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 13131313

Miljøet - Drivhuseffekten

Afbrænding af kulstofforbindelserne i kul, gas eller olie, frigør energi, som ved hjælp af generatoren omdannes til el - energi.

Ved denne afbrænding af kulstof, brydes de eksisterende kulstofforbindelser, og der dannes nogle nye kemiske forbindelser hvor kulstof indgår, bl.a. CO2.

Kulstoffet (C - atomerne) forsvinder altså ikke når det brændes af, selvom det ikke kan ses mere, det indgå blot i nye kemiske forbindelser, f.eks. den usynlige luftart CO2

Når forbrugerne bruger meget energi, skal elværket bruge mere energi til at producere strømmen, altså skal der bruges mere brændstof - kul, gas eller olie - som ved afbrændingen forurener atmosfæren med bl.a. CO2.

De kulstofforbindelser som vi i dag brænder af, har det taget naturen millioner af år at danne. Når vi i løbet af nogle få hundrede år frigør det bundne kulstof til atmosfæren igen i form af CO2 vil det medføre at koncentrationen af CO2 stiger, fordi naturen ikke kan nå at omsætte så store mængder CO2 på så kort tid.

Drivhuseffekten.

Mange forskere mener, at en forøgelse af CO2 i atmosfæren vil medføre, at jordens atmosfære bliver bedre i stand til at holde på den varme, der udstråler fra jorden. Når atmosfæren bliver bedre til at holde på varmen vil temperaturen stige på jorden. Dette fænomen kaldes drivhuseffekten, som altså måske skyldes den øgede udledning af CO2 til atmosfæren. Dette kan den enkelte forbruger af strøm være med til at begrænse ved at tænke sig om, når der bruges strøm, derfor er det vigtigt at vi alle sparer på strømmen.

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 14141414

Opgaver El – energi.

1. En bilpærer (12 V – 5 A) er tændt i 1000 sekunder. Angiv energiforbruget:

2. Samme pærer er tændt i 10 minutter. Angiv energiforbruget:

3. Beregn samme pærers watt - tal:

4. En læselampe (220 V – 0,2 A) er tændt i 5 minutter. Beregn energiforbruget:

5. Beregn watt – tallet for samme pære:

6. En 60 W pære lyser i en time. Beregn energiforbruget:

Menneskets energiforbrug.

Energi forbrug: Gang Energi forbrug: Cykling

Fart Energiforbrug pr. time

Fart Energiforbrug pr. time

3,6 km/t 600 kJ 9,0 km/t 770 kJ

6,0 km/t 1200 kJ 15,0 km/t 1300 kJ

8,4 km/t 2800 kJ 22,0 km/t 2400 kJ

1 kJ = 1000 J

I 100 g mælk er der energi der svare til 270 kJ

7. Hvor mange timer kan en 60 W pære lyse på den energi som en gennemsnitsdansker bruger på et døgn.

8. Hvor mange timer kan en 75 W pære lyse på ”100 g mælk” ?

9. Hvor meget mælk skal en dansker drikke for at dække sit energibehov i et døgn.

Menneskets energibehov pr. døgn

8.500

14.000

20.000

Let stillesidende arbejde

Gennemsnit pr. dansker

Hårdt legemeligt arbejde

kJ

EL - ENERGI

© PH. 2001 Side 15151515

Tip tretten 1 X 2

Hvad er strøm? Elektroner i bevægelse Negative ladninger Atomer der støder sammen

Hvor opstår strøm? I et strømlager i jorden På elværket og i bat-terier

I stikkontakten

Der findes to slags strøm

Ny og gammel strøm Plus og minus strøm Jævn og vekselstrøm

Hvad skyldes magnetisme?

Elektron-bevægelser Usynlige snore fra

jordens kerne. Lim der virker gennem

luften

Elektromagnetisme opstår, når:

Vi gnidder et stykke jern med en klud.

Man sender strøm gennem en ledning

Af sig selv

Hvordan fremstiller man strøm?

Ved at tænde for kon-

takten Ved at man løber

stærkt Man bevæger en

magnet ved en ledning

Vekselstrøm er: Strøm der skifter retning hele tiden

Strøm der veksler i pris.

Strøm der veksler penge

Elektrisk effekt måles i

Watt Volt Ampere

El koster penge fordi:

Det er en form for skat Vi bruger elektroner Det koster penge at

lave strøm

En transformer virker pga.

Spolerne er forbundet med en ledning

Sammenhængen mellem strøm og

magnetisme

Der løber strøm i jernkernen.

En transformer ændrer

Spænding og

strømstyrke Vekselstrøm til jævn-

strøm Strøm til energi

Ved induktion forstår man:

Magnetisering af en ledning

Forbrug af strøm Dannelse af strøm under påvirkning af et

magnetisk felt.

El - forbrug er det samme som:

Forbrug af elektroner Forbrug af energi Forbrug af magne-tisme