Ellære

4.1 Elektricitet i Danmark



Brugen af elektrisk strøm

Brugen af elektrisk strøm

Det er kun ca. 100 år siden, vi rigtig begyndte at indføre strøm i Danmark. Siden da har elektricitet har forandret vores liv. Overvej hvordan din hverdag ville være anderledes uden elektrisk strøm. Måske kan du huske en dag, hvor der har været strømafbrydelse. Alt går i stå; lys, køleskab, gas- eller oliefyr, xbox eller playstation, modem til internet.

4.1.1 Strømkilder

I Danmark producerer vi elektrisk strøm på både store og små elkraftværker og ved vindmøller. Men ikke al den strøm vi bruger i Danmark bliver produceret i Danmark. Nogle gange køber vi strøm fra vores nabolande, eller vi sælger overskudsstrøm til dem. Men den elektriske strøm vi bruger fra stikkontakten, bliver produceret, mens vi bruger den.

Cirka 30% af Danmarks elektriske strøm kommer fra vindmøller, men da vi ikke kan undvære vindmølle-strømmen på dage, hvor det er vindstille, har vi netop samarbejdet med vores nabolande. På den måde kan vi have en stabil energiforsyning. Men det er stadig nødvendigt at satse på flere forskellige energikilder. (Info: Danmarks samlede energiforbrug 2013 var 763 PJ, samlet elforbrug var 122,4 PJ, 1 PJ er en million milliarder joule)

Den elektriske strøm fra elkraftværkerne sendes ud som højspænding – det vil sige en spænding på ca 400.000 Volt. Det gør man for at tabe så lidt energi som muligt i ledningerne.

4.1.2 Jævnstrøm og vekselstrøm

Vi bruger både jænvstrøm og vekselstrøm. Typisk bruger alle batteridrevne apparater jævnstrøm, og alle apparater du sætter i stikkontakten bruger vekselstrøm.

Jævnstrøm og vekselstrøm

Jævnstrøm og vekselstrøm

Jævnstrøm: Den ene pol altid positiv og den anden negativ. Strømmen går hele tiden fra plus til minus.

Jævnstrøm

Jævnstrøm, DC.

Vekselstrøm: Polerne skifter 50 gange i sekundet, så pluspolen bliver minuspol 50 gange hvert sekund – og omvendt.

Vekselstrøm

Vekselstrøm, AC.


Aktivitet: Elektrisk strøm

Tag en pære og tilslut den skolens strømforsyning. Sæt den først til jævnstrøm (DC). Skru op for spænding og strømstyrke indtil pæren lyser. Noter spændingen og strømstyrken. Gentag forsøget med vekselstræm (AC). Indstil strømstyrken så du har samme spænding og strømstyrke som før. Hvad observerer du?

Hvis man filmer en pære, der kører på vekselstrøm med et højhastighedskamera, kan man se, at den blinker.

Vekselstrøm

Vekselstrøm

Maksimal netspænding

Maksimal netspænding

I Danmark og det meste af verden har man 50 Hertz 220V-240V vekselspænding i stikkontakterne. Når man bruger vekselspænding, skifter polerne hele tiden. Når man angiver spændingen, er det den spænding, det ville svare til, hvis der var tale om jævnstrøm. I virkeligheden skal man gange med kvadratroden af 2 for at få den maksimale spænding.

4.1.3 Elektricitet i hjemmet

Farer ved el

Farer ved el

I skolen er udstyret sikret sådan, at man ikke kan blive udsat for mere end 25 Volt, men elektricitet kan være farlig. Hvis strøm går igennem et menneske, så strømmen går forbi hjertet, er der en risiko for, at man får hjertestop. Derfor er alle hjem forsynet med et HFI eller HPFI anlæg, som slår strømmen fra i hele huset, hvis der løber en strøm, der ikke løber mellem polerne i anlægget.

Elskabet i hjemmet er også forsynet med sikringer. De er typisk lavet, så de enten brænder over eller slår fra, når strømmen overstiger 10 Ampere eller 15 Ampere. Det er for at sikre, at der ikke opstår brand, idet ledninger kan blive varme, hvis de bliver udsat for en for stor strøm. Sikringen skal være det svageste led i kæden, der slukker strømmen, inden en farlig situation opstår.

I elskabet sidder også en energimåler, der måler, hvor meget elektrisk energi, der bruges i husstanden. Energimåleren måler elforbruget i enheden kilowattime (kWh). En kilowattime er den energimængde man har brugt, hvis man bruger en effekt på 1000 Watt i en time.

Elmåler. Måler elektrisk energiforbrug i enheden kWh.

Elmåler. Måler elektrisk energiforbrug i enheden kWh.


Læringsmål


Færdighedsmål

  • Eleven kan med modeller beskrive elektriske kredsløb.

Vidensmål

  • Eleven har viden om energiforsyning.
  • Eleven har viden om diagramsymboler og repræsentationer af elektriske kredsløb.
  • Eleven har viden om energikilder.

4.2 Strøm, spænding og modstand

4.2.1 Definition af strøm og spænding


Strøm og spænding

Strøm og spænding

Strøm

Strøm, eller strømstyrke, måles i enheden Ampere, A. Elektrisk strøm er elektroner, der bevæger sig i en ledning.

Strømmen, I, angiver antal ladninger per tid, der går gennem kredsløbet.

Spænding

Spænding måles i enheden Volt. Spændingen, U, angiver, hvor meget energi hver ladning kan aflevere.

Hvis spændingen bliver fordoblet, er der dobbelt så meget energi i den samme mængde ladning.

I en stun gun løber en lille strøm, men spændingen er stor.

I en stun gun løber en lille strøm, men spændingen er stor.


4.2.2 Elektriske kredsløb

Alle steder hvor vi bruger elektrisk energi har vi elektriske kredsløb.

Elektrisk kredsløb

Elektrisk kredsløb


4.2.3 Modstand eller resistans

I alle elektriske apparater er der en modstand eller resistor. Modstand hedder resistance på engelsk, og derfor bruges symbolet R. Modstand måles i enheden ohm (Ω).

Alle elektriske apparater har en modstand

Alle elektriske komponenter har en resistans

Modstanden afgør hvordan spændingen falder i forhold til strømstyrken. En modstand kan eksempelvis være en pære, en motor, en pumpe og mange andre  ting.

Modstand i kredsløb

Modstand i kredsløb

Sammenhængen mellem spænding, modstand og strøm kaldes ohms 1. lov.

Ohm’s 1. lov gælder altid for en resistor.

Ohm's første lov

Ohm’s første lov


4.2.4 Modstanden i en ledning

I metaller kan elektronerne i atomets yderste skal vandre. Faktisk er der stort set ingen modstand, når elektronerne bevæger sig gennem en ledning.

Når vi laver forsøg i skolen, regner vi derfor med, at modstanden i en ledning er 0.

Modstanden i en ledning

Modstanden i en ledning


4.2.5 Serie – og parallelforbindelser

Kirchoff’s 1. lov omhandler de forskellige elektriske stømme i et kredsfortæller og fortæller, at summen til og fra ethvert punkt i et kredsløb er nul.

Kirchoff's1. lov

 Strømmen i elektriske kredsløb. Kirchoff’s1. lov


Serie og parallel forbindelse

Serie – og parallel forbindelse


Serieforbindelse

Serieforbindelse

Parallelforbindelse

Parallelforbindelse

4.2.6 Strøm og spænding i kredsløb

Strøm og spænding i kredsløb

Strøm og spænding i kredsløb

I hjemmet forbinder vi vores apparater parallelt. Kun når de er parallelforbindelse kan vi få den samme spænding til alle apparater.


Aktivitet: Serie – og parallelforbindelse.

Prøv at sætte to ens pærer i parallelforbindelse på en af skolens strømforsyninger. Husk at skrue helt ned for strøm og spænding, inden du starter. Skru så op for strøm og spænding, indtil pærerne lyser klart. Nu skal du så sammenligne pærerens lys med lyset i en serieforbindelser. Sluk derfor for strømforsyningen på hovedkontakten uden at justere på knapperne. Forbind nu pærerne i serie, og tænd igen. Sammenlign. Er der en ændring? Forklar hvad du ser.

Serieforbindelse


Parallelforbindelse

Parallelforbindelse


Læringsmål


Færdighedsmål

  • Eleven kan med modeller beskrive elektriske kredsløb.

Vidensmål

  • Eleven har viden om diagramsymboler og repræsentationer af elektriske kredsløb.

4.3 Elektrisk effekt og beregningseksempler

4.3.1 Måling af strøm og spænding

Strømstyrke måles med et amperemeter, og spænding måles med et voltmeter.

Når man skal måle stømstyrke og spænding i et kredsløb, er det meget vigtigt at placere amperemeter og voltmeter korrekt.

Måling af strøm og spænding

Måling af strøm og spænding


Aktivitet: Ohm’s 1. lov.

Tag en af skolens strømforsyninger og forbind den til en modstand. Skru så op og ned for strøm og spændingen og noter sammenhørende værdier af strøm og spænding. Prøv at tegn grafen for sammenhængen mellem spænding (y-aksen) og strømstyrken (x-aksen) i et koordinstsystem. Prøv at gøre det med både jævn og vekselstrøm. Gentag bagefter forsøget med en pære.

Øvelse: Karakteristik af pære og resistor (modstand)

Øvelse: Karakteristik af pære og resistor (modstand)

I videoen kan I se, hvordan forsøget skal udføres med en resistor. Hvis I ikke kan lave forsøget, kan I tage data fra videoen og efterbehandle dem.

Ohm's 1. lov med data

 Aktivitet: Ohm’s 1. lov med data

4.3.2 Elektrisk effekt, P

Effekten fortæller, hvor meget energi der bruges hvert sekund. Effekt måles i enheden Watt.

Afsat elektrisk effekt

Afsat elektrisk effekt

Når man bruger elektrisk strøm, bliver energien afsat der, hvor der er modstand i systemet.

Effekt, P

Effekt, P

Man beregner den afsatte effekt, P, ved formlen:

, hvor U er spændingen målt i enheden Volt, og

I er strømstyrken målt i Ampere. P står for Power på engelsk.


Aktivitet: Apparater og effekt.

Du skal lære at undersøge apparaters effekt. Du skal udvælge forskellige elektriske apparater og se om du kan finde en opgivelse af effekten – det kan f.eks. være i bunden af en elkedel. Overvej hvilken enhed effekt måles i.



Aktivitet: Effekt og strøm.

Du skal lære at udføre beregninger. Du skal bruge de formler, du har lært til at regne dig frem til, hvor meget strøm en stikdåse trækker. Du vælger selv fire ting, der er tilsluttet stikdåsen – det kan være en hårtørrer+en computer+et digitalt vækkeur+en lampe.


Hvis man i effektligningen indsætter udtrykket fra ohm’s første lov, finder man at

Det er relevant at vide, når man skal vurdere effekttab i ledninger over lange strækninger.

https://vimeo.com/110618443

Effekt, strøm og resistans


Den elektriske stol


 

Den elektriske stol bruges til at henrette dødsdømte. Den blev indført i USA i 1890, fordi man mente, det var mere humant end hængning.

Den elektriske  er designet til at bruge vekselstrøm, som man anser som mere farligt end jævnstrøm. Når strømmen tilsluttes, er der en spænding på cirka 2500 Volt og en strømstyrke på cirka 6 Ampere. Strømmen tændes i cirka 10 sekunder. Hvis personen ikke er død efter 10 sekunder tændes for strømmen igen.

4.3.3 Beregningseksempler

Eksempel 1: Beregn effekten, P.

I en pære løber der en strøm på 0,5 Ampere. Spændingen er 220 V. Hvad er effekten?

Eksempel: find effekten, P

Eksempel 1: Beregn effekten, P

Eksempel 2: Beregn strømstyrken, I.

En elkedel har en effekt på 2200 W. Spændingen er 220 V. Hvor stor en strøm løber gennem elkedlen?

Eksempel: find strømstyrken, I

Eksempel 2: Beregn strømstyrken, I

Eksempel 3: Beregn spændingen, U.

Gennem en motor løber en strøm på 60 A. Motoren yder en effekt på 1200 W. Hvor stor er spændingen?

Eksempel: find spændingen, U

Eksempel 3: Beregn spændingen, U

Hvis spændingen er U=1 V og strømstyrken er I=3 A, så er effekten P = 1 V · 3 A = 3 W.

Hvis vi fordobler spændingen til U= 2 V og fastholde strømstyrken på I=3 A, så er effekten P = 2 V · 3 A = 6 W.

Aktivitet: Elektriske apparater.

Undersøg så mange elektriske apparater som muligt ved at læse på apparatet. Find ud af hvor stor en effekt, spænding og strømstyrke de bruger. På en elkedel er disse data som regel påtrykt i bunden. Det kan både være apparater, der skal i stikkontakten, opladere eller batteridrevne apparater. Diskutér på klassen, hvad tallene betyder. Gem de indsamlede data – du kan bruge dem under emnet energi.


Læringsmål


Færdighedsmål

  • Eleven kan identificere energiomsætninger i den nære omverden.
  • Eleven kan med modeller beskrive elektriske kredsløb.

Vidensmål

  • Eleven har viden om energiomsætning ved forbrug.
  • Eleven har viden om diagramsymboler og repræsentationer af elektriske kredsløb.