Aktiviteter
elektriske krefter

Her følger beskrivelser av ulike aktiviteter sammen med endel forklaringer. Her har vi ikke tatt stilling til om aktivitetene bør gjennomføres som demonstrasjoner eller elevaktiviteter fordi det er læreren som er den som best kan avgjøre dette utfra tilgjengelig utstyr og praktiske ferdigheter hos elevene.

Gnidd plast tiltrekker papir
Vi omgir oss med mange ulike typer plaststoff, og de fleste av disse stoffene vil forårsake elektriske krefter når de blir gnidd mot f. eks. hår, ull, bomull eller annet. Gni f.eks. en plastpenn mot håret og sjekk opp hvor store papirbiter den kan løfte fra bordet.

Forklaring: Når vi gnir pennen mot håret vil pennen få overført elektroner fra håret slik at den blir negativt ladet (mens håret blir positivt ladet). Papirbitene på bordet er på sin side nøytrale. Det vil si at det er like mange positive som negative ladninger i dem. Men når en negativ ladet penn kommer i nærheten av papirbitene vil den skyve bort de negative elektronene fra overflata (like ladninger fraskyver hverandre) og derfor blir papiroverflata positivt ladet og pennen vil tiltrekke papiret.

Problem: Hvorfor vil ikke overskuddet av elektroner ledes bort via hånda som holder pennen?

Svar: Pennen er i seg selv en isolator og overskuddet av elektroner i den enden som er gnidd vil derfor ikke kunne bevege seg bort til hånda. Erfaring viser imidlertid at ingen stoff isolerer 100% og derfor vil staven gradvis lades ut både langs pennen og gjennom luften. Spesielt i fuktig luft vil denne utladningen gå fort, og derfor er det vanskelig å gjøre forsøk med statisk elektrisitet når det er høy luftfuktighet.

Overflatehinne Mange har sett insekter som kan gå på vannet og små metallgjenstander (nåler, barberblad o.l.) som flyter på vann. Noen forklarer det ved å henvise til en overflatehinne. Her vil vi hevde at dette er et uheldig ord som gir uheldige assosiasjoner. Årsaken til dette fenomenet er at vannmolekylene er relativt sterke dipoler som blir sterkere tiltrukket av hverandre enn av f.eks. jern. Når vi så legger ei nål forsiktig ned på ei vannflate kan vi tenke at vannmolekylene trekke mer på hverandre enn på gjenstanden som legges på vannet. Gjenstanden vil derfor ikke kunne trenge ned i vannet og synke. Men om vi f.eks. har såpe i vannet betyr det at vi tilfører noen "fremmed-molekyl" som er svakere dipoler og disse vil da gå inn mellom vannmolekylene og svekke båndene mellom disse slik at nåla lettere kan trenge inn mellom vannmolekylene. Forklaringen på overflatehinnen er altså ikke at vannet omgir seg med en spesiell hinne, men at rent vann består av relativt sterke dipoler som foretrekker å omgi seg med andre vannmolekyl fremfor å slippe til andre stoff.

Hvordan øke ladninger ? (1)
Hvis vi ønsker å observere både tiltrekning og frastøting må vi samle opp litt større ladninger som "overdøver" den ovennevnte dipoleffekten som alltid vil gi tiltrekning. Testklokke: Rull litt aluminiumsfolie rundt enden av en rund penn og en sytrådbit slik figuren viser. Brett så kanten inn slik at tråden sitter fast. Lag så en knute i enden på tråden og heng "aluminiumsklokka" på et stativ slik som vist til høyre. Bruk gjerne kobber, tre eller plast i stativet i stedet for jern, slik at det samme stativet også kan brukes til magnetiske forsøk. Aluminiumsfolien har to viktige egenskaper som gjør at vi her får større ladninger. For det første vil aluminium lede strøm og det betyr at en eventuell ladning vil fordele seg jevnt utover overflata og det blir derfor plass til mer ladning. Dernest er overflata blank og det betyr at tapet i form av elektroner som hopper mellom lufta og flata blir minimal. Ei matt overflate er i praksis ei ujevn overflate med mange små spisser/topper hvor ladningene samles. På samme måten som en spiss lynavleder forårsaker spenningslekkasje som igjen minsker faren for lynnedslag, vil ei matt overflate lekke mer ladning enn ei blank overflate.

Like ladninger fraskyver
Glass blir positivt ladet når det gnies med en plastpose. Gni et reagensrør med en plastpose og hold reagensrøret i nærheten av aluminiumsklokka. Først observerer vi tiltrekning, men etter en eller flere berøringer vil vi kunne observere at det blir fraskyving. Forklaringen er at det hoppet elektroner fra aluminiumklokka til reagensrøret under berøringen og derfor får både kula og reagensrøret samme positive ladning. Like ladninger fraskyver hverandre. Hvis vi så tar på glassklokka eller reagensrøret med ledig hånd får vi en utladning og vi vil igjen observere tiltrekning.

Spørsmål: Hvorfor bruke reagensrør i stedet for penn i eksempelet ovenfor?
Svar: Nå finnes det ulike typer glass som følge av ulike tilsetninger, men noen glassorter (deriblant "grønne" reagensrør) får relativ stor ladning når de gnies med andre stoff. Den positive ladningen i glasset blir altså større en den negative ladningen i vanlige plastpenner. Husk at de kreftene vi observerer blir større jo større ladningen er. En annen grunn for å velge glass i stedet for plast i dette tilfellet er at positive gjenstander synes å holde bedre på ladningen. Dette har sammenheng med at det er de negative elektronene som forflytter seg når noe lades ut. Om aluminiumsklokka har negativ ladning betyr det at det finnes mange elektroner på overflata som står klar til å hoppe over i lufta omkring og utladningen går derfor relativt fort. Om aluminiumsklokka derimot er positivt ladet må den tiltrekke seg elektroner fra luften omkring for å lades ut, og siden det er relativt få løse elektroner i luften omkring, så vil utladningen ta lengere tid.

Spørsmål: En gang den ovennevnte aluminiumsklokka ble demonstrert ble det hentet fram en skål med vann for å demonstrere at vått papir vil klebe seg til tak og vegger på samme måte som gnidd plast og papir gjør det. Etter dette fungerte ikke forsøkene med aluminiumsklokka mer. Hvorfor?
Svar: Vann vil relativt raskt fordampe fra ei skål, fuktig papir, fingrer og annet, og fuktig luft vil da øke hastigheten på utladningen av glass og andre ting som vi brukte for å demonstrere elektriske krefter.

Eksempler på statisk elektrisitet
Figuren til høyre er hentet fra grunnnskleboka O-fag 6B (Gyldendal 1990) og viser ulike situasjoner hvor man kan oppleve elektriske krefter. Om disse kreftene blir store nok, kan man oppleve at det oppstår gnister som da i praksis er elektroner som hopper over fra ett sted til et annet.

 

 

 

Aktiviteter
magnetiske krefter

Hvordan fremskaffe magnetiske stoff?
I skolen er det vanlig å introdusere magnetisme ved å dele ut magneter og be elevene finne ut hva i omgivelsene som er magnetisk. I vitenskapelige sammenheng bruker man ordet ferromagnetisk i stedet for magnetisk, men det er da snakk om det samme. Siden Kobolt og Nikkel er relativt sjeldne metall er det rimelig å anta at det er jern i det elevene finner som tiltrekkes av en magnet. Sterke magneter brukes f.eks. for å skille jern fra annet søppel.

Magnetiske stoff forekommer også naturlig i naturen. Ved å feste et tau til en magnet og dra denne gjennom tørr grus eller sand er det mulig å samle opp magnetiske stoff. (Om grusen er for fuktig vil alt feste seg til den på grunn av elektriske krefter og oppsamlingen blir da mindre vellykket.) Nå kan det være ulike ting som fester seg til magneten når vi f.eks. drar den langs en grusvei, men magnetitt (Fe3O4) er et relativt vanlig stoff i jordskorpa og det er derfor rimelig å si til elevene at de relativt mørke partiklene som fester seg til magneten sannsynligvis er magnetitt som da er et stoff som inneholder jern.


Magnetfeltmønster (på papir med magnet under) kan lages av jernfilspon,magnetisk grus (magnetitt) eller brent stålull (brennes for at den lettere skal brekke opp i småbiter) 

I skolesammenheng er det ofte anbefalt å kjøpe jernfilspon til å strø over et papirark med en magnet på undersiden for å vise magnetfeltet rundt en magnet. Nå kan det være litt vanskelig å få tak i jernfilspon noen steder og her vil vi heller anbefale å samle opp magnetitt slik som skissert ovenfor. Dette er da billigere og de praktiske problemene som oppstår (hvordan fjerne magnetitten fra magneten, hvordan få passende kornstørrelse ol.) er da nettopp hva man trenger for at elevene skal oppleve at de er med i et realistisk prosjektarbeid. Figuren til høyre er hentet fra Yggdrasil Natur og miljøfag 5 (Asch 1997 s125)

Hvordan magnetisere og avmagnetisere?
Generelt er det uheldig om elevene skiller for sterkt mellom magneter og magnetiske stoff. Her vil vi derfor skissere et annet prosjekt hvor elevene skal prøve å magnetisere og avmagnetisere f.eks. spiker. Skrujern og andre gjenstander av stål/jern kan også brukes. Alle magnetiske stoff blir magnetisk i nærheten av en magnet, men det vi til vanlig kaller en magnet er da de stoffene som beholder mye magnetisme i lang tid etter at den ytre magneten er fjernet. Hvis vi holder en magnet inntil ene enden av en spiker vil en binders eller andre magnetisk stoff feste seg til den andre enden. Hvis vi fjerner magneten vil kanskje bindersen falle av, men det kan også tenkes at den blir hengende fordi spikeren og bindersen er blitt selvstendige magneter. Magnetismen i disse er likevel så svak og så kortvarig at vi ikke kaller dem for magneter, men de er da i prinsippet hjemmelagede magneter. Såkalt rent bløtt jern mister mest av den tilførte magnetismen mens herdet jern og stål vil bevare magnetismen i større grad. Det meste vi omgir oss med er en mellomting mellom disse ytterlighetene. En mulig prosjektoppgave er da å finne ut hva slags ting som bevarer magnetismen best.

En kanskje mer utfordrende prosjektoppgave er å utvikle teknikker for å magnetisere og avmagnetisere spiker og andre ting. Uten å ta stilling til hva som er best vil vi her bare nevne noen metoder som kan brukes for å magnetisere eller avmagnetisere. Elevenes oppgave blir da å sortere ut de metodene som virker best.


a) Magnetstav i gyrooppheng
b) Med et slikt kompass vil vi se at nordpolen peker nedover i Norge

Vi kan oppdage magnetkraftlovene selv!
Det var W Gilberts som først gav en systematisk beskrivelse av magneter i 1600 og deriblant formulerte han loven om at like poler frastøter og ulike poler tiltrekker. Hvis man har tre magneter hvor nordpolene ikke er merket, kan elevene selv gjøre forsøk hvor de kan kommer fram til denne regelen. For at de skal komme i gang kan vi da gi dem følgende problemstilling: Er det like eller ulike poler som tiltrekkes? En typisk vitenskapelig metode i slike sammenhenger er da å anta noe. Her kan vi da anta at det er like poler som tiltrekker hverandre. Dette er da det alternativet som vi vet er feil. Vi kan da be elevene merke en pol på hver magnet som da skal være den samme ifølge antakelsen ovenfor. Dette viser seg da å være umulig, konklusjonen blir da at det må være ulike poler som tiltrekker hverandre. Dette kan man da også teste og vi vil da se at det fungerer for alle magnetene.

Hvor langt virker magnetiske krefter?
Et kompass er et relativt følsomt instrument. Om man mangler kompass er det mulig å lage seg kompass med god følsomhet ved å henge en magnet i en tynn sytråd eller å plassere en magnet på en isoporbit i en skål med vann. Magneten vil da innstille seg i nord-sør-retningen og det er da nordpolen som peker nordover. Merk ellers at jordas magnetfelt har en vinkel i forhold til jordoverflata som er ca 70° i Sør-Norge. Det vil altså si at det er naturlig at hengemagnetens nordpol vil peke på skrå nedover. Om vi så har en annen magnet, kan vi undersøke hvor langt unna denne kan være og samtidig påvirke kompasset vårt. Mange elever vil vel i dette tilfelle bli litt overrasket over hvor langt unna man kan observere påvirkning mellom en magnet som dreies langsomt fra side til side og ei kompassnål. Magnetene må til vanlig være relativt nær hverandre for at vi skal "kjenne" de magnetiske kreftene.

Her følger til slutt noen figurer fra noen skolebøker med ulike tips. Til venstre viser man at magnetismen er sterkest ved polene O-fag 6B Grunnbok (Gyldendal 1986 s150)

Til høyre viser man en måte å lage et kompass. Magneten flyter på en isoporbit O-fag 6B Grunnbok (Gyldendal 1986 s150)

 Under er et eksempel på hvordan man kan lage en elektromagnet i skolen. Tilsvarende forslag finnes i mange ulike bøker. Her vil vi imidlertid ikke anbefale denne metoden for den aktuelle koblingen er i praksis en kortslutning av batteriet og batteriet blir svært fort utbrukt om man gjøre dette. En kort berøring på et par sekunder betyr vel ikke noe stor tapping av batteriet, men når man tvinner ledningen rundt polene slik som antydet her så vil vel kortslutningen vare en stund og det er da ting som tyder på at man må kjøpe nye batteri svært ofte om man gjør dette slik som figuren antyder..O-fag 6B Grunnbok (Gyldendal 1986 s150)