En tekst: I Norge får vi hoveddelen av vår elektriske energi/strøm fra vannkraft. Det betyr at det er potensiell energi i vann som omdannes til elektrisk energi/strøm. Her er det verd å merke seg at denne elektriske energien/strømmen produseres i samme øyeblikk som vi forbruker den i lyspærer og alt det andre som
bruker strøm. Den
elektriske energien /strømmen dannes i generatorer.
Energien/strømmen føres til oss via et elektrisk kraftnett som da består av
strømførende ledninger. Vi bruker da elektrisk energi/strøm til oppvarming, lys og mye annet.
Merk at vi i avsnittet ovenfor kan bruke to ulike begrep ( elektrisk energi og strøm)
og her følger så noen tanker om hva vi som lærere bør velge:
Elektrisk energi er et anbefalt begrep for å unngå begrepsforvirring,
men vaner er som kjent vonde og vende og vi må vel regne med at de fleste
vil bruke strøm i stedet for elektrisk energi i forklaringer av
denne typen. Her er det da viktig å være oppmerksom på at
dette er en annen bruk av ordet strøm enn den vi tenker på i dette
heftet. Den klareste indikasjonen på dette er vel at den ene 'strømmen'
(elektrisk energi) går fra kraftverket til forbrukeren, mens den andre
'strømmen' (elektrisk strøm / ladningstransporten) går i
en strømkrets som innebærer at det går like mye strøm
hver veg i de to ledningene som brukes. I en undervisningssituasjon er det
viktig at læreren klargjør for elevene hva han snakker om når
han snakker om strøm, ellers er det store sjanser for at elevene ikke
forstår hva det dreier seg om fordi de bruker en annen definisjon av strøm.
Sannsynligvis vil elever og andre vanlig folk tenke på elektrisk
energi, når de hører ordet strøm, og om man i
en undervisningsituasjon bruker strøm i betydningen ladningsforflytning
uten å kommentere denne dobbeltbetydningen så vil man garantert
få problemer.
Figurene
til høyre representerer to ulike strømdefinisjoner. I fysikken bruker vi ofte begrepet strøm i betydning
ladningstransport hvor man tenker at det er positive ladninger som forflytter
seg, selv om det i virkeligheten er negative ladninger som beveger seg. De røde
kulene representerer da tenkte positive ladnininger som går gjennom ledningene.
På den andre siden vil man i dagliglivet vanligvis tenke på energi
når man snakker om strøm. Vi betaler f.eks. for den strømmen vi får fra energiverket.
I dette tilfellet er det altså snakk om noe som overføres langs to ledninger
fra produsent til forbruker. Selv om det ikke er snakk om kvantifiserte
partikler slik som de grønne sirklene antyder, så kan man likevel si at den
aktuelle strømmen eller energien er noe som overføres via to ledninger
fra f.eks. et batteri til ei lyspære slik som figuren antyder.
Bør vi presentere begge disse strømdefinisjonene for elevene våre? Erfaring har vist at den ovennevnte tvetydigheten i begrepet strøm skaper
store problemer for elever og det er mye som tydet på at dette og andre tilsvarende
problem er årsaken til at mange velger bort fysikk. Kanskje fordi mange
fysikklærere ikke er klar over problemet og følgelig ikke forstår den frustrasjonen
mange elever opplever når de har en annen tolkning av et begrep enn det læreren
tror de har.
Elektrisk
strøm dannes samtidig som vi forbruker den.
Litt
mer om elektrisk strøm/ladningsforflytning
Elektrisk strøm er "elektroner som forflytter seg" og slik sett er den enkel å forstå. Men det er da ikke selve strømmen som bør få æren for alt som blir utført elektrisk utstyr. Når strømmen er så nyttig som den er, så er det fordi man har utviklet en teknologi som utnytter elektrisk strøm som energikilde. Om vi så ønsker å forstå det som skjer i det elektriske utstyret vi omgir oss med til daglig, så er det viktig å forstå endel grunnleggende prinsipp og lovmessigheter og det er da det vi vil konsentrere oss om her. Målet med dette heftet er å hjelpe leseren til å forstå
noen grunnprinsipp som vel er forutsetningen for å forstå den teknologien vi omgir
oss med til daglig.
Elektrisk strøm kan enten være vekselstrøm eller likestrøm.
Forskjellen på vekselstrøm og likestrøm er da at vekselstrømmen skifter retning flere ganger i sekundet, mens likestrømmen alltid har samme retning i lederen. Når det gjelder lovmessighetene
og begrepene som nevnes i dette heftet så gjelder for både vekselstrøm og likestrøm. Her er det ellers
nyttig å vite at vi vanligvis får likestrøm fra batteri, mens vi får vekselstrøm gjennom lysnettet. Vi
kan da bruke både vekselstrøm og likestrøm til lyspærer og varmeovner. Når det derimot gjelder elektromotorer og det meste av det andre utstyret vi omgir oss med, så er det da konstruert enten for vekselstrøm eller likestrøm.
Prinsippskisse
og koblingskjema for en strømkrets.
I naturen vil vi ikke ha strøm uten at vi har en strømkrets. Grunnen er at naturen motsetter seg store konsentrasjoner av ladninger, som man da ville fått om man bare flyttet elektroner ensidig
fra et sted til et annet. Det betyr videre at strømkilden som driver strømmen må både avgi og ta imot elektroner for at det skal gå strøm. Dette er sannsynligvis er et viktig "tankeprinsipp" som kan være til hjelp når man skal forstå definisjonene som følger. Merk
ellers at en strømkrets som den som er vist til høyre vil overføre
energi fra strømkilden til venstre til belastinigen til høyre.
Strøm (I) er 1)elektroner (ladninger) som forflytter seg i samme retning (kvalitativ definisjon) 2)ladniningsmengde (gjennom et tverrsnitt) pr. tidsenhet: I=Q/t [A=C/s] (kvantitativ definisjon)
Strømkrets er en krets (ring) med ledende materiale som inkluderer en strømkilde.
Spenning (V) er 1)"totalkraften" som driver (skyver/drar) ladningene (kvalitativ definisjon)
2) energimengde pr. ladning V=Energi/Q [V=J/Q] (kvantitativ definisjon)
|
I dette heftet er det den kvalitative definisjonen som er viktigst,
men den kvantitative definisjonen er da med som en orientering om hva den handler
om. I grunnskolen er hovedmålet
at elevene skal skjønne hva det dreier seg om kvalitativt. Når
det kvalitative er forstått vil de sannsynligvis ha små problemer med
den kvantitative biten. Hvis man hopper over den kvalitative biten så
er det store sannsynlighet for at man får elever som kan manipulere med
tall og symboler, men mangler praktiske ferdigheter fordi de egentlig ikke har
skjønt hva symbolene handler om.
En viktig formel er effektformelen: P=UI som forteller oss hvor mye energi som er involvert i elektriske kretser.
|
I forbindelse med strøm og spenning er det viktig at elevene også
forstår at det er snakk om kvantitative størrelser som f.eks. kan
måles med et multimeter selv om vi ikke vektlegger matematiske beregninger her.
Som nevnt foran brukes elektrisk strøm for å overføre
energi, og om man ønsker å finne ut hvor mye energi det er snakk
om i ulike praktiske tilfeller er det effektformelen i rammen til høyre som kan hjelpe oss. Vi
vil komme tilbake til denne under emnet energi. Her vil vi bare understreke
hovedprinsippet om at overført energi/effekt er proporsjonal med både strøm
og spenning. Det er med andre ord nødvendig
å ha både strøm og spenning for å få overført
energi via elektriske ledninger.
Her følger så noen andre begrep som er grunnleggende i denne
innføringen i elektrisk strøm.
|
Motstand/resistans - noe som hindrer/reduserer elektrisk
strøm i en strømkrets
Kortslutning/overledning - feilsituasjon hvor resistansen i kretsen blir for liten. Store strømmengder kan da ødelegge ting.
Brudd - feilsituasjon hvor resistansen i kretsen blir for stor og strømmen blir da tilnærmet 0.
Koblingskjema oversikt over elektrisk krets hvor komponenter er erstattet med symbol.
Leder - har liten resistans
Isolator - har stor resistans
|
Noen konklusjoner om ledere og isolatorer
I aktivitetsdelen er det forslag til ulike aktiviteter knyttet til en enkel
strømkrets. Her følger da bare noen generelle konklusjoner knyttet
til begrepene leder og isolator. Disse kan da fungere som tips i forbindelse
med kontroll av data som lærer eller elever har funnet fram til i aktivitetsdelen. Generelt er metaller gode ledere. På den andre siden har vi plast, gummi, glass, luft ol. som regnes som gode isolatorer og de brukes derfor ofte som isolasjon rundt elektriske ledninger. Andre stoff vil da lede strøm mer eller mindre. En generell regel er da at fuktighet (tilstedeværelse av vann) gjør mange stoff ledende. Et eksempel er kjøkkensalt. Tørre saltkorn leder ikke strøm, men når det blandes ut i vann leder det strøm. Generelt kan vi si at jo fuktigere et stoff er, jo bedre leder det strøm. Til vanlig regner vi ikke rent vann som en leder men det
er lett og vise at vann heller ikke er en isolator. Her vil vi derfor kalle rent vann, hud ol. for dårlige isolatorer.
Om det er mørkt omkring oss så vil vi sannsynligvis
kunne se at en lysdiode lyser når vi putter ledningsender i rent vann.
Strømmen (biler pr sekund) er den samme langs hele veien om lengden av den saktegående
køen er noenlunde konstant.
I det følgende vil vi prøve å forklare hva som ligger i begrepene strøm, resistans og spenning
ved hjelp av ord og ulike modeller.
Hva er strøm?
Begrepet strøm er det relativt lett å forstå fordi det er lett å danne seg et indre bilde av hva det handler om. På en vei kan vi f.eks. ha en strøm av biler. Her vil vi kort understreke at det ikke er farten til bilene eller antall biler hver for seg som bestemmer strømmen, men det er da en kombinasjon av begge disse. Bilstrømmen (antall biler som passerer et punkt pr minutt) kan f.eks. være den samme om man har en tett saktegående kø eller om vi har spredte biler med høy hastighet. Elektrisk strøm er vanligvis elektroner som beveger seg gjennom en leder, og generelt kan da mange saktegående elektroner gi like mye strøm som få raske elektroner.
Hvorfor er spenning og resistans vanskelige begrep?
Spenning og resistans er to andre viktige begrep som da bestemmer hvor stor elektrisk strøm vi skal ha i konkrete tilfeller. Disse er da begrep som mange har problemer med å forstå. Årsaken kan være at lærebøker har mislykkes med å gi et nyttig indre bilde av hva som egentlig ligger i disse begrepene. Her vil vi bruke litt tid på å bygge opp en fysisk forståelse for hva som ligger i de aktuelle begrepene slik at man har noe konkret å tenke på når man senere skal anvende dem i konkrete situasjoner. Alternativet blir ofte en slags manipulering med diffuse begrep som før eller senere fører til at forståelsen erstattes med pugging.
Grunnlaget for å forstå spenning og resistans er at man forstår hvordan elektronene er plassert i atomene. Ifølge kvantemodellen er det snakk om en slags diffuse "elektronskyer" som beveger seg i baner omkring atomkjernene. Dette er en pedagogisk dårlig modell av atomet, som i mange tilfeller fungerer som et "slør" som hindrer forståelse og "dreper" interessen for fysikk. Mange mener også at det er en faglig dårlig modell som hemmer vitenskapelig forskning.
Figuren viser et atom hvor elektronene som bidrar til elektrisk strøm befinner
seg i bestemte posisjoner i utkanten av atomet ifølge em-modellen
De posisjonene som kan inneholde et elektron kan vi kalle potensialhull, og
vanligvis vil noen ha et elektron, andre ikke
I en slik modell vil
liten resistans skyldes lave kanter i potensialhullene
mens
stor resistans skyldes høye kanter i potensialhullene
Høy temperatur vil tilsvare store oscillasjoner/vibrasjoner til elektronene,mens
lav temperatur svarer til små oscillasjoner/vibrasjoner.
Når
det er en ytre spenning fra et batteri, vil elektronene trekkes oppover
kanten av potensialhullene. Noen vil da kunne falle ned i et nytt potensialhull
og frigi energi i form av elektromagnetiske bølger(varme) når svingningene
avtar.
En pedagogisk atommodell
I praktiske kjemi- og fysikksammenhenger har man vanligvis valgt å betrakte elektronene som små ladninger som befinner seg i bestemte posisjoner i atomet, og dette vil vi da også gjøre her. Elektronene befinner seg da mer eller mindre nær kjernen i atomet og ifølge em-modellen er det magnetiske og elektriske krefter som holder dem på plass. Hvis vi f.eks. prøver å "puffe" et elektron nærmere kjernen vil magnetiske krefter motvirke dette. Om vi så prøver å "dra" elektronet bort fra kjernen vil elektriske krefter motvirke dette. Tilsvarende vil omliggende elektroner også lage elektriske og magnetiske krefter som gjør at et elektron heller ikke vil kunne bevege seg rundt kjernen. Elektronene befinner seg altså i et såkalt potensialhull som da er forårsaket av elektriske og magnetiske krefter fra omgivelsene. Denne situasjonen har mange likhetstrekk med ei kule i et fat med avrundet bunn. Kula vil alltid føle en kraftsum som trekker den mot sentrum av skåla, men den kan da oscillere eller svinge litt fram og tilbake. Hvis svingningene blir for store kan så kula hoppe over kanten. Tilsvarende kan vi også tenke at elektroner kan forlate et potensialhull.
Hva er resistans?
Tidligere har vi definert resistans som noe som hindrer strøm, og som et indre bildet kan vi tenke på resistansen som et uttrykk for hvor høye kanter det er i potensialhullet. Ulike stoff har ulike resistans. Et isolerende stoff vil da ha svært stor resistans og det betyr da at alle elektronene befinner seg i dype potensialhull. Det er da vanskelig å løsrive eller flytte på elektroner. Metaller er på den andre siden gode ledere og det betyr da at de har mange potensialhull med relativt lave kanter.
Termisk energi gjør at elektroner beveger seg
Temperatur er et utrykk for hvor mye elektronene svinger fram og tilbake i potensialhullene sine. Jo høyere temperaturen er jo mer svinger de. Elektronene vil da aldri ligge helt i ro i et potensialhull. Dette betyr videre at elektroner ofte hopper fra ett hull til et annet, men fordi denne hoppingen har tilfeldig retning snakker vi ikke om elektrisk strøm i dette tilfellet. Elektrisk strøm kjennetegnes av at mange elektroner beveger seg i samme retning. Når elektronene i et stoff vibrere sender de ut elektromagnetiske bølger
(varmestråling) som absorberes av naboelektron og slik sett vil de kontinuerlig utveksle energi/varme som kan gi enkeltelektroner nok energi til å hoppe over i et nytt potensialhull. Et elektron som ramler ned i et nytt potensialhull vil da vibrere bort overskuddsenergien som elektromagnetiske bølger og slik kan vi tenke oss at energien overføres mellom elektronene samtidig som totalenergien er konstant.
Hva skjer når vi kobler til et batteri?
Hva skjer så hvis vi kobler en motstandstråd (leder med litt stor resistans) til et batteri? Motstandstråden vil da oppleve et overskudd av elektroner ved minuspolen og et underskudd av elektroner ved plusspolen. Mellom disse vil det da oppstå et elektrisk felt som vil forskyve elektronene i potensialhullene i motstandstråden. Elektriske krefter gjør da at elektronene vil bli trukket litt oppover kanten av potensialhullene (mot plusspolen). Det svarer da til at elektronene får litt
hjelp til å hoppe over i et nytt potensialhull. Resultatet blir at flere elektroner enn normalt vi hoppe over til nye potensialhull og totalt sett får vi en elektronstrøm mot plusspolen. Hver gang et elektron ramler ned i et potensialhull vil det frigjør energi i form av elektromagnetiske bølger eller varmestråling, og denne strålingen vil da øke når det går strøm gjennom motstandstråden. Derfor blir motstandstråden varm.
Spenningen
er proporsjonal med kraften på hvert elektron som da i sin tur er proporsjonal
med E-feltet (E=F/q).
Spenningen er også proporsjonal med antall
elektroner som er påvirket. Dette antallet er i sin tur proporsjonalt
med lengden av motstandstråden(d). Vi kan derfor tenke på spenning som
en TOTALKRAFT (V=E·d)
Hva er spenning?
Tidligere har vi presentert formelen som viser hvor mye energi som omdannes fra elektrisk energi til varme i elektrisk utstyr: P=UI. Her vil vi da bruke denne for å danne oss et fysisk bilde av bidraget fra spenningen U. De fleste vil oppleve det innlysende at energiomformingen fra elektrisk energi til varme er proporsjonal med antall elektroner som er involvert. Her vil vi derfor konsentrere oss om det fysiske innholdet i begrepet spenning(U). I et homogent elektrisk felt (homogent felt betyr at feltet er like sterkt i hele området) har man følgende sammenheng: U=Ed (E
er her det elektriske feltet og d er lengden av motstandstråden). Siden spenningen er proporsjonal med det elektriske feltet som igjen er proporsjonalt med de elektriske kreftene (E=F/q) betyr det at spenningen forteller noe om kraften som trekker elektronene ut fra sentrum i potensialhullene. Dette gjør at vi kan bruke kraft som et begrep som karakteriserer spenningen og det er dermed mulig å danne seg et fysisk bilde av spenningen gjør i motstandstråden. Vi tenker altså på spenning som en "kraft" som trekker elektroner ut fra sentrum i potensialhull. Ifølge formelen U=Ed så er det også en d involvert, og her vil vi bare si at det skjer en energiomforming fra strøm til varme langs hele motstandstråden og derfor må vi tenke på spenningen som en "totalkraft" og ikke en enkel kraft som virke på et enkelt elektron. I et energiperspektiv kan vi da si at den aktuelle "totalkraften" gjør at elektronene som hopper starter "høyere" i potensialhullet sitt enn de ender i det nye potensialhullet og denne energiforskjellen er da bidraget fra spenningen.
Når vi her beskriver spenningen som en "kraft" så bruker vi "" for å marker at det ikke er snakk om en kraft slik den er definert i mekanikken. Nå har det også vært brukt andre ord som 'trykk', 'energi' og 'arbeid' i forsøk på å gi en fysisk forklaring av hva som ligger i begrepet spenning. Det er selvfølgelig mulig å avvise alle slike forsøk og si at 'spenning' er 'spenning'. Dette er da selvfølgelig rett, men problemet er da at denne definisjonen av spenning gir liten hjelp til å danne oss et indre bilde av hva det dreier seg om. Erfaring har vist at vi mennesker trenger hjelpeforklaringer for å danne oss indre bilder av det vi skal forstå. Alternativet er da å pugge det "ekspertene" har sagt, men det er det vel bare ekspertene som er tjent med.
Figuren
til høyre viser hvordan en lærebok i grunnskolen illustrerer hva
som skjer i en strømkrets. Merk at den konkrete figuren er en sammensetting av flere
figurer og derfor ikke en direkte kopi, men den viser da prinsippene som er
brukt i denne boka for å illustrere prinsippene. Forsøk og fakta faktabok 8 (NKS 1989 s143/145)
Hva er bra og hva er mindre bra med denne måten å illustrere
det som skjer i en strømkrets?
(Antydningen om en full "minus-beholder" og en tom "pluss-beholder"
er uheldig. Det er kjemiske prosesser som kontinuerlig bygger opp et lite overskudd
av elektroner på -polen.)
Induksjon
Til nå har vi behandlet elektriske og magnetiske fenomen hver for seg. I
det følgende skal vi se at disse fenomenene egentlig er nært beslektede fenomen
og i svært mange tilfeller vil vi oppleve at det ene oppstår som en følge av
det andre. Induksjon er et begrep som beskriver denne sammenhengen mellom
elektriske og magnetiske fenomen. Hovedprinsippet her er da at en forandring/endring
av den ene vil indusere/forårsake endring i den andre. Dette har vi prøvd å
illustrere i figuren til høyre:
Elektrisitet og magnetisme er to grunnleggende naturfenomen som inneholder
energi. Det betyr at elektrisk energi kan omdannes til magnetisk energi og omvendt. I
figuren til venstre endrer man på den magnetiske energien i spolen ved å føre
en magnet inn og ut. Da blir det dannet et elektrisk felt som lager elektrisk
strøm i spolen. Dette kalles induksjon (DM Þ
E). I figuren til høyre vises en spole med og uten elektrisk strøm, og generelt
kan vi si at ulike strømforhold i spolen gir ulike magnetiske egenskaper
til spolen. Dette kalles da en elektromagnet. I tillegg til at en stabil
elektrisk strøm lager magnetfelt vil også en endring i strømmen generere en
endring i magnetfeltet som kan observeres i ulike sammenhenger (DE Þ
M). (tegnet D betyr her "forandring i"
og den siste parentesen kan da leses slik: forandring i elektrisk felt forårsaker
et magnetisk felt)
Når man fører en magnet ut og inn av en spole med f.eks. 10 000 vindinger vil
det induseres en strøm som kan få en lysdiode til å lyse(blinke).
Vi
vil få strøm om vi dreier en spole i et magnetfelt eller dreier en magnet
i nærheten av en spole.
Demonstrasjon av induksjon
Induksjon er det som motvirker endring i magnetfelt og det fremstår da som et E-felt som genererer en strøm som motvirker endringen (en slags treghet). Den
vanligste måten å demonstrere å demonstrere induksjon er å kopler et galvanometer
(følsomt ampermeter) til en spole og fører en fast magnet inn og ut av spolen. I
figuren til høyre har vi koblet to lysdioder til en slik spole og om det er
tilstrekkelig mange vindinger i spolen (~10 000) vil vi kunne se at lysdiodene
lyser. Merk at en lysdiode trenger minimum 1,5V for å lyse og derfor må det
være et visst antall vindinger i spolen for at forsøket skal fungere. Merk at de
to
lysdiodene er koblet hver sin veg og det betyr at de derfor vil veksle på å lyse
og dermed illustrere at vi her får en vekselstrøm. En
lysdiode lyser når magneten puttes inn og den andre lyser når magneten trekkes ut.
Virkemåten
til generator/dynamo
Når man beveger magneter i nærheten av spoler vil det induseres strøm i spolene. Dette kalles induksjon og en generator/dynamo er da en teknisk innretning som utnytter dette prinsippet best mulig. En generator/dynamo omdanner kinetisk energi (bevegelse) til elektrisk energi. Forskjellen på en dynamo og en generator er da hovedsaklig at en generator er større en dynamo. Figuren til høyre viser prinsippet for en enkel sykkeldynamo hvor det er en magnet som beveger seg og spolen leverer da vekselstrøm. Det finnes også dynamoer som leverer likestrøm (eks bildynamo), og det skjer da ved at vekselstrøm i spoler blir omdannet til likestrøm f.eks.
ved hjelp av stifter som snur strømmen på rette tidspunkt.
Virkemåten til en transformator
I en transformator vil endring i strømmen i primærspolen endre magnetfeltet i jernkjernen og denne endringen vil så i sin tur indusere strøm i sekundærspolen. Det overføres med andre ord energi fra primærspolen til sekundærspolen. En transformator brukes til å øke/minske strøm/spenning mens effekten er tilnærmet bevart. En transformator består ofte
av en sirkulær jernkjerne og to spoler. I primærspolen vil energi i vekselstrømmen overføres til et magnetfelt i jernkjernen. Hvis vi ikke har flere spoler, vil vi ha et minimalt energitap siden energien i magnetfeltet blir "reflektert" tilbake til primærkretsen
når strømretningen snur. Om vi også har en sekundærspole som er koplet til en eller annen belastning, vil vi oppleve at energi overføres fra primærspolen til sekundærspolen via jernkjernen. Hvis vi har ulik antall vindinger i primærspolen og sekundærspolen, vil vi kunne øke eller minske spenningen. Merk at effekten(P) ut og inn av en transformator er tilnærmet lik. Det betyr at om spenningen(U) øker så vil strømmen(I) minke og omvendt (P=UI).
I energiforsyningen bruker man vanligvis vekselspenning. En viktig årsak til dette er at man
da kan bruke transformatorer til å transformere spenningen opp og ned. Transformatoren virker bare på vekselstrøm. Når elektrisitetsverkene skal sende strøm over lange avstander gjennom ledninger er energitapet mindre jo høyere spenningen er fordi strømmen blir tilsvarende mindre. Energitapet øker når strømmen øker. Det er derfor el-verkene har et høyspenningsnett mellom de ulike tettstedene. Vekselspenning kan også brukes direkte til lyspærer og større motorer, ofte på en mer effektiv måte enn likestrøm.
Virkemåte til elektromotoren
Når det går strøm i en spole oppstår magnetiske krefter som kan dreie en magnet. Hvis man så sørger for å snu strømmen i spolen (vanligvis ved hjelp av såkalte børster) når sørpol og nordpol er kommet sammen, vil motoren fortsette å dreie så lenge strøm tilføres. En elektromotor omdanner da elektrisk energi til kinetisk energi (bevegelse). Nå er det forholdsvis krevende å lage en elektromotor side det er endel ting som må klaffe. Om vi derimot vil beskrive virkemåten til en elektromotor er ikke det så vanskelig. Enklest kan vi si at det er magnetiske krefter som drar den rundt, og det er da slik at en nordpol tiltrekkes av en sørpol og fraskyves av en nordpol. Hvis vi vil gå litt mer i detalj, så må vi si at minst en magnet må være en elektromagnet. Det er fordi det er mulig å skifte poler på en elektromagnet,
men ikke på en fast magnet. Prinsippet er da at når en nordpol f.eks. har nådd fram til en sørpol, vil det hele stoppe opp om vi ikke da skifter strømretning slik at det blir en fraskyving som fører dreiingen videre. Den magnetiske kraften er da en følge av den elektriske strømmen som tilføres. Her kan det være verd å merke seg at en elektromotor "går på" strøm, men det er magnetiske krefter som får den til å dreie. Til sammenlikning kan vi si at en bensinmotor "går på" bensin, men det er varme (eller tilhørende trykk) som får den til å gå rundt.
Virkemåten til ei ringeklokke
Vanlige gammeldagse
ringeklokker og bilhorn inneholder en elektromagnet og en bryter. Virkemåten er da kort fortalt at tilført strøm gjør at elektromagneten trekker til seg noe som i neste omgang gjør at strømmen brytes, og dermed slippes det hele tilbake til utgangspunktet. Dette vil så i sin tur føre til at strømmen kobles inn igjen og de bevegelsene som oppstår kan da medføre slag mot ei bjelle eller at en membran går fort ut og inn og lager lyd.
Virkemåten til andre typer strømkilder
Her følger ei liste over ulike strømkilder og beslektet utstyr. Strømkildene kan da levere mer eller mindre strøm, og det er da viktigst å kunne beskrive hva som skjer på
utsiden av srønkildene
slik som vi har gjort her. Men det hender også at det er noen som ønsker å forstå hvorfor vi får strøm fra disse strømkildene. Her vil vi ikke ta tid til å forklare virkemåten til de enkelte strømkildene, men det er da mulig å gjøre det på en relativt enkel måte ved hjelp av em-modellen. I tradisjonelle fysikk- og kjemibøker kan man av og til få en beskrivelse av hva som finnes inni disse strømkildene, men det er svært vanskelig å finne forklaringer. Det kan da ha sammenheng med at de tradisjonelle modellene som brukes når man skal forklare elektromagnetiske fenomen ikke er så gode som de burde vært.
Solcelle - elektromagnetisk stråling gir elektrisk spenning(~ 0,5V). Solceller omdanner lys til elektrisk energi.
Termoelement - temperaturforskjell i to kontaktpunkt mellom ulike metaller gir strøm som f.eks. brukes til temperaturmåling. Temperaturforskjell (varmeenergi) omdannes her til elektrisk energi.
Peltierelement er i prinsippet det samme, men her tilføres strøm og man får ulike temperaturer som resultat. (Brukes f.eks. i kjølebokser som kan tilknyttes bilbatteri)
Batteri/galvanisk element - Felles for disse er at de omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. Det er vanskelig å finne forklaringer på hva slags krefter som driver elektronstrømmen i tradisjonell litteratur.
Virkemåten til radio og mobiltelefon
I
beskrivelsen av transformatoren ovenfor så vi at vekselstrøm kunne overføre
elektrisk energi til magnetisk energi i en jernkjerne som så igjen kunne overføre
energi til en annen spole i form av elektrisk energi. Prinsippet for radio og
mobiltelefoner er da det samme. Når disse lager en vekselstrøm i antenna vil
det induseres litt magnetisk energi i området omkring antenna, som så i sin
tur induserer litt elektrisk energi i området rundt antenna. På samme måten
som en jernkjerne og en sekundærspole kan ta imot henholdsvis magnetisk og elektrisk
energi, kan også vakuum(et område som ikke inneholder luft) også ta imot litt
elektrisk og magnetisk energi. Animasjonen til høyre viser da at den aktuelle
energien som overføres til området omkring antenna vil fortsette å bevege seg
bortover fra antenna som elektromagnetiske bølger. Om disse bølgene møter
ei annen antenne vil de kunne indusere litt vekselstrøm i denne antenna og om
så disse svake signalene blir forsterket har vi en radiomotaker som kan fange
opp signaler som er sendt ut av en radiosender. Merk at det er samme prinsippet
som gjelder for alt fra radio og TV til mobiltelefon og GPS, men de ulike kommunikasjonssystemene
vil da ikke forstyrre for hverandre fordi de bruker ulike frekvenser.
Litt kvantitativt om elektromagnetiske felt
Elektromagnetisk forurensning
Alt elektrisk utstyr vil omgir seg med elektriske og magnetiske felt, og dette er ofte en uønsket effekt. Det er f.eks. påvist at slike felt kan påvirke oss mennesker på en uheldig måte og derfor er det aktuelt å kunne måle slike felt. Disse feltene kan da i prinsippet deles opp i stasjonære og varierende felt. De stasjonære feltene er sannsynligvis ikke skadelige og derfor har de fått liten oppmerksomhet. Vi vet at jorda omgir seg med et stasjonært magnetisk felt og dette har da en styrke på ca 0,06mT ved jordoverflata. Tilsvarende vil vi også finne elektriske felt ved jordoverflata. En normalverdi utendørs for dette feltet er 100V/m men kan da stige til over 1000V/m i tordenvær. I og med at det er spenninger i størrelsorden 10000V i en TV kan det også oppstå relativt sterke elektriske felt innendørs.
Det er da de variable elektromagnetiske feltene som har fått mest oppmerksomhet og disse finner vi i nærheten av elektriske ledninger, radiosendere mobiltelefoner, datamaskiner oa. Det er da snakk om ulike frekvenser i de ulike tilfellene og her vil vi ikke gå inn på hvilke frekvenser som er mest skadelige for oss mennesker. Vi vil bare nevne noen eksempler på verdier som er målt slik at man har noe å sammenlikne med om man får oppgitt en isolert verdi. Tallene nedenfor gjelder da ulik frekvenser og det er derfor viktig å være klar over at det ikke nødvendigvis er der man har høyest tall at det er størst fare for skadevirkninger på mennesker.
Elektrisk feltstyrke:
Nær høyspentledninger (50Hz): Opptil 10000V/m
Nær 220V ledninger (50Hz): Opptil 100V/m
Fra dataskjermer: Opptil 10V/m
Magnetisk feltstyrke:
Fra kraftforsyningsanlegg (50Hz): Opptil 20 mT
Fra gulv med varmekabler (50Hz): Opptil 20mT
Fra dataskjermer: Opptil 0,4mT
Normalverdi i norske hjem (50Hz) 0,01-0,05 mT
Hvordan kan vi måle elektriske felt?
Generelt er det nyttig å vite litt om hvordan man måler elektriske og magnetiske felt selv om vi ikke vil gjøre det i praksis. Når vi måler spenning ved hjelp av et voltmeter, så tappe vi spenningskilden for litt strøm. Dette er ok så lenge strømbelastningen er liten i forholdt til det som kan leveres av strøm. Om vi f.eks. vil finne feltstyrken mellom batteripolene på et 4,5V batteri når disse har en innbyrdes avstand på 1cm, så kan vi koble til et voltmeter og dette viser da sannsynligvis 4,5V. Feltstyrken blir da E=4,5V/1cm=450V/m. Så langt er det få problemer. Generelt er det imidlertid slik at elektriske felt bli større jo større resistansen er. I luft er resistansen høy og det er vanligvis også i luften vi ønsker å måle feltstyrken (spenningsforskjell pr lengdemeter: V/m). Problemet her er da at hvis vi prøver å koble et voltmeter til "luft", så vil det ha mye mindre resistans enn luften og det vil derfor fjerne den spenningen vi ønsket å måle. Et prinsipp som kan minske forstyrrelsen fra måleinstrumentet er da å lader opp en kondensator gjennom to ledninger. Når så kondensatoren er oppladet, lades den ut via en kjempestor motstand og medgått tid vil da stå i forhold til den spenningen man hadde på kondensatoren i utgangspunktet. Konklusjonen så langt er da bare at det er vanskelig å gjøre nøyaktige målinger av statiske feltstyrker. Det er da lettere å finne feltstyrken til dynamiske E-felt siden man kan bruke ulike indirekte metoder her.
Hvordan måler vi magnetisk felt?
Som nevnt ovenfor kan magnetiske felt være statiske og dynamiske. Når det gjelder de statiske magnetiske feltene kan vi få et inntrykk av hvor sterke disse er ved å observere utslaget på ei kompassnål. Hvis vi ønsker en tallverdi for magnetfeltet, så brukes ofte en såkalt magnetfeltmåler. De
billigste av disse er vanligvis basert på den såkalte hall-effekten. Den ble oppdaget i 1879 av Edwin Hall. En strømleder som går gjennom et magnetfelt vil få en skjev fordeling av ladningene fordi elektronene vil trekkes sidelengs av magnetfeltet. Jo sterkere magnetfelt, jo sterkere skjevfordeling. Denne skjevfordelingen kan i sin tur måles ved hjelp av et voltmeter og dermed kan vi si noe om magnetfeltet. En slik måler kan brukes både til statiske og variable magnetfelt.
