Aktiviteter
elektrisk strøm

Her følger beskrivelser av noen utvalgte aktiviteter fra et undervisningsopplegg om elektrisitet/elektronikk sammen med litt bakgrunnsinformasjon. Undervisningsopplegget har da fått en mer grundig presentasjon i Naturfag 2. Et mål er at aktivitetene skal være relevant i forhold til en kort innføring i begrepet strømkrets og tilhørende grunnbegrep.

I skolen ønsker man vanligvis å gi en innføring i grunnprinsippene i elektrisitetslæra, og det er da et ønske om å unngå kompliserende forhold. Her vil vi da prøve å presentere elektrisiteten som et "rent" elektrisk fenomen. Det betyr at vi kan trekke inn begrep som leder, isolator, strømbrudd, kortslutning i tillegg til grunnbegrepene strøm, spenning og motstand/resistans, men ikke magnetiske fenomen. Når elevene skal lære om elektrisitet er det viktig å gjøre undervisningen konkret. Her følger derfor noen forslag til aktiviteter hvor et 4,5V batteri og en lysdiode utgjør kjernen. Lysdiodens hovedoppgave er da å markere når det går strøm, og den vil da lyse med langt mindre strøm enn ei lyspære. Det betyr på den ene siden at vi sparer energi og på den andre siden kan vi påvise langt svakere strømmer enn om vi brukte ei lyspære. Hensikten med motstanden er da å sikre at lysdioden ikke får mer strøm enn den tåler. Utstyret som vi henviser til her er lett å lage selv.

Aktivitet 1
Kobl opp kretsen som er vist til høyre. Lysdioden skal lyse om koblingen er rett. Mulige grunner til at lysdioden ikke lyser:
- Lysdioden snudd feil vei (dioder leder strøm bare en vei)
- Defekt batteri, defekt lysdiode, ledningsbrudd

Forklaring:
Kretsen bruker relativt lite strøm (ca. 8mA). Den kan derfor være oppkoblet en stund uten at batteriet tappes noe særlig. Studer gjerne kretsen mens du leser forklaringene som følger her. Når lysdioden lyser betyr det at vi har elektrisk strøm. Elektrisk strøm betyr at det går elektroner fra minuspolen på batteriet gjennom en motstand og gjennom en lysdiode til plusspolen på batteriet. Ikke tenk at enkeltelektroner beveger seg helt fra minuspolen til plusspolen på batteriet. Tenk heller at mange elektron er involvert og hvert elektron beveger seg da et lite stykke. Figuren viser også koblingskjemaet til strømkretsen. Det er da en enkel krets hvor lysdioden lyser når det går strøm, og hensikten med motstanden på 330Ω er da å beskytte lysdioden mot å få for mye strøm/spenning.

Ledere og isolatorer

Aktivitet 2: Lag en ledningsevnetester
Når det oppstår feil i elektrisk utstyr, skyldes dette ofte strømbrudd. Til høyre vises en nyttig tester som kan brukes for å finne strømbrudd i tillegg til at den også kan teste ledningsevne i ulike stoff.
Problemstilling: Hva leder strøm?
Et viktig kjennetegn på stoffene som omgir oss er om de leder strøm eller ikke. Hvis et stoff leder strøm kaller vi det en leder. Om det ikke leder strøm kaller vi det en isolator. Her vil vi da først bruke testeren til å sjekke hva som leder strøm. Nå er det vanlig å snakke om gode og dårlige ledere, og ved hjelp av testeren som er vist her kan vi skille mellom disse. Om lysdioden lyser mye når vi tester stoffet sier vi da at vi har en god leder. I skjemaet nedenfor kan vi markere det med stor 'L'. Om lysdioden lyser lite, sier vi da at vi har en dårlig ledere og vi skriver da en liten 'l' i skjemaet nedenfor. Om lysdioden ikke lyser sier vi da at vi har en isolator og vi skriver da bokstaven 'i' i skjemaet. Merk at det også finnes gode og dårlige isolatorer og det er da mulig å lage et instrument som kan skille mellom disse. Til venstre vises hvordan man tester blyet i en blyant, en motstand og vann.

Finne ledningsevnen i ulike stoff Ledningsevnetesteren til å sjekke de tingene/stoffene som er nevnt i tabellen nedenfor leder strøm. Føy selv til nye ting/stoff.
Ting/stoff L/l/i Ting/stoff L/l/i
En nøkkel   Luft  
 Trebit    Stein  
Papir   Appelsin  
Blyantbly (grafitt)   Rent vann  
Plast   Saltvann  
Hud/fingrer   Saft  
     Melk  
       
       
       
L = god leder
l = dårlig leder
i = isolator

 

 

 

 

 

 

 Her er ellers vist et par figurer fra en lærebok som demonstrere strømkretser ved hjelp av batteri, pære og enkle ledninger. Merk at det er den delen av ledningene som vi har markert med rødt hvor det i praksis går strøm. O-fag 6B (Gyldendal 1990 s 143, 145)

 

Hvordan måle strøm og spenning i en strømkrets

Bildet til høyre viser et såkalt multimeter som kan måle både elektrisk strøm og elektrisk spenning. (Klikk på bildet for å se mer detaljer). Når man kjenner begge disse finner man effekt utfra følgende formel:

Eksempel: Hva er effekten i strømkretsen hvor en pære er knyttet til et batteri:  

Figuren til høyre viser strømkretsen og målet er å finne effekten til pæra i dette tilfellet. Vi bruker et vanlig analogt multimeter. Slike multimeter kan vanligvis måle mange størrelser. Her vil vi konsentrere oss om å måle elektrisk strøm og spenning. Ved hjelp av en bryter kan vi da stille multimeteret inn slik at det kan måle likespenning (DCV = Direct Current Volt) eller likestrøm (DCA Direct Current Ampere). Her følger noen tips til bruk av multimeteret som skal brukes i forbindelse med øvingene.

Voltmeter: Merk at når multimeteret står innstilt som voltmeter (ACV eller DCV), er det stor indre resistans (motstand) i instrumentet. Sjansen for å ødelegge noe er relativt liten. Påse likevel at + koples til + ved likestrøm, og at vi ikke stiller voltmeteret på en lavere verdi enn den vi skal måle. Om du er usikker, så still voltmeteret på en relativt høy verdi i starten. Vri så heller bryteren til lavere verdier om viseren ikke gir utslag. Merk videre at vi ikke trenger å gjøre noe med strømkretsen vi skal måle spenninger i. Vi berører bare to koblinghspunkter i strømkretsen, og voltmeteret vil da vise spenningen mellom disse punktene.

Amperemeter: For å måle strømmen gjennom en eller annen leder, er det nødvendig å bryte strømkretsen og kople amperemeteret (multimeter innstilt i DCA-området) inn i strømkretsen. En avslått bryter er et fint sted å måle strøm. Når multimeteret er innstilt som amperemeter er det også svært sårbart for feil bruk. Resistansen i et amperemeter er liten. Sender vi for mye strøm gjennom amperemeteret vil vi ødelegge en sikring. Det er derfor viktig at vi vet at amperemeteret tåler den strømmen som vi skal måle. Still derfor alltid amperemeteret inn på høyeste verdi om du er usikker. NB. Om vi kobler et amperemeter til en strømkrets som om det skulle vært et voltmeter, vil vi sannsynligvis kortslutte kretsen og ødeleggelser vil sannsynligvis skje. Når det gjelder strøm fra små batterier, solcelle og dynamoer, er strømstyrkene så små at sjansen for å ødelegge ting er liten.

Fremgangsmåte
1 Still først inn bryteren til det aktuelle området. Når bryteren står i et område som er markert med V (DCV eller ACV) vil mulitimeteret fungere som et voltmeter. Når bryteren står i et område som er marktert med A (ACA), fungerer den som et amperemeter. Still videre bryteren inn på det laveste tallet over den verdien vi regner med å måle. Om vi er usikker, stiller vi bryteren på en høy verdi og så vrir vi heller nedover inntil viseren får et passe utslag.
2 Merk at amperemeter skal koples i serie og voltmeteret parallelt. Forskjellen på seriekopling og parallellkopling er vist på figurene. Rød ledning betyr vanligvis + og svart betyr -. Om det koples feil slik at viseren slår ut i feil retning, må vi bytte om på ledningene.
3 Bruk så den skalaen som helt til venstre har tallet som bryteren peker på. På vårt analoge multimeter finnes tre ulike skalaer for avlesing av spenning og strøm. Det som avgjør hvilke av disse skalaene vi skal bruke, er innstillingen av bryteren. De tre skalaene ender med 250, 50 eller 10 som høyeste tall. Bryteren kan så stilles på et tall som begynner med tilsvarende siffer. Merk at 2,5 og 250 begge begynner med sifrene 25.

Om vi så f.eks. finner at spenningen U= 4,1V og strømmen A=240mA så får vi følgende effekt:


Demonstrasjon av mye strøm. Merk at om metalltråden er for tykk vil den ikke gløde, og svie-transformatoren kan ødelegges/gå varm på grunn av kortslutning.

Eksempler på mye strøm
Benevningen eller enheten for strøm er Ampere (A) og det kan være nyttig å kjenne til noen kvantitative verdier som referanse når man arbeider med dette temaet i skolesammenheng. Elektrisk strøm brukes i svært mange sammenhenger og det er da kjekt å vite litt om hvor mye strøm det er snakk om. I noen sammenhenger er det snakk om lite strøm (µA/mikroamper) og i slike tilfeller kan batterier vare fler år. Eksempler er klokker, måleinstrumenter ol. Selv batterier som ikke er tilkoblet en belastning vil bli utladet over tid og det betyr da at det også vil gå små strømmengder gjennom luft og ulike isolatorer. På den andre siden brukes det svært store strømmengder i forbindelse med sveising og annen oppvarming til høye temperaturer. Her er det da snakk om noen flere titalls A. I skolen kan vi demonstrere hva som skjer ved store strømmengder hvis man har en større transformator som transformerer spenning fra 220V til f.eks. 3V. Hvis vi da "kortslutter" utgangen på en slik transformator med f.eks. en ståltråd vil vi kunne oppleve at ståltråd smelter fordi det går så mye strøm gjennom den. De fleste skoler har svietransformatorer for å brenne inn tekst og bilder i tre og en slik transformator kan da brukes til å brenne av en tynn metalltråd.

 

Nå vet alle at strøm kan være farlig for oss mennesker. En strømmengde på 80mA vil f.eks. være dødlig om vi får den gjennom kroppen. Grensen for at vi får muskelkrampe (ikke kan styre musklene selv) er ca. 15mA og grensen for at vi kjenner/føler strømmen er ca. 0,5mA. Om vi med fingrene tar på et lommelyktsbatteri på 4,5V vil det kanskje gå 0,1-0,2mA gjennom fingrene våre. I ei vanlig lommelykt vil det til sammenlikning gå en strøm på 200-300mA mens en elektromotor i en kassettspiller vil bruke endel mindre. Ei solcelle gir fra seg 100-700mA. En lysdiode lyser med mindre enn 1mA, men den trenger da 10-40mA for å lyser normalt. Ellers vil strømstyrken i mikrofoner, antenner og andre følere/sensorer som skal fange opp signaler utenfra være godt under 1mA. Som en tommelfinger-regel kan vi si at det trenges over 100mA for at vi skal ha noen særlig nytte utad i form av lys eller bevegelser. Internt i elektriske kretser vil vi av energimessige hensyn søke å holde strømstyrkene godt under 100mA. Derfor passer lysdioder godt til å indikere hva som skjer i disse kretsene. Mye elektronisk utstyr er ellers beregnet på å fange opp svake signal som har strømstyrker langt under 1mA. Signaler fra mikrofoner og antenner må da forsterkes for at vi skal ha nytte av disse.

Eksempler på lite strøm
Det er mye strøm er farlig! (ikke primært høy spenning) Eksempel på ufarlige høye spenning er det vi kan få fra en coil. Bildet til høyre viser en enkel kobling som gjør at man kan kjenne høye spenninger uten at det er farlig. Her har man et batteri på 1,5V og strømmen fra dette kjøres da innpå primærspolen (har få vindinger) i en coil via en bryter. Når man så trykker på bryteren og samtidig holder på en kontakt knyttet til sekundærspolen (har mange vindinger) vil man kjenne et ufarlig strømstøt. Det er da snakk om noen hundre volt, men det er da samtidig snakk om svært lite strøm. Merk at man kan lave en strømkrets hvor alle i en klasse/gruppe holder hverandre i hendene, og alle vil da kunne kjenne det aktuelle strømstøtet fra denne høyspenningskilden.

Det er da høy spenning kombinert med mye strøm som er farlig for mennesker. Strømnettet på 220V er f.eks. konstruert for å levere noen titalls amper og det kan da være farlig å få strøm fra lysnettet gjennom kroppen. Et regneeksempel: Fuktige fingrer gir en motstand i huda på ca 30kΩ Hvis vi så berører noe som har en spenning på 220V kan strømmen gjennom kroppen bli:

Dette betyr ifølge tabellen ovenfor at vi vil kjenne det ubehagelig, men vi vil vanligvis ha kontroll over musklene våre og trekke hånden tilbake før det oppstår varige skader.  


Indre resistans i batteriet gjør at polspenningen avtar når strømmen øker

Elektromotorisk spenning (EMS)
Det som skaper spenning mellom polene i et batteri eller andre strømkilder kalles ofte elektromotorisk spenning (ε). Her vil vi kort nevne at denne spenningen som regel er litt større enn den polspenningen vi måler når batteriet leverer strøm. Årsaken til denne forskjellen er da at det i batteriet vil være en slags indre resistans (Ri) som gjør at det er grenser for hvor store strømmengder ulike batterier kan levere. I praktiske forsøk er det enklere å snakke om polspenning i stedet for elektromotorisk spenning (EMS), og det er da viktig at vi er klar over at polspenningen avtar når belastningen øker. Sammenhengen mellom EMS(ε) og polspenning(Vp) er:

 Kvantitative strømberegninger


Vi kan bruke Ohms lov over større eller mindre deler av en strømkrets 

Bruk av Ohms lov
Ohms lov forteller at resistans er forholdet mellom spenning(U) og strøm(I):

Vi har her tre størrelser hvorav en av disse kan bestemmes når de to andre er kjent. Denne sammenhengen kan settes opp på 3 ulike måter. De fleste velger å huske den første og så utledes de andre fra denne:

Ohms lov er grunnleggende i all elektronikk og elektrisitetslære. I tillegg til at formelen kan brukes til å finne en verdi når to andre er kjent, sier også formelen noe om hva som skjer hvis vi endrer på noen av verdiene. Om vi f.eks. over en motstand (med fast resistans) øker spenningen vil også strømmen øke. Om vi et annet sted minker resistansen mens spenningen holdes konstant, vil strømmen øke.

Hvordan bruke ohms lov?
Slik som Ohms lov er presentert ovenfor, virker den enkel. Erfaringer har imidlertid vist at den ikke er så enkel som den ser ut. Det er derfor ikke bare å pugge formelen ovenfor, og så tro at det er nok. Her følger noen eksempler på bruk av ohms lov. Generelt vil vi her si at det er viktig å gjøre ulike oppgaver for å få øving i å anvende ohms lov.

Anta en strømkrets med pære og et 4,5V batteri. Målinger med mulitmeter viser da kanskje en strømstyrken på 250 mA og en polspenning på 4,0V. Ved hjelp av Ohms lov kan vi da beregne resistansen i pæra:

Om vi f.eks. kopler en motstand på 33Ω i serie med pæra vil vi se at den nesten ikke lyser. Hvis vi vil finne ut hvor mye strøm som går gjennom pæra etter omkoblingen, kan vi også bruke Ohms lov. Om vi antar at resistansen i pæra fortsatt er 18Ω  vil kan vi summere de to resistandene:

Ifølge Ohm's lov vil da strømmen i den nye strømkretsen bli:

Merk at både spenning og resistans kan summeres om vi måler dem over flere komponenter som er koplet i serie. Strømmen er da den samme i alle seriekoblede komponenter (Kirchoffs 1 lov).Om vi så ønsker å vite spenningen over pæra kan vi også bruke ohms lov, men da kun over pæra. Vi vet at strømmen gjennom pæra er like stor som gjennom de andre komponentene når de er koplet i serie. Vi får derfor følgende:

Merk at resistansen i pæra endrer seg med temperaturen i glødetråden. Videre vil spenningen over batteriet (polspenningen) endre seg når vi belaster batteriet med ulike komponenter. Derfor er tallene ovenfor unøyaktige men de viser da prinsippet for hvordan man bruker ohm's lov.

Beregning av strøm i seriekoblinger og parallellkoblinger
I oppgaver om elektrisk strøm er det vanlig med oppgaver hvor vi må beregne totalresistansen eller erstatningsresistansen (Rt) over flere resistanser (R1, R2). I disse tilfellene er sammenhengen som følger.

Oppgaveeksempel: Finn totalresistans og strøm og effekt i eksempelet som er vist til høyre.