Släktingarna som påverkade fysikens utveckling

En presentation över ämnet: "Släktingarna som påverkade fysikens utveckling"— Presentationens avskrift:

1 Släktingarna som påverkade fysikens utveckling
Ellära och magnetism Släktingarna som påverkade fysikens utveckling Anne-Lie Hellström 

2 Hans Christian Ørsted Elektromagnetismens fader Död: 1851 Född: 1777
Ända till 1820-talet ansågs elektricitet och magnetism vara helt skilda naturfenomen. Men Hans Christian Ørsted råkade upptäcka att elektricitet och magnetism i allra högsta grad hänger ihop. Upptäckten innebar bland annat att det blev möjligt att skapa magnetism med hjälp av elektricitet. Ørsted var professor i fysik vid Köpenhamns universitet. Under en föreläsning använde han en metalltråd där det gick elektrisk ström. Han hade också en magnetnål på bordet. När HC slog på strömmen vred sig magnetnålen. När han slog av strömmen gick nålen tillbaka till sitt normala läge. Han gjorde om samma sak flera gånger och det visade sig vara en mycket viktig upptäckt. Elektricitet och magnetism är alltså släkt med varandra. Anne-Lie Hellström 

3 Laddning – ett gammalt mysterium
Blixtar och dunder – naturfenomen Positiva och negativa laddningar dras mot varandra Med åska avses en eller flera elektriska urladdningar i jordens atmosfär som yttrar sig i ett uppflammande av ljus (blixt) och ett skarpt eller mullrande ljud (åskknallar, åskdunder, åskmuller).[1] Dessa elektriska urladdningar alstrar mycket stor värme under bråkdelar av en sekund, vilket gör att luftens molekyler sätts i rörelse. Detta upplevs som åskmullret. Anne-Lie Hellström 

4 Laddningar Ämnen med överskott av elektroner – negativa
Ämnen med underskott av elektroner – positiva Laddningar som dras mot varandra – attraheras Laddningar som stöter ifrån varandra – repellerar Ledare kallas ett ämne där elektroner kan röra sig lätt (t.ex. järn och koppar) Isolator kallas ett ämne där elektroner inte rör sig (t.ex. porslin och gummi) Vissa ämnen består av atomer som gärna tar till sig fler elektroner. Andra ämnen ger lätt ifrån sig. Om två ämnen gnids mot varandra kan alltså elektroner överföras. Det ena ämnen får överskott av elektroner och det andra får underskott. Ämnet som har för många elektroner blir negativt laddat och det som har för få, blir positivt laddat. Anne-Lie Hellström 

5 Magneter En magnet har alltid en nord- och en sydände.
Magneter används till exempelvis kompasser, magnetlås, fästmagneter. Om man lägger en magnetnål på en rörlig hållare ställer nålen in sig i nordsydlig riktning = kompass Redan före Jesu födelse bröts malm i Grekland, med magnetiska egenskaper. I Sverige, Kiruna finns magnetisk malm – svartmalm, en av våra vanligaste järnmalmer. Sjöfarare upptäckte för länge sen att en avlång magnetisk sten ställer in sig i nord-sydlig riktning. Nord och sydänden har fått sitt namn eftersom den alltid ställer in sig med ena änden mot norr och den andra mot syd. En kompass störs och visar fel om det finns föremål av järn i närheten. En båt kan komma rejält ur kurs om en stor skiftnyckel råkar hamna nära kompassen. Anne-Lie Hellström 

6 Jorden – en gigantisk magnet
Hur kommer det sig att kompassnålen ställer in sig i nordsydlig riktning? - Jordklotet = en gigantisk magnet - Olika magnetiska ändar dras mot varandra - Jordens magnetiska sydände ligger vid nordpolen och nordänden ligger vid sydpolen. Hur kommer det sig att kompassnålen ställer in sig i nordsydlig riktning? Eftersom olika magnetiska ändar dras till varandra måste jordens magnetiska sydände ligga vid nordpolen och nordände vid sydpolen. Men jordens nordände ligger inte exakt vid Nordpolen, utan en bit därifrån. Därför pekar kompassnålen inte exakt mot norr. I stället pekar den mot jordens magnetiska sydände som ligger i nordligaste delen av Kanada. Vinkeln mellan nordriktningen och den riktning som kompassnålen visar kallas missvisning. Anne-Lie Hellström 

7 Magnetfält Magneter är omgivna av magnetfält Anne-Lie Hellström 
Två stavmagneter påverkar varandra med viss kraft, till och med på ganska stort avstånd. Det beror på att en magnet är omgiven av ett så kallat magnetfält. Ett magnetiskt fält går inte att se eller ta på. Men med fantasins hjälp kan vi tänka oss ett magnetfält som en osynlig dimma runt magneten. Från ena änden av magneten till den andra bildas linjer som kallas fältlinjer. De magnetiska fältlinjerna sägs gå från nordände till sydände. Om en kompassnål placeras på en fältlinje kommer nålen att ställa in sig längs linjen. Anne-Lie Hellström 

8 Norrsken Partiklar kastas ut från solen och träffar jordens magnetfält. Då bildas norrsken. ? Varför är norrsken vanligast vid Nord- och sydpolen? Norrsken förklaras av att jorden är en magnet. Färgerna skapas när partiklar som kastats ut från solen träffar jordens magnetfält. Att norrsken främst uppträder i närheten av Nord- och Sydpolen beror på att magnetfältet är starkast där. Svar: magnetfältet är starkast vid Nord- och Sydpolen Anne-Lie Hellström 

9

10

11

12 Spolar När det går ström genom en spole
uppstår ett magnetfält både inne i och omkring spolen Tumregeln: för att ta reda på vilken ände som är nordänden, håller du höger hand över spolen så att fingrarna pekar i strömmens riktning. Tummen pekar då mot spolens nordände När det går ström genom en spole blir den en magnet med en nord- och en sydände. Det ser vi om vi placerar en magnetnål intill spolen. Det finns en enkel regel som du kan använda dig av för att ta reda på var en spole har sin nord och sydände. Regeln kallas tumregeln. Lägg din högra hand över spolen med fingrarna i strömmens riktning, så har du nordänden åt tummens håll. Anne-Lie Hellström 

13 Elektromagneter Spolens magnetfält blir starkare med hjälp av en järnkärna. Ju fler varv spolen har eller ju starkare ström man skickar genom ledaren, desto starkare magnet. Tänk dig en sytråd som är lindad många varv runt en trådrulle. Om vi lindar en lång elektrisk ledare på samma sätt, får vi en spole. När det går ström genom spolen bildas ett magnetfält inuti och omkring spolen. Med hjälp av järnkärnan får vi ett starkare magnetfält när vi leder ström genom spolen. Magnetfältet kring en spole påminner om magnetfältet kring en stavmagnet. Magnetiska fältlinjer har lättare att ta sig fram i järn än i luft. Spolens magnetfält blir därför starkare om man placerar en järnstav, en s.k. järnkärna, inne i spolen. Om vi ökar strömmen eller lindar fler varv runt spiken blir elektromagneten starkare. Strömmen går genom den elektriska ledaren och inte järnkärnan. Inom industrin används elektromagneter t.ex. på lyftkranar för att lyfta järnskrot. När strömmen slås på fastnar järnskrotet på magnetkärnan och när man slår av strömmen så lossnar skrotet. Anne-Lie Hellström 

14

15 Ledare i magnetfält Hästskomagnet är starkare än en stavmagnet
Vad händer om man har en elektrisk ledare i gapet på en hästskomagnet?

16 Elektriska motorer 1821 Michael Faraday Anne-Lie Hellström 
Varje dag använder vi elektriska apparater utan att tänka på hur de fungerar. När du stoppar kontakten i väggen och trycker på knappen så fungerar apparaten. Ta en elvisp; inuti elvispen finns en spole. När det går ström genom spolen blir den en magnet med en nordände och en sydände. Genom att sluta eller bryta strömmen kan elektromagneten stängas av och på. En spole placeras mellan nord- och sydänden på en hästskomagnet. När det går ström genom spolen, vrider den sig så att spolens nordände vänder sig mot hästskomagnetens sydände. Ändrar vi sen riktning på strömmen så vänder också spolen håll. Ändarna stöter bort varandra och spolen vrider sig ett halvt varv. Om vi fortsätter att ändra strömmens riktning i spolen kommer den att snurra ett halvt varv i taget. Magnetism har skapat en rörelse som är grunden för elmotorn. För att få elmotorn att snurra snabbare måste man få strömmens växlingar att gå mycket snabbt. När motorn (rotorn) monteras till en axel, kan den driva visparna. Elektrisk energi har omvandlats till rörelseenergi. 1821 Michael Faraday Anne-Lie Hellström 

17

18

19 Induktion Magnetfält kan skapa ström
Förändrade magnetfält förklarar induktion Induktion innebär att en elektrisk spänning alstras (induceras) i en elektrisk ledare, om ett magnetfält i dess närhet varierar. Detta fenomen nyttjas i exempelvis induktionshällar, mikrofoner och i elektriska generatorer. Magnetfältet förändras genom att t ex en stavmagnet rör sig i spolen, men inte när magneten är stilla. En magnet omges av ett magnetfält. När magneten förs in i spolen kommer en del av magnetfältet i spolen. Ju mer magneten förs in desto mer av magnetfältet finns inne i spolen. När magneten dras ut ur spolen minskar magnetfältet i spolen. Det är själva förändringen av magnetfältet inne i spolen som ger upphov till elektrisk ström i kretsen. Ju snabbare magnetfältet förändras desto starkare blir strömmen som skapas. För att åstadkomma stark ström gäller det att snabbt föra magneten ut och in. Antalet varv påverkar strömmens styrka. Ju fler varv, desto starkare blir strömmen. Anne-Lie Hellström 

20

21 Generatorn Ström framställs genom induktion i generatorer vid våra kraftverk Praktiskt taget all ström vi använder framställs genom induktion i generatorer vid våra kraftverk. Det är dock jobbigt att snabbt föra magneten ut och in ur spolen. Om man lägger en järnkärna i spolen och placerar stavmagneten på en hållare så att den kan rotera framför spolen. Sen snurrar vi på magneten. Då förändras hela tiden magnetfältet inne i spolen och den uppkommer en ström. Den här anordningen kallas generator. En generator omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi. Generatorer som finns i olika kraftverk består alla av en roterande magnet i en spole. Generatorerna levererar växelström till våra eluttag, där spänningen är 230 volt och frekvensen är 50Hz. Det betyder att strömmen byter riktning 100 ggr per sek. Anne-Lie Hellström 

22 Växelströmsgenerator

23 Växelström Det finns en skillnad på den ström som skapas när en magnet snurrar framför en spole och på strömmen från ett vanligt batteri. Den snurrande magneten skapar en ström som byter riktning hela tiden. Det kan vi se eftersom amperemeterns visare slår fram och tillbaka. Strömmen kallas växelström. Strömmen från ett batteri går hela tiden åt samma håll. Strömmen kallas likström.

24 Transformatorn Anne-Lie Hellström 
När du laddar din mobiltelefon kan du inte koppla en vanlig elkabel från telefonen till vägguttaget. Man måste använda en speciell mobilladdare. På laddarens stickkontakt sitter en liten plastdosa. I den finns en transformator. Den omvandlar den höga spänningen i vägguttaget till en lägre spänning. Det kallas att transformera ner spänningen. Dessutom finns det några kretsar i dosan som omvandlar vägguttagets växelström till likström. Det finns även transformatorer som höjer spänningen. Man transformerar upp spänningen. En transformator används alltså när en apparat kräver högre eller lägre spänning än spänningskällan ger och fungerar endast med växelström. I sin enklaste form består en transformator av två spolar och en sluten järnkärna. Båda spolarna är uppträdda på kärnan, men de ingår i varsin krets. Det går alltså ingen ström i järnkärnan. I den ena kretsen ingår spänningskällan och den ena spolen – primärspole. I den andra kretsen ingår den elektriska apparat som ska användas och den andra spolen – sekundärspole. När spänningen ska sänkas med en transformator ska primärspolen vara lindad med fler varv än sekundärspolen. För att höja spänningen måste sekundärspolen ha fler varv än primärspolen. Förklaringen är att det skapas en högre spänning i en spole med många varv än i en spole med få varv. Anne-Lie Hellström 

25 Räkneexempel Du vill ladda din telefon som är anpassad för 10 V, hur ska primärspolen respektive sekundärspolen vara utformad för att min telefon ska laddas med ström från vägguttaget?

26 Laborationsuppgift Vilka spolar ska Roger använda när spänningskuben sätts på 6 V och voltmetern ska visa 12V

27 Energi och effekt Effekt(W) = spänning(V) ∙ ström (A) P = U ∙ I
Ibland behöver man mäta hur stora energimängder som överförs med elektricitet. För att kunna göra det måste man veta hur mycket energi som överförs per sekund. Det kallas effekt och mäts i enheten watt (1 W).

28 Formel som ekvation

29 Räkneexempel Strömmen i en glödlampa är 0,45 A när den är kopplad till ett 9V batteri. Hur stor är lampans effekt? I mitt hus finns det proppskåp, hos mig finns det en säkring som är på 6 A, hur stor effekt får mina maskiner ha för att säkringen inte ska lösa ut? Om jag vill koppla in ett värmeelement på denna säkring som är på 2300 watt vilken styrka på säkringen måste jag då minst ha?

30 Energi Energiförbrukningen får man genom att multiplicera effekten med den tid som en apparat är inkopplad. ENERGI= effekt(w) x tid(s) Enheten man får är Wattsekunder(Ws) men ofta anger man effekten i kilowatt och tiden i timmar. 1kW= 1000 W 1h= 3600 s 0.46 W= 460 kW Alltså energin anges ofta i enheten kWh

31 Räkneexempel Om vi ansluter en dator till spänningen 230V blir strömmen 10A, hur mycket energi förbrukas om vi har på dator 100 timmar? Vad kostar det att ha igång datorn 10 timmar Priset för energi är cirka 30 öre per kWh.

32 Energi och effekt P= U∙I
Låt oss jämföra två lampor: Båda är märkta med 2,4 W, men den ena är byggd för 12 V och den andra för 6V. Watt-talet talar om hur starkt en lampa lyser. Lamporna lyser alltså lika starkt. När vi mäter strömmarna visar det sig att lampan för 12 V släpper igenom och den för 6V släpper igenom 0,2 A 0,4 A Anne-Lie Hellström 

33 Vår förbrukning av elenergi
Typ av apparat Effekt i W Förbrukning ca Bastu W 3kWh/bastubad Brödrost W 0,12kWh/10 st Elvisp W 0,01kWh/5 min Tvättmaskin 3000 W 3kWh/tvätt Energi = effekt ∙ tid Anne-Lie Hellström 

34 Från kraftverk till elapparat
Den elektriska energin får vi från vattenkraftstationer, vindkraftverk, värmekraftverk och kärnkraftverk. Eftersom de stora vattenkraftverken finns i landets norra delar och de flesta industrier ligger i landets mellersta och södra delar, måste elkraften transporteras lång väg. På världsutställningen i Paris 1905 visades elektricitet för allmänheten för första gången. Man hade satt glödlampor runt ett hus och när man tände alla lampor, slogs alla av häpnad. Anne-Lie Hellström 

35 Elbesparingsuppgift(använd faktablad)
Vad är hushållsel? Hur många kronor kostar kyl och frys per år att hålla kalla? Ge två förslag på hur man kan minska förbrukningen av energi för kyl och frys. Ge två energispartips vid matlagning. Ge tips på hur man ska spara energi gällande belysningen hemma hos er. Vad kostar det per år? Mikrovågsugn Ugn Dammsugare Spisplatta Dator i standbyläge.

36 Kom ihåg! Det är coolt att vara smart Anne-Lie Hellström 