Ellära och Magnetism

Report
Syfte
Utveckla förmåga att
• Använda kunskaper i fysik för att granska
information, kommunicera och ta ställning i frågor
som rör energi, miljö, hälsa och samhälle,
• Genomföra systematiska undersökningar i fysik, och
• Använda fysikens begrepp, modeller och teorier för
att beskriva och förklara kemiska samband i
samhället, naturen och inuti människan.
Ellära och Magnetism
Ellära
Statisk elektricitet
Kammar du ett torrt hår med en plastkam kommer kammen att dra till sig hårstråna.
Det uppstår en kraft som drar till sig hårstråna.
Kraften märks också om man för kammen i närheten av en tunn vattenstråle från en
kran.
Hur ska man förklara denna kraft?
Förklaringen till kraftverkan hittar vi i atomernas värld.
Allting är uppbyggt av atomer.
Alla atomer består av en kärna omkring vilken det snurrar ett
antal elektroner. Kärnan består av protoner och neutroner.
Kärna
Proton
Neutron
Antalet protoner bestämmer vilken slags atom det är fråga om.
T.ex. syre har 16 protoner, kol 6 och järn 52.
Antalet elektroner är lika stort som antalet protoner.
Elektron
Det är atomens partiklar som skapar den elektriska kraften.
Elektronerna och protonerna har olika slags laddning:
elektronerna har negativ laddning (minusladdning) och kärnan som
innehåller protoner har positiv laddning (plusladdning).
Elektron – negativ laddning
Proton – positiv laddning
Mellan elektriska laddningar finns en kraft.
Denna kraft är attraherande mellan plus- och minusladdningar.
Attrahera = dra till sig
Plus- och minusladdningar attraherar varandra.
Kraften är repellerande om laddningarna är
slag.
av samma
slag
Repellera = stöta från
Samma slags laddningar repellerar varandra
.
En plastkam ”sliter” bort
elektroner från håret.
Elektronerna fastnar på
kammen och den blir
därför negativt laddad.
Atomerna som finns i håret har blivit
av med elektroner. De får då fler positiva
än negativa laddningar. Håret blir därför
positivt laddat. Kraften mellan det positivt
laddade håret och den negativt laddade kammen
blir en attraherande elektrisk kraft.
Det gör att kammen drar till sig håret.
Åska
Vid åska kan spänningen mellan
mark och åskmoln uppgå till
miljontals volt och strömmen vid
en urladdning kan bli tusentals
ampere. Denna ström är så kraftig
att den kan sätta eld på träd och
spränga byggnader.
Åskskydd
De flesta blixturladdningar sker
mellan molnen, men även mellan
moln och mark. Vi säger att blixten
slår ner.
Åskledare
Störst risk för nedslag är i höga
byggnader, enstaka träd på öppen
mark, i båtar på havet och annat
som sticker upp. Höga byggnader
förses därför med åskledare.
Åskledaren på ett hus är kopplad
samman med en stålvire som följer
husets konturer ner till en platta i
marken. Blixten leds därför ner i
marken.
Elektrisk ström
Få lampan att lysa på så många sätt
som möjligt
Hjälpmedel: Ett batteri, en sladd, och en lampa.
Elektrisk ström
Pluspol
Ett batteri har två poler,
minuspolen har överskott av
elektroner och pluspolen har
underskott på elektroner.
Minuspol
Genom att koppla en koppartråd mellan
polerna kan man få elektronerna att
vandra genom tråden mot pluspolen.
Det är vandringen av elektroner som ger
den elektriska strömmen.
Strömmen fortsätter ända tills
laddningarna har utjämnats
mellan batteripolerna –
batteriet har ”tagit slut”.
Vad är elektrisk ström?
Elektroner som rör sig
Elektrisk ström
• Elektrisk ström kan liknas vid vatten som strömmar i en
ledning.
• Strömmens riktning: strömmen går från – till +. Fast man ritar
och säger att den går från + till - .
Likström (DC) - Ström som rör sig i samma riktning hela tiden.
T.ex. Ström som drivs av batterier. Strömmen rör sig från
batteriets pluspol till dess minuspol (elektronerna rör sig i
motsatt riktning).
• Växelström (AC) - Ström som växlar riktning i snabb takt. T.ex. I
elnät.
Elektrisk ström
Strömmen från batterier har alltid samma riktning.
Den kallas därför för likström och batterispänningen
kallas
Från våra
vägguttag får vi en ström som ständigt
Från vägguttaget får vi växelspänning.
växlar riktning. Den kallas för växelström och
spänningen är en växelspänning.
Strömstyrka/elektrisk ström
Mäts i enheten Ampere(A). Hur mycket
elektroner man har.
En fransman har fått ge namn åt enheten för
elektrisk ström.
Enheten är 1 ampere, förkortas 1 A, och den har
fått namn efter André Ampère (1775–1836).
Elektrisk spänning
En högre spänning gör den elektriska
kraften större. Knuffarna på
koppartrådens elektroner blir då
häftigare. Det ger en större ström.
Elektrisk spänning mäts i enheten
1 volt (förkortas 1 V). Ficklampsbatterier
ger en spänning på 1,5 volt eller 4,5 V.
Det finns en mängd andra varianter.
Elektrisk spänning
Mäts i Volt(V). Laddningsskillnad mellan
plus- och minuspolen.
Enheter är uppkallad efter italienaren
Alessandro Volta (1745–1827).
12 V
4,5 V
1,5 V
OBS
Att koppla en koppartråd direkt mellan polerna på
ett batteri är inte bra. Batteriet kortsluts!
Så här ska du
INTE koppla.
Batteriet
kortsluts och tar
slut fort!
Analog multimeter
Spänning mäts med en voltmeter och ström med
en amperemeter. Ofta kan de mäta både spänning
och ström och kallas då multimetrar.
Digital multimeter
Digital multimeter
Amperemetern mäter strömmen GENOM lampan, den kopplas därför
mellan lampan och strömkällan.
+
–
Inkoppling av voltmeter
Så här kopplar man in en voltmeter för att mäta spänningen över en lampa.
Plus på batteriet kopplas till plus på voltmetern.
Voltmetern mäter spänningen ÖVER lampan, den kopplas därför mellan
lampans båda kontakter.
+ –
Kopplas batteriet till en lampa kan vi få
ljus. I lampan finns en glödtråd som är
gjord av ett ämne som gör mer
motstånd mot elektronförflyttningen än
vad koppar gör. Elektronknuffarna blir
så kraftiga att tråden börjar glöda och
sända ut ljus.
Resistans
Resistans betyder motstånd. Det är något som gör det svårare för strömmen
att passera.
Glödtråden i en lampa bromsar upp den elektriska strömmen.
Man brukar säga att den gör motstånd mot strömmen.
Detta motstånd kallas för resistans.
Resistans mäts i en enhet som heter 1 ohm, (1 Ω).
Namnet kommer från tyske fysikern Georg Ohm (1789–1854).
Resistans
Strömmen tar alltid den väg med minst motstånd.
Fyra saker bestämmer resistansen.
• Längd (Ju längre ledning desto större resistans)
• Tjocklek (Ju tjockare ledning desto mindre
resistans)
• Materialet
• Temperatur. (Ju högre temperatur desto större
resistans)
Resistans
Resistans kan liknas vid ett motstånd
som finns i de olika komponenterna i
den elektriska kretsen.
Glödtråden i en glödlampa har
resistans
Elektrisk ledning har resistans
Längre ledning  mer resistans
Tunnare ledning  mer
resistans
Olika material i ledningarna har
olika resistans
Det är resistansen som gör att
lampan lyser. Glödtråden i en lampa
är smal och därmed ett stort hinder
för strömmen. Glödtråden blir varm
och därför lyser den.
Resistans=
Spänning
Strömstyrk an
Vi ställer in tre olika värden på spänningen och mäter samtidigt
spänningen över lampan och strömmen genom den. Därefter räknar
vi ut kvoten mellan spänning och ström. Värdena för vi in i en tabell:
Spänning (V)
Ström (A)
Spänning/ström(Ω)
5,0
0,1
50
10,0
0,2
50
15,0
0,3
50
Resistansen =
Spänningen
Strömmen
Ju större resistans
desto mindre ström
vid samma
spänning.
Det finns instrument som direkt mäter resistansen i Ω, men ibland måste
den räknas ut. Vi ska se hur det går till genom att koppla en lampa till ett
likspänningsaggregat. Med detta kan vi få olika värden på spänningen.
Likspänningsaggregat
Amperemeter
Voltmeter
Med en ratt på
likspänningsaggregatet
kan man ställa in så att det
ger olika stor spänning.
Ledare och isolator
Ledare
Är ämnen/material som leder ström. Ex alla metaller.
Koppar är en god ledare för elektrisk ström genom att det lätt blir en
elektronförflyttning i metallen. Samma sak gäller för de flesta andra
metaller.
Av vanliga metaller leder silver bäst, därefter kommer koppar, guld och
aluminium.
Silver
Koppar
Ledningsförmåga
Guld
Aluminium
Ledningsförmågan beror inte bara på vilken metall man använder.
Ledarens tjocklek och längd har också betydelse:
en kort och tjock leder bättre än en lång och smal.
Ledningsförmåga
Isolator
Ämnen som inte kan leda ström. Ex Glas, Plast och
Gummi heter isolatorer.
Symboler
Kopplingsschema
Kopplingsschema med symboler används för att rita elektriska kopplingar.
Serie- och parallellkoppling
Ska du koppla två lampor kan
det ske på olika sätt. Du kan göra en
seriekoppling eller en parallellkoppling.
Seriekoppling
–
+
Parallellkoppling
–
+
Ex. Julgransbelysning &
Julstake
Nackdel: Går en lampa
eller ett batteri sönder
slocknar allt.
Seriekopplade lampor
• Lamporna kopplas efter
varandra. Samma ström
passerar då genom alla
lamporna. Om en lampa
slocknar så slocknar alla.
T.ex. lamporna i en
elektrisk ljusstake.
Ex. Alla lampor hemma.
Fördel: Om en lampa eller ett
batteri går sönder fortsätter
resten att fungera.
Parallellkopplade lampor
• Lamporna kopplas så att
strömmen delas upp i flera
grenar.
T.ex. Lamporna i ett
hushåll. Lamporna tänds
och släcks med en
strömbrytare.
• Strömstyrka anges i enheten ampere (A) med
hjälp av en amperemeter.
• Spänning anges i enheten volt (V) med hjälp av en
voltmeter.
• Resistans anges i enheten ohm (Ω).
Batterier
Ett batteri kan du göra själv av en citron och
några spikar.
I citronen finns en syra (citronsyra) och syror
ingår lätt kemiska föreningar med metaller. Det
bildar då joner.
En jon är en atom som antingen har för få eller
för många elektroner. Har den för få elektroner
är jonen positiv och har den för många är den
en negativ jon.
Blybatterier
Ett 12 volt blybatteri har sex
Pluspol
seriekopplade battericeller.
Pluspolen är kopplad till plattor
av blyoxid och minuspolen till
plattor av bly.
Minuspol
Pluspol
Positivt
laddad
Minuspol
Negativt laddad
Seriekopplade batterier:
• Spänningarna adderas. Tre seriekopplade
batterier (1,5V) ger en total spänning på 4,5 V.
T.ex. i ficklampor.
• (Strömmen är lika stor överallt i kretsen)
Parallellkopplade batterier:
• Spänningen är oförändrad. Spänningen är 1,5V.
Batterierna håller dock längre tid.
• (Strömmen genom lampan är summan av
strömmarna genom batterierna)
Batterier och miljö
Många batterityper innehåller metaller som är farliga för miljön.
Dessa ska vara märkta på ett
speciellt sätt.
Faror med
elström
Spänningen från ett vägguttag är
230 volt. Det är mer än tillräcklig
för att skapa kraftiga strömmar
genom kroppen.
Strömmens styrka beror på hur
stor kroppens resistans är.
Den varierar bland annat med hur
grov hud man har. En torr och
skrovlig hand har större resistans
än en mjuk barnhand. Strömmen
genom en barnhand blir därför
större än genom en grov hand.
Men det behövs inte särskilt stor ström för att den ska vara farlig:
Ström
0,5 mA
10 mA
15 mA
Effekt på kroppen
Känns i fingrarna
Ger kramp i musklerna
Kramp så kraftig att man inte kan
släppa ett grepp
30 mA Andningen förlamas
80 mA Dödande om strömmen får pågå mer
än 1 sekund
Det är både strömstyrkan, tiden och strömmens väg genom kroppen
som avgör hur pass farlig strömmen är. En ström på några mA som
passerar hjärtat under några sekunder kan få det att stanna.
Elström är också farlig genom att den kan ställa till bränder om man är
oförsiktig.
Jordning
I sladden till en brödrost finns
tre stycken ledare.
I den svarta och blå går
strömmen till och från
brödrosten. Den tredje,
gulgröna ledaren är en
skyddsledare. Skyddsledaren
står i förbindelse med jord
och med maskinens
ytterhölje.
Jordfelsbrytare
Skyddsjordningen hjälper inte om du
tar tag i en trasig förlängningskabel.
Då behövs en jordfelsbrytare.
Den bryter strömmen om någon
kommer i kontakt med en ledare
som det går ström genom.
Redan en strömskillnad på 30 mA räcker för att
jordfelsbrytaren ska lösa ut och stänga av strömmen.
Och det går snabbt, högst 30 ms får det ta.
På så kort tid gör strömmen ingen skada.
Här finns inget elfel. Då går lika stor ström till och från fläkten.
Magnetism
En kompassnåls ena ände – den som
ofta är rödmålad – pekar alltid mot norr.
Det beror på att kompassnålen är en
liten magnet.
Magnetism
Magneten har två ändar
En magnet har en nordände och en sydände.
Ofta är nordänden rödmålad och sydänden vit.
Nordände
Sydände
Magneter påverkar varandra
Nordänden på en stavmagnet repellerar kompassnålens nordände
och attraherar dess sydände
Lika magnetändar repellerar varandra.
Olika magnetändar attraherar varandra.
Magneten i bilden drar till sig en järnskruv.
Men skruven blir tydligen en ny magnet
eftersom den drar till sig järnspiken.
Skruvens magnetverkan kallas influens.
Järnskruv
Järnspik
Små kompassnålar ställer in sig så att de följer mönstret.
Magnetfältets riktning är den riktning som en kompassnåls
nordände pekar, alltså från stavmagnetens nordände till
dess sydände.
Vi kan ge en bild av kraftfältet genom att rita fältlinjer som
följer mönstret av järnfilsspån.
I gapet på en hästskomagnet går fältet nästan rakt mellan
magnetändarna.
Jorden är en jättelik magnet. Fältlinjerna går mellan magnetiska nordänden
och sydänden i böjda banor. En kompassnål ställer därför in sig i fältlinjernas riktning.
Lägg märke till att vår geografiska nordpol ligger vid den magnetiska
sydänden och tvärtom.
Alla magneter har en nord och syd ände.
Lika ändar stöter ifrån varandra (repellerar)
Olika ändar dras till varandra (attraherar)
Geografiska Nordpolen = Magnetiska sydpolen
Geografiska Sydpolen = Magnetisk nordpolen
En magnet utvecklar en kraft som är starkast vid magnetändarna.
Man kan få en bild av hur kraften verkar om man strör små spån av järn på
en plastfilm och lägger magneten under. Spånen lägger sig i ett mönster.
Mönstret ger en bild av hur det magnetiska kraftfältet ser ut. Det är tätast där
den magnetiska kraften är störst, det vill säga vid magnetändarna.
Elektrisk ström och magnetism
Den danske vetenskapsmannen Hans Christian Ørsted gjorde år 1820 ett
viktigt experiment:
Kompassnålen påverkas av strömmen. Det måste betyda att strömmen ger upphov till ett magnetfält!
Ringklocka
Elektromagneter används till exempel i en
ringklocka.
När strömmen sluts drar elektromagneten till
sig kläppen. Den slår då ett slag på klockan.
Samtidigt bryts strömmen och elektromagneten
släpper. Fjädern drar tillbaka kläppen.
Kläpp
Strömmen sluts igen och kläppen slår ett nytt
slag o.s.v.
Elektromagnet
Strömbrytare
Batteri
Induktion
När ström går igenom en ledare, uppstår ett magnetfält runt ledaren.
Om lindar en ledare många varv runt något får man ett starkare magnetfält, detta kallas för en
spole.
Om du placerar en järnkärna i mitten blir järnkärnan magnetisk när strömmen går igenom spolen.
= Elektromagnet
Ju fler varv man lindar runt spolen, desto starkare magnetfält.
Ju mer ström det går genom spolen, desto starkare magnetfält.
Tumregeln
Induktion
Induktion
Om en magnet kommer i närhet av ledare uppstår en lite ström.
För att få en större ström använder man en spole.
Detta används i generator. Ex: dynamo.

similar documents