13 Elektriska maskiner

Transkript

1 13 Elektriska maskiner Inledning ilderna i kapitelinledningen på sid i grundboken och sid 138 i lightboken visar hur elektriska maskiner både kan vara jättestora och pyttesmå. Låt gärna eleverna komma med förslag på vilka olika slags elektriska maskiner som finns och var man kan hitta dem. Med hjälp av texten, bilderna och frågorna kan diskussioner påbörjas. Försök att inte ge svaren på frågorna nu, utan återkom istället till dem när kapitlet avslutats. Frågorna är tänkta att öka elevernas nyfikenhet inför kapitlet. Svar på frågorna 1. När de små elektronerna rör sig i en elektrisk ledare skapas ett magnetfält runt ledaren. Genom att linda flera varv av ledaren runt en järnkärna kan man göra en konstgjord magnet, en så kallad elektromagnet. Om man sedan placerar elektromagneten i det magnetfält som en vanlig magnet skapar, kan man få de magnetiska ändarna att trycka bort varandra. Genom att hela tiden ändra riktning på den elektriska strömmen kan man få elektromagneten att rotera inuti den permanenta magnetens magnetfält. Kraften från den roterande elektromagneten förs sedan över till bilens hjul. 2. Elektroner kan få en elektrisk motor att rotera. Omvänt kan en rotation ge upphov till elektrisk ström. En dynamo är ett exempel på en så kallad elektrisk generator som skapar ström. När cykelhjulen roterar sätter de dynamons rörliga del rotorn i snurr. Strömmen som skapas får sedan lampan att lysa. 3. Skillnaden mellan lamporna finns i glödtråden. En 40 W-lampa har större resistans än en 60 W-lampa. Skillnaden beror på att 40 W-lampans glödtråd är tunnare än 60 W-lampans Så fungerar en elektrisk motor vsnittet inleds med att vi studerar det magnetfält som uppkommer då det går ström genom en spole. Sedan beskriver vi hur man kan få spolen att rotera om man placerar den inuti gapet till en hästskomagnet. Vi kommer på så sätt in på hur den elektriska motorn fungerar Så fungerar en generator Här beskrivs först hur vi med induktion kan skapa elektrisk ström. Men begreppet induktion nämns bara i grundboken, inte i lightboken. Därefter beskriver vi generatorn och på vilka olika sätt den kan användas för att skapa elektrisk ström. vsnittet avslutas med en beskrivning av hur en cykeldynamo fungerar Elektrisk energi och effekt Det här är ett avsnitt som skiljer sig ganska mycket mellan grundbok och lightbok. I grundboken inleder vi med en repetition av mekaniskt arbete, energi och effekt. Efter en förklaringsmodell av elektrisk energi och effekt kommer vi in på enheten kwh och sambandet mellan energi, effekt och tid. vsnittet avslutas med en kort repetition av Ohms lag samt några räkneexempel på effektlagen. v de samband som finns mellan elektriska storheter tar vi i lightboken endast upp sambandet mellan energi, effekt och tid. I båda böckerna avslutas avsnittet med begreppen överbelastning och kortslutning. Fokus: El till salu Sedan 1998 finns en marknad i Norden där elektrisk energi säljs och köps. Hur det hela fungerar handlar det här fokusuppslaget om Så fungerar en transformator vsnittet beskriver hur en transformator är konstruerad samt hur man kan använda den för att transformera elektrisk energi. Vi ger även några exempel på hur detta tillämpas i verkliga livet. 139

2 Översikt Kopieringsunderlag och demonstrationsförsök vsnitt OH 13.1 OH1 Vad är tumregeln för något? ilden finns även på sid 258 i grundboken och på sid 139 i lightboken. D1 D2 1 Vilken ände blir nordände respektive sydände? 20 Inled med att visa OH1. spole i magnetfält Principen för en elmotor 2 ygg en elmotor 30 inled med att visa försök D1 D2. Kolla kontaktfjädrarna i förväg innan eleverna gör uppgift 2. vsluta med OH2. OH2 så fungerar en elmotor ilderna finns även på sid 259 i grundboken och på sid 139 i lightboken Vad är induktion? 20 vsluta med att visa försök D3. D3 D4 D5 induktion och växelström 4 Vad är en generator? 20 vsluta med att visa försök D4 D5. 5 Ordfläta 5 Principen för en generator Cykelgenerator 13.3 D6 en lampas effekt Hög spänning var försiktig! 6 Elektrisk energi och effekt 15 Inled med att visa försök D6. D7 Vilken lampa lyser starkast? Hög spänning var försiktig! D8 effektlagen Hög spänning var försiktig! D9 7 Samband mellan elektriska storheter 20 Inled med försök D7 D8. vsluta med försök D9. effekten hos en resistor 8 elektrisk effekt 30 9 Problemlösning Hur lyser lamporna? Ordfläta D10 induktion med elektromagnet D11 D12 D13 induktion med sluten järnkärna induktion med växelström transformatorns funktion D14 kan man använda 230 V till en 3,5 V glödlampa? Hög spänning var försiktig! OH3 transformatorn ilderna finns även på sid i grundboken och på sid i lightboken. 12 Vad är en transformator? 20 räkneuppgift. Inled med att visa D10 D14 och OH13. Om du har tidsbrist kan du hoppa direkt till D ygg transformatorer med olika egenskaper 30 vsluta med att visa D15 D17. D15 Vid nedtransformering ökar strömmen Hög spänning var försiktig! D16 Demonstrationsförsök Laboration Teoretisk uppgift Rubrik energin försvinner som värme D17 Överföring av elektrisk energi Hög spänning var försiktig! 14 Ordfläta 5 Kommentar Tidsåtgång i min 140

3 När det går ström genom en spole så bildas det ett magnetfält runt spolen. Men vilken ände blir nordände respektive sydände? En spole utan järnkärna befinner sig i ett magnetfält enligt bilden nedan. Det går ström genom spolen på det sätt som pilarna visar. Studera bilden och svara på följande frågor: 1. nvänd tumregeln och bestäm vilken del av spolen som får en magnetisk nordände? 2. Vad kommer att hända med spolen? En ledare är lindad runt en järnkärna enligt bilden nedan. Ledaren är kopplad till ett batteri. Studera bilden och svara på följande frågor: 1. I vilken riktning går strömmen? 2. nvänd tumregeln och bestäm var nordoch sydände uppstår. 3. Vad kallas en sådan här magnet? C Tänk dig att du trycker på strömbrytaren i bilden nedan. 1. Vilken del av elektromagneten blir nordände, den vänstra eller den högra delen? 2. Hur vrider sig kompassnålen, i riktning eller? D På bilden nedan kan du se hur magnetnålens sydände vrider sig mot elektromagnetens vänstra del. Studera bilden och svara på följande frågor: 1. Har elektromagneten en nord- eller en sydände på den sida som kompassen finns? 2. Vilken av batteriets poler är pluspol? eller? N Laborativa och teoretiska uppgifter 1. Vilken ände blir nordände respektive sydände? MÅL Eleverna ska lära sig hur man med tumregeln kan avgöra vilken ände hos en spole som blir nord- respektive sydände då det går ström genom spolen. KOMMENTR Gå igenom hur man använder tumregeln t ex genom att visa OH1. Demonstrera även regeln med hjälp av en spole och en magnetnål. Spolen måste då ha så få varv att man lätt kan avgöra strömriktningen i spolen I de flesta hushållsmaskiner, till exempel i elvispar, elektriska konservöppnare och i diskmaskiner, finns det någon slags elmotor. Men vet du egentligen hur en elektrisk motor fungerar? Det ska du få lära dig i den här laborationen. Du behöver: ottenplatta, 2 fotklämmor med vingskruv, lager, lager med kontaktfjädrar, dubbelt T-ankare, hästskomagnet, strömbrytare, likriktarkub och sladdar. N ygg en elmotor genom att montera samman de olika delarna som bilden visar. Placera T-ankaret så att kontaktfjädrarna ligger emot de båda cylinderhalvorna. Ställ likriktarkubens spänningsratt på läge F (10 11 V). C Slut kretsen. Om ankaret inte börjar rotera så hjälp det i gång lite försiktigt med fingret. D Diskutera med varandra om vad som händer och försök förklara varför motorn snurrar. E Skriv en laborationsrapport. Svar på frågorna 1. Den vänstra änden är en magnetisk nordände. 2. Den kommer att vrida sig ett halvt varv. 1. Den går från pluspol till minuspol. 2. Det blir nordände till höger och sydände till vänster. 3. Elektromagnet C 1. Den högra änden blir nordände. 2. Den vrider sig I riktning. D 1. Det är en nordände ygg en elmotor MÅL Eleverna ska förstå hur en elmotor fungerar. KOMMENTR Inled med att visa demonstrationsförsök D1 D2. Utforma sedan gärna laborationen som en tävling. Vilken grupp får sin motor att fungera först? Men kom ihåg att det är viktigt att du har kontrollerat materielen ordentligt i förväg, särskilt kontaktfjädrarna. vsluta med att förklara hur en elmotor fungerar. nvänd OH2. Om du låter ström gå genom en spole så uppkommer ett magnetfält i den. Om du sedan placerar en järnkärna i spolen får du en elektromagnet. Men kan man göra tvärtom? Går det att skapa ström med hjälp av en magnet och en spole? Det ska du få ta reda på i den här laborationen. Du behöver: Spole (600 varv), spole (300 varv), mätinstrument med visare (mätområde 0,03 ), stavmagnet och sladdar. ygg en krets som består av en spole (600 varv) och en amperemeter enligt bilden bredvid. Vad tror du händer om du för ner magneten i spolen? Skriv en hypotes. Kopiering C Förtillåten. ner magneten Spektrum Fysik i spolen. Liber Håll magneten stilla en stund och dra sedan upp den igen. Vad händer? Stämde din hypotes? D Vilka faktorer påverkar hur stark strömmen blir i en krets? Vad tror du? Skriv en hypotes. E Undersök det genom att bygga en ny krets enligt bilden. Hitta på egna undersökningar som ger svar på frågan. F Vilket resultat kommer du fram till? G Skriv en laborationsrapport. 3. Vad är induktion? MÅL Eleverna ska lära sig att man kan åstadkomma ström med hjälp av en spole, en magnet och några sladdar. De ska också lära sig vilka faktorer som påverkar strömmens styrka. KOMMENTR vsluta gärna med att repetera begreppen induktion och växelström genom att visa demonstrationsförsök D

4 4. Vad är en generator? MÅL Eleverna ska lära sig vad en generator är för någonting och hur den fungerar. KOMMENTR I laborationen använder eleverna en magnet som får rotera framför en spole. vsluta gärna laborationen med att visa demonstrationsförsök D4 och D5. 5. Ordfläta svar på frågorna Orden är: 1. Elmotor. 2. Lupp. 3. mpere. 4. Säkring. 5. Resistans. 6. Regnbågen. 7. Konvexa. 8. Glödlampa. 9. Spänning. Ordet i de markerade lodräta rutorna blir då: TUMREGELN. Större delen av den elektriska energi som vi behöver, får vi från våra vattenkraftverk och kärnkraftverk. Vid sådana kraftverk finns stora generatorer som alstrar elektrisk energi. Men generatorer måste inte vara stora. En cykeldynamo är ett exempel på en liten generator. I den här laborationen får du lära dig hur en generator fungerar. Du behöver: Spole (600 varv), fotklämma, ståndare med spets, rörlig hållare, stavmagnet, rak järnkärna, träkloss, mätinstrument (mätområde galvanometer ) och sladdar. Koppla upp en krets på det sätt som visas på bilden. Låt stavmagneten snurra runt. Titta samtidigt på amperemeterns visare. C Diskutera dina iakttagelser med en kamrat. D Skriv en laborationsrapport. Lös ordflätan. Om du hittar de rätta orden kommer bokstäverna i de markerade rutorna att bilda ett aktuellt ord. Vilket är ordet? 1. En motor som drivs med elektrisk ström. 2. En sorts förstoringsglas. 3. Enhet för ström. 4. En propp är en 5. Mäts i ohm. 6. är ett spektrum i naturen. 7. I glasögon för översynta sitter linser. 8. Ritas som ring med kryss i. 9. Mäts i volt Elektrisk energi och effekt MÅL Eleverna ska lära sig hur man beräknar mängden elektrisk energi som förbrukas i en elektrisk apparat. De ska även lära sig hur man beräknar kostnaden för elektrisk energi. KOMMENTR Inled med att visa demonstrationsförsök D6. SVR PÅ FRÅGORN J J J J J J (48 kj) C 1. 2,5 kw 2. 2,5 kwh kwh D 1. 0,2 kw 2. 4 kwh 3. 4 kr E kwh kr F kwh kr G 110 kr 142 I hemmet finns många apparater som drivs av elektrisk spänning. De förbrukar alla elektrisk energi. Hur mycket energi till exempel en vattenkokare använder beror på dess effekt. I den här uppgiften får du träna på att beräkna hur mycket energi olika elektriska apparater förbrukar och vad det kostar. En vanlig glödlampa kan till exempel ha effekten 60 W. Det innebär att lampan använder 60 J varje sekund. 1. Hur många joule behöver en 25 watts lampa för att lysa 1 s? 2. Hur många joule behövs för att en 25 watts lampa ska lysa under 2 s? 3. Hur många joule förbrukar en 60 watts lampa under 10 s? 4. Hur många joule förbrukar en 60 watts lampa under 1 min? Man kan räkna ut hur mycket energi som används genom att multiplicera effekten med tiden. Mellan storheterna energi, effekt och tid finns följande samband: energi = effekt tid W = P t nvänd sambandet och svara på följande: 1. Hur mycket energi går åt under 20 s om effekten är 100 W? 2. Hur mycket energi används under 1 min om effekten är 800 W? C En tvättmaskins effekt är, till exempel W. 1. Hur stor är effekten uttryckt i kilowatt? 2. Hur mycket energi används om du tvättar i en timme? 3. Hur mycket energi används om du tvättar i fyra timmar? D En TV har en effekt på ungefär 200 W. 1. Hur stor är effekten uttryckt i kilowatt? 2. Hur mycket energi används om TV:n står på i 20 h? 3. Vad kostar det att titta på TV i 20 timmar om priset per kilowattimme är 1 kr? E En elektrisk motor har effekten 4,5 kw. 1. Hur mycket energi förbrukar den på 10 h? 2. Vad kostar denna energimängd om priset per kilowattimme är 1 kr? F Hemma i våra bostäder finns elmätare där vi kan avläsa hur mycket elenergi som vi använder. På bilden kan du se två avläsningar gjorda med tre månaders mellanrum. Utgå från bilden och svara på följande: 1. Hur många kilowattimmar har använts under de tre månaderna? 2. Vad kostar det om priset är 1 kr per kilowatttimme? OM DU HINNER Du behöver: Miniräknare. G Hur mycket kostar det att under ett år ha en 60 watts lampa tänd under i genomsnitt fem timmar per dygn? Räkna med att 1 kwh kostar 1 kr. vrunda till tiotal kronor.

5 7. Samband mellan elektriska storheter I den här uppgiften får du öva på att använda de samband som finns mellan flera olika elektriska storheter och enheter. Du behöver: Miniräknare. Mellan effekt, spänning och ström finns ett samband som brukar kallas effektlagen. Den lyder så här: effekt = spänning ström P = U I Mellan spänning, ström och resistans finns ett annat samband som kallas Ohms lag. Den lyder så här: spänning = resistans ström U = R I nvänd effektlagen och Ohms lag och lös följande uppgifer. 1. Om en 100 W-lampa och en 40 W-lampa båda kopplas till 230 V spänning lyser de olika starkt. Det beror på att det går olika stark ström genom de båda lamporna. a) Vilken lampa lyser starkast? b) Genom vilken lampa är strömmen störst? c) Hur stark är strömmen genom 100 W-lampan? vrunda till två decimaler. 2. Hur hög är effekten hos en elektrisk apparat som är ansluten till 230 V och drivs av en ström på 2,13? vrunda till tiotal watt. EXEMPEL: Hur stark strömmen är genom en 40-watts lampa, kan man räkna ut med hjälp av effektlagen. Om vi betecknar strömmen med I så får vi: 40 = 230 I 40 I = I 0,17 Strömmen genom en 40-watts lampa är alltså 0, Vi har konstaterat att en 100 W-lampa drar mer ström än en 40 W- ampa om båda kopplas till 230 V spänning. Men varför är det så? Svaret är att de båda lampornas glödtrådar har olika resistans. Vilken lampa har störst resistans, en 40 W-lampa eller en 100 W-lampa? 4. a) Hur stor är resistansen om spänningen är 12 V och strömmen 1,3? vrunda till en decimal. b) Hur stor är resistansen om spänningen är 190 V och strömmen 0,85? vrunda till tiotal. 5. Genom en lampa går en ström på 0,38. Lampans resistans är 63. Hur hög är spänningen över lampan? vrunda till heltal. 6. Hur stor blir strömmen genom en resistor med resistansen 110 om den kopplas till spänningen 24 V? vrunda till två decimaler. OM DU HINNER 7. En värmespiral har resistansen Genom spiralen går en ström på 0,1. Hur stor är effekten och hur mycket energi använder spiralen under 10 min? MÅL Eleverna ska lära sig några av de samband som finns mellan elektriska storheter. KOMMENTR Inled en genomgång med demonstrationsförsöken D7 D8. vsluta gärna med att visa demonstrationsförsök D9 efter det att eleverna arbetat färdigt med uppgiften. SVR PÅ FRÅGORN 1. a) 100 W-lampan b) 100 W-lampan c) 0, W 3. En 40 W-lampa 4. a) 9,2 Ω b) 220 Ω V 6. 0,22 7. Spänningen är ,1 V = 200 V. Effekten är 200 0,1 W = 20 W. På 10 min förbrukas J = J (12 kj). En elektrisk spänning uträttar arbete när den förflyttar elektroner. Elektrisk effekt kan därför sägas vara ett mått på hur många elektroner en viss spänning lyckas förflytta under en viss tid i en ledare. I den här laborationen får du träna på att beräkna den elektriska effekten. Du behöver: Likriktarkub, voltmeter, amperemeter, bottenplatta, två fotklämmor med vingskruv, två ståndare med skruv, kromnickeltråd (0,4 mm), sladdar och miniräknare. C Ställ kubens spänningsratt i 5 6 lägen. örja med läge (ca 2 V). D Läs av volt- och amperemetern för de olika lägena. Rita av tabellen och för in alla värden. 8. Elektrisk effekt MÅL Eleverna ska få övning i hur man beräknar elektrisk effekt. KOMMENTR Eftersom det kanske var ganska länge sen eleverna gjorde en elektrisk koppling så kan det finnas anledning att gå igenom vad eleverna bör tänka på vid uppkopplingen. Sätt fast kromnickeltråden på bottenplattan på det sätt bilden visar. E Räkna ut effekt och resistans. vrunda till en decimal. F Skriv en laborationsrapport. Koppla upp en krets på det sätt som kopplingsschemat visar. Kromnickeltråden som du monterat på bottenplattan är resistorn i försöket. OM DU HINNER G Rita ett diagram över försöket med strömmen längs x-axeln och effekten längs y-axeln. Pricka in dina värden i diagrammet och bind samman punkterna till en kurva. 143

6 9. Problemlösning MÅL Eleverna ska i grupp få träning i att lösa fysikaliska problem inom området ellära. KOMMENTR Inled med en genomgång av de formler som eleverna har lärt sig under de tidigare uppgifterna (se nedan). Räkna också några exempel gemensamt. Effektlagen Ohms lag P = U I U = R I W = P t P U W U = R = P = I I t P U W I = I = t = U R P P = effekt i watt U = spänning i volt I = ström i ampere R = resistans i ohm W= energi i joule t = tid i sekunder Om effekten mäts i watt och tiden i sekunder får vi energin uttryckt i joule eller wattsekunder (Ws). Men om effekten i stället mäts i kilowatt och tiden i timmar, får vi energin i kilowattimmar (kwh). SVR PÅ FRÅGORN 1. 0, Ω Ω W J C Ω V 3. 0, V Ω 6. 0,05 D 1. 2, Ω E W Ω F W Ω G 1. Lampornas sammanlagda effekt är 48 W. Strömmen blir 48/230 0,2. 2. Den sammanlagda resistansen är 230/0,2 Ω = Ω. För varje lampa är resistansen 1 150/16 Ω 70 Ω. I den här uppgiften finns det fysikaliska problem som du ska försöka lösa. Samarbeta och diskutera gärna med varandra. Du behöver: Miniräknare. En lampa utvecklar effekten 50 W när den kopplas till spänningen 100 V. 1. Hur stark blir strömmen i kretsen? 2. Hur stor är lampans resistans? En resistor är kopplad till en strömkälla enligt bilden nedan. Voltmetern visar att spänningen är 24 V och amperemetern visar att strömmen är Vilken är resistansen? 2. Hur stor är effekten? 3. Hur mycket energi används om strömmen är sluten i 10 s? C nvänd Ohms lag och räkna ut vilka värden som saknas i tabellen. D En hårtork har effekten 600 W. E F Hur stark ström går genom hårtorken då den kopplas till 230 V? vrunda till en decimal. 2. Hur stor resistans har hårtorken? vrunda till tiotal ohm. På en elektrisk motor står det stämplat 230 V/3,5. 1. Hur stor är motorns effekt? 2. Vilken resistans har motorn? vrunda till heltal. En glödlampa kopplas till 230 V. En amperemeter visar att strömmen i kretsen är 270 m. 1. Räkna ut lampans effekt. vrunda till heltal. 2. Räkna ut lampans resistans. vrunda till tiotal. OM DU HINNER G En julgransbelysning består av 16 seriekopplade glödlampor. Varje lampa har effekten 3 W. Julgransbelysningen kopplas till 230 V spänning. 1. Hur stark ström går genom lamporna? vrunda till en decimal. 2. Hur stor resistans har en lampa? vrunda till tiotal. 10. Hur lyser lamporna? MÅL Eleverna ska få träning i att tolka kopplingsscheman. KOMMENTR Den här uppgiften innehåller sex olika kopplingar där eleverna ska försöka avgöra hur lampor lyser. Uppgiften kan användas som en extrauppgift. SVR PÅ FRÅGORN 1. Från början lyser ingen lampa. När man trycker på strömbrytaren lyser båda lamporna och de lyser lika starkt. 2. Från början lyser ingen lampa. När man trycker på strömbrytaren lyser båda lamporna lika starkt. 3. Från början lyser båda lamporna. När man trycker på strömbrytaren slocknar lampa, medan lampa lyser starkare än förut. 144 I den här uppgiften får du träna på att tolka olika kopplingsscheman. Nedan finns ett antal kretsar uppritade. I alla kretsar ingår en strömbrytare och två likadana lampor. eskriv i var och en av kretsarna hur lamporna lyser innan och efter att du trycker på strömbrytaren

7 4. Från början lyser ingen lampa. När man trycker på strömbrytaren tänds båda lamporna och lyser lika starkt. 5. Från början lyser endast lampa. När man trycker på strömbrytaren lyser båda lamporna lika starkt. 6. Från början lyser båda lamporna. När man trycker på strömbrytaren slocknar lampa, medan lampa lyser starkare än förut. Lös ordflätan. Om du hittar de rätta orden, så kommer bokstäverna i de markerade rutorna att bilda ett aktuellt ord. Vilket är det? 1. I en uppkommer energi genom fission. 2. Mäts i watt. 3. En kraft som bromsar en rörelse. 4. Ett slags mekanisk energi. 5. Den ström man får från ett batteri kallas 6. Kraft mäts i 7. Energi mäts i 8. rbete = sträcka 9. Lagrat arbete kallas 10. Kan mätas i newtonmeter. 11. Samma sak som joule. 11. Ordfläta SVR PÅ FRÅGORN Orden är: 1. Kärnreaktor. 2. Effekt. 3. Friktion. 4. Lägesenergi. 5. Likström. 6. Newton. 7. Joule. 8. Kraft. 9. Energi. 10. rbete. 11. Newtonmeter. Ordet i de markerade lodräta rutorna blir då: EFFEKTLGEN. När du kopplar in en bärbar dator och halogenlampor eller när du laddar din elektriska tandborste och mobiltelefon finns det nästan alltid en svart liten låda på sladden. Det är en transformator. I den här uppgiften får du träna på att beräkna hur mycket en transformator höjer eller sänker Kopiering spänningen. tillåten. Spektrum Fysik Liber På bilden ser du hur en transformator ser ut. Studera bilden och svara på följande frågor: 1. Vilken spole är primärspole? 2. Är primärspolen kopplad till likström eller växelström? 3. Vad visar voltmetern? 4. Vad skulle voltmetern visa om sekundärspolen hade varv? Studera bilden nedan och svara på följande frågor: 1. Hur hög är den spänning som är kopplad till primärspolen? 2. ntag att primärspolen har varv och att voltmetern visar 10 V. Hur hög skulle då spänningen till primärspolen vara? C Studera bilden nedan och svara på följande frågor: 1. Hur många varv har sekundärspolen? 2. Vad skulle voltmetern visa, om primärspolen i stället hade 100 varv? D Rita av tabellen i din anteckningsbok. Gör sedan tabellen komplett genom att räkna ut vilka tal som saknas. OM DU HINNER Du behöver: Miniräknare. E I ett vägguttag är spänningen 230 V. Den ska transformeras ner till cirka 12 V med hjälp av en transformator. Primärspolen i transformatorn har 600 varv. Hur många varv ska då sekundärspolen ha? 12. Vad är en transformator? MÅL Eleverna ska lära sig hur en transformator fungerar och hur man bestämmer antalet varv på primär- och sekundärspolen. KOMMENTR Inled med en genomgång om transformatorn. Visa till exempel demonstrationsförsök D10 D14. Om du har tidsbrist kan du gå direkt till demonstrationsförsök D13. nvänd också OH3. SVR PÅ FRÅGORN varvsspolen 2. Växelström V V V V C varv V D PRIMÄRKRETS SEKUNDÄRKRETS antal varv spänning antal varv spänning V V V V V V V V 6 4 V V E Spänningen ska sänkas 230/12 ggr 19,2 ggr. ntalet varv ska vara 600/19,2 31 varv. (Om man räknar med att spänningen ska sänkas 19 ggr blir svaret 32 varv.)

8 13. ygg transformatorer med olika egenskaper MÅL Eleverna ska få undersöka en transformators egenskaper. KOMMENTR vsluta med att diskutera och visa vad som händer med strömmen vid upp- och nedtransformering av spänningen. Förklara hur överföring av elektrisk energi sker från våra kraftverk till konsument. Visa till exempel demonstrationsförsök D15 D17. SVR PÅ FRÅGORN 1. Den vänstra lyser starkt, medan den högra lyser svagt V V C 1. lla lamporna lyser lika starkt V E Spänningen höjs 230/24 ggr 9,6 ggr. ntalet varv ska vara 300/9,6 31 varv. I den här laborationen ska du bygga två transformatorer och jämföra deras egenskaper. Du behöver: ottenplatta, U-kärna, rak järnkärna, spole (600 varv), spole (300 varv), likriktarkub, 3 glödlampor (24 V), strömbrytare och sladdar. Titta på bilderna nedan. Hur tror du att lamporna kommer att lysa i den övre respektive den undre kopplingen när du trycker på strömbrytarna? Formulera två hypoteser. ygg den första transformatorn genom att koppla som den översta bilden visar. Ställ in kuben på växelspänning. Spänningsratten ska vridas till läge J (22 24 V). Svara på följande frågor: 1. Hur lyser lamporna? 2. Hur hög spänning behöver lamporna för att lysa för fullt? 3. ntag att spänningen till primärspolen är 24 V. Hur hög spänning får vi då från sekundärspolen? 4. Stämde din första hypotes? C yggden andra transformatorn genom att koppla som den nedre bilden visar. Svara på följande frågor: 1. Hur lyser lamporna? 2. Spänningen till primärspolen är 24 V. Hur hög är då den spänning som sekundärspolen ger? 3. Stämde din andra hypotes? D Skriv en laborationsrapport. OM DU HINNER Du behöver: Miniräknare. E En elektriker vill höja en växelspänning från 24 V till 230 V. Till sin hjälp har hon en transformator där sekundärspolen är på 300 varv. Hur många varv måste då primärspolen ha? 14. Ordfläta SVR PÅ FRÅGORN Orden är: 1. Pluto. 2. Likström. 3. Resistans. 4. Generator. 5. Växelström. 6. Kraft. 7. Volt. 8. mpere. 9. Elektromagnet. 10. Konkav. 11. Översynthet. 12. Elmotor. 13. ttraherar. Ordet i de markerade lodräta rutorna blir då: TRNSFORMTOR. Lös ordflätan. Om orden är rätt kommer bokstäverna i de markerade rutorna att bilda ett aktuellt ord. Vilket är ordet? 1. Den minsta planeten heter 2. får man i en krets som drivs av ett batteri. 3. mäts i enheten ohm. 4. Cykeldynamon är en typ av 5. En ström som ständigt växlar riktning kallas 6. mäts i enheten newton. 7. är enheten för spänning. 8. är enheten för ström. 9. En består av en spole med en järnkärna. 10. I en spegel får man en förstorad bild av sig själv. 11. Ett vanligt synfel hos äldre personer är 12. Det är en som får elvispen att snurra. 13. Olika magnetändar varandra. 146

9 OH-underlag OH 1 OH 2 N N N N N N N N N OH 3 21 varv 3 varv 15 varv 5 varv 10 V 70 V 30 V 10 V 147

10 Demonstrationsförsök D1. Spole i magnetfält DU EHÖVER Hästskomagnet, hållare för instrumentdetaljer, vridspole, batterilåda med 4,5 V-batteri, strömbrytare och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå varför en spole vrider sig när det går ström genom spolen och den befinner sig i ett magnetfält. KOMMENTR Ställ i ordning materielen enligt bilden. Försök få vridspolen i vågrät riktning. Slut strömmen. Spolen vrider sig då ett halvt varv. Om den inte gör det får du kasta om strömriktningen. D3. Induktion och växelström DU EHÖVER Spole 600 varv, stavmagnet, demonstrationsinstrument (mätområde m) och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå begreppet induktion. KOMMENTR Repetera begreppet induktion genom att med olika hastighet föra magneten in i och ut ur spolen samt läsa av strömstyrkan. D4. Principen för en generator DU EHÖVER Hästskomagnet, hållare för instrumentdetaljer, vridspole och demonstrationsinstrument (mätområde m) MÅL Eleverna ska förstå hur en generator fungerar. KOMMENTR Ställ i ordning materielen enligt bilden. Vrid spolen runt. Visaren slår fram och tillbaka, vilket visar att en växelström uppkommer. Förklara skillnaden mellan likström och växelström. Försöket visar att en spole som befinner sig i ett magnetfält vrider sig ett halvt varv, när det går ström genom den. nledningen är att olika magnetiska ändar attraherar och lika ändar repellerar varandra. D2. Principen för en elmotor DU EHÖVER Hästskomagnet, hållare för instrumentdetaljer, vridspole, 2 batterilådor med 4,5 V-batteri, 2 strömbrytare och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå principen bakom en elektrisk motor. KOMMENTR Koppla ihop materielen enligt kopplingsschemat. Rita kopplingsschemat på tavlan. Tryck på strömbrytare. Spolen vrider sig då ett halvt varv. När den gjort det, släpper du strömbrytare och trycker istället på. Då går det en ström genom spolen i andra riktningen och spolen vrider sig ett halvt varv till. Tryck sedan omväxlande på och och så att spolen roterar. Du har fått en modell av en elektrisk motor. D5. Cykelgenerator DU EHÖVER En cykelgenerator. MÅL Eleverna ska förstå hur en dynamo fungerar. KOMMENTR Demonstrera en cykelgenerator. Visa att den är uppbyggd av en spole som roterar inuti ett magnetfält. D6. En lampas effekt DU EHÖVER Glödlampa 40 W, sladdosa och sladdar. MÅL Eleverna ska lära sig hur man beräknar elektrisk energi. KOMMENTR Koppla lampan till nätet via sladdosan. På lampan står tryckt 230 V/40 W. Vad innebär det? Jo, att lampan ska kopplas till spänningen 230 V samt att lampans effekt då blir 40 W. Eftersom 1 W är samma sak 148

11 som 1 J/s innebär det att lampan förbrukar 40 joule varje sekund. Hur mycket energi förbrukar då lampan på 2 s? På 10 s? Diskussionen leder fram till att man får reda på energin genom att multiplicera effekten med tiden. Tala om att 1 J är en mycket liten energienhet och att man i det här sammanhanget vanligen anger energin i kilowattimme (kwh). Räkna gärna några exempel som visar energiåtgång och kostnad i några olika fall. Här följer två förslag på exempel: 1. Ett strykjärn har effekten W. Hur mycket energi går det åt när Peter stryker i en halvtimme? 2. Connys TV har effekten 150 W. Under en helg räknade Conny ut att han tittat på TV åtta timmar. Hur mycket kostade det om priset per kwh var 1 kr? D7. Vilken lampa lyser starkast? DU EHÖVER Glödlampa 100 W, glödlampa 25 W, amperemeter (mätområde 1, växelström), sladdosa och sladdar. MÅL Eleverna ska se att en lampa som lyser starkt drar mer ström än en lampa som lyser svagt. KOMMENTR Koppla 100 W-lampan i serie med en amperemeter till 230 V. Läs av strömmen. Koppla sedan in 25 W-lampan på samma sätt. Försöket visar att 100 W-lampan drar mer ström, vilket är förklaringen till att den lyser starkare. Vilken lampa har alltså störst resistans? D8. Effektlagen DU EHÖVER Glödlampor 100 W och 40 W, amperemeter (mätområde 1, växelström), sladdar och voltmeter (mätområde 300 V, växelström). MÅL Eleverna ska lära sig sambandet mellan spänning, ström och effekt. KOMMENTR Koppla en 100 W-lampa i serie med amperemetern till nätet. Koppla in voltmetern parallellt med lampan. Läs av spänning och ström. Lampans effekt är 100 W. Försök få eleverna att själva komma på sambandet mellan spänning, ström och effekt. Hur stark ström drar en 40 W-lampa? Räkna ut det med effektlagen. Kontrollera sedan om det stämmer genom att koppla in en 40 W-lampa i stället för 100 W- lampan. Räkna ut resistansen för de båda lamporna med Ohms lag. D9. Effekten hos en resistor DU EHÖVER Likriktarkub, resistor 20 Ω, voltmeter (mätområde 30 V, likström) och amperemeter (mätområde 1, likström). MÅL Eleverna ska få en repetition av Ohms lag. KOMMENTR Koppla resistorn och amperemetern i serie till kuben. Koppla sedan voltmetern parallellt med resistorn. Lämplig spänning är ca 10 V. vläs spänning och ström. eräkna resistorns resistans samt effektutvecklingen. D10. Induktion med elektromagnet DU EHÖVER 2 spolar 600 varv, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 100 m likström), strömbrytare, likriktarkub och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå att induktion kan åstadkommas med en elektromagnet. KOMMENTR Koppla på det sätt som bilden visar. Lämplig spänning är ca 10 V. Slut och bryt strömmen. Då slår amperemeterns visare fram och tillbaka. Du har ett exempel på en elektromagnetisk induktion. Förklara begreppen primärspole och sekundärspole för eleverna. D11. Induktion med sluten järnkärna DU EHÖVER 2 spolar 600 varv, U-kärna, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 1, likström), strömbrytare, likriktarkub och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå att induktionen blir kraftigare med en sluten järnkärna. KOMMENTR nvänd samma koppling som i D6, men med den skillnaden att det ska vara en sluten järnkärna samt nytt mätområde i mätinstrumentet. Slut och bryt strömmen några gånger. Förklara att den inducerade strömmen blir kraftigare om järnkärnan är sluten. 149

12 D12. Induktion med växelström DU EHÖVER 2 spolar 600 varv, U-kärna, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 300 m, växelström), strömbrytare, likriktarkub och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå att induktionen kan åstadkommas med växelström. KOMMENTR nvänd samma koppling som i D7, men med den skillnaden att du byter mätområde samt slår över till växelström från kuben. mperemetern gör utslag vilket visar att det induceras en ström i sekundärkretsen. Man behöver alltså inte som i D6 och D7 sluta och bryta strömmen i primärkretsen. Låt istället en växelström passera primärkretsen. Då induceras det växelström i sekundärkretsen. D13. Transformatorns funktion DU EHÖVER 2 spolar 600 varv, spole 300 varv, spole varv, U-kärna, rak järnkärna, 2 demonstrationsinstrument (mätområde 30 V, växelström), likriktarkub och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå hur en transformator fungerar. KOMMENTR Koppla enligt bilden. nvänd de kombinationer av spolar som finns angivna nedan. Vrid upp spänningen så att voltmetern på primärsidan visar de spänningar som tabellen anger. Låt eleverna anteckna värdena i sina anteckningsböcker. D14. Kan man koppla en 3,5 V glödlampa till ett vägguttag? DU EHÖVER Spole 600 varv, U-kärna, rak järnkärna, glödlampa 3,5 V, glödlampa 230 V, sladdosa och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå principen bakom de transformatorer som bland annat finns till mobiltelefoner och telefonsvarare. KOMMENTR Inled med att fråga eleverna om man kan koppla en 3,5 V lampa till 230 V spänning om man använder sig av en transformator. Om man har en primärspole med 600 varv, hur många varv ska då sekundärspolen ha för att man ska kunna koppla in lampan? Spänningen ska sänkas 230/3,5 ggr 66 ggr ntalet varv blir då 600/66 varv 9 varv Linda en lång sladd 9 varv runt U-kärnans ena ben. Koppla sedan in den övriga materielen enligt bilden. Visa att det fungerar. åda lamporna lyser klart och alltså får den spänning de ska ha. Iakttag stor försiktighet vid uppkopplingen. nslut först till sladdosan och koppla sedan sladdosan till ett uttag. PRIMÄRSPOLE SEKUNDÄRSPOLE ntal varv Spänning ntal varv Spänning V V V V V 300 Naturligtvis arbetar inte transformatorn utan energiförluster. Det medför att de uppmätta värdena inte helt stämmer med de teoretiskt beräknade. För att underlätta förståelsen hos eleverna kan det vara lämpligt att avrunda värdena så att det stämmer med de teoretiska värdena. 150

13 D15. Vid nedtransformering ökar strömmen DU EHÖVER Spole 600 varv, spole 6 varv, 3 4 tums spik, U-kärna, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 10, växelström), sladdosa, trådnät och sladdar. MÅL Eleverna ska lära sig att strömmen ökar vid nedtransformering av spänningen. KOMMENTR Ställ i ordning materielen enligt bilden. Placera ett trådnät under spiken som skydd. Koppla 600-varvsspolen till nätet med hjälp av en sladdosa. Slå på strömmen och låt den vara på tills spiken går av. För därefter ihop spikdelarna med hjälp av handtaget och svetsa ihop spiken igen. Slå sedan av strömmen. D16. Energin försvinner som värme DU EHÖVER 4 fotklämmor, 4 ståndare med skruv, 2 glödlampor 24 V, 2 resistorer 1 kω, koppartråd 0,2 mm, likriktarkub och sladdar. MÅL Eleverna ska förstå hur energi förloras i långa ledningar. KOMMENTR Ställ i ordning materielen enligt bilden. Vardera resistorn motsvarar ca m koppartråd av den här dimensionen. spik Vrid upp spänningen så att den lampa som är kopplad direkt till kuben lyser starkt. Den andra lampan lyser inte, eftersom så mycket energi går förlorad på vägen. Koppla in de båda voltmetrarna istället för glödlamporna och jämför spänningen. Försöket visar att en nedtransformering av spänningen ger motsvarande höjning av strömmen. I det här fallet är strömmen i primärkretsen 3 4 och i sekundärkretsen ca hundra gånger större. När det går ström genom en ledare blir den varm, vilket är liktydigt med att elektrisk energi omvandlas till värme. Energi går på så sätt förlorad vilket man måste ta hänsyn till i samband med överföring av elektrisk energi. Hur man då gör framgår av försök D16 och D17. D17. Överföring av elektrisk energi DU EHÖVER Samma som till D U-kärnor, 2 raka järnkärnor, 2 spolar 300 varv och 2 spolar varv. MÅL Eleverna ska förstå hur överföring av elektrisk energi går till. KOMMENTR Koppla enligt bilden. nvänd samma spänning från kuben som i försök D12. Nu lyser lamporna nästan lika starkt, vilket visar att inte lika mycket energi förloras på vägen. Försöket visar i princip hur överföring av elektrisk energi går till. Genom att spänningen transformeras upp kraftigt, blir strömmen ganska låg i ledningarna. Energiförlusterna blir då små. OS! Var väldigt försiktig. Mycket hög spänning förekommer i försöket. 151