13 Elektriska maskiner

(1)

139

13.1

Så fungerar en elektrisk motor

Avsnittet 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.

13.2

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. Avsnit- tet avslutas med en beskrivning av hur en cykeldynamo fungerar.

13.3

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 för- klaringsmodell av elektrisk energi och effekt kommer vi in på enheten kWh och sambandet mellan energi, effekt och tid. Avsnittet avslutas med en kort repetition av Ohms lag samt några räkneex- empel på effektlagen.

Av 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.

13.4

Så fungerar en transformator

Avsnittet beskriver hur en transformator är kon- struerad samt hur man kan använda den för att transformera elektrisk energi. Vi ger även några exempel på hur detta tillämpas i verkliga livet.

¹³ Elektriska maskiner

Inledning

Bilderna i kapitelinledningen på sid 256-257 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 dis- kussioner 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 magne- tens 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.

(2)

140

Översikt Kopieringsunderlag och demonstrationsförsök

13.1 OH1 Vad är tumregeln för något? Bilden finns även på sid 258 i grundboken och på sid 139 i lightboken.

1 Vilken ände blir nordände respektive sydände? 20 inled med att visa OH1.

D1 spole i magnetfält D2 Principen för en elmotor

2 Bygg en elmotor 30 inled med att visa försök D1–D2. kolla kontaktfjädrarna i förväg innan eleverna gör uppgift 2. avsluta med OH2.

OH2 så fungerar en elmotor Bilderna finns även på sid 259 i grundboken och

på sid 139 i lightboken.

13.2 3 Vad är induktion? 20 avsluta med att visa försök D3.

D3 induktion och växelström

4 Vad är en generator? 20 avsluta med att visa försök D4–D5.

5 Ordfläta 5

D4 Principen för en generator

D5 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!

7 samband mellan elektriska storheter 20 inled med försök D7–D8. avsluta med försök D9.

D9 effekten hos en resistor

8 elektrisk effekt 30

9 Problemlösning 20

10 Hur lyser lamporna? 10

11 Ordfläta 5

13.4 D10 induktion med elektromagnet D11 induktion med sluten järnkärna D12 induktion med växelström D13 transformatorns funktion

D14 kan man använda 230 V till en 3,5 V glödlampa? Hög spänning – var försiktig!

OH3 transformatorn Bilderna finns även på sid 273–274 i grundboken och

på sid 145–146 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 D13.

13 Bygg transformatorer med olika egenskaper 30 avsluta med att visa D15–D17.

D15 Vid nedtransformering ökar strömmen Hög spänning – var försiktig!

D16 energin försvinner som värme

D17 Överföring av elektrisk energi Hög spänning – var försiktig!

14 Ordfläta 5

avsnitt OH Demonstrationsf örsök

laborationteor etisk

uppg ift

rubr ik

tidsåt gång

i min kommentar

(3)

141

Kopiering tillåten. Spektrum Fysik © Liber AB

!

!24/2! 2/!Wjmlfo!oef!cmjs!opseoef!sftqflujwf!tzeoef@

När det går ström genom en spole så bildas det ett magnetfält runt spolen. Men vilken ände blir nordände respektive sydände?

AEn 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. Använd tumregeln och bestäm vilken del av spolen som får en magnetisk nordände?

2. Vad kommer att hända med spolen?

B 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. Använd tumregeln och bestäm var nord- och sydände uppstår.

3. Vad kallas en sådan här magnet?

CTänk dig att du trycker på strömbrytaren i bilden nedan.

1. Vilken del av elektromagneten blir nord- ände, den vänstra eller den högra delen?

2. Hur vrider sig kompassnålen, i riktning A eller B?

DPå 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?

A eller B?

A B

N

B A

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- respek- tive sydände då det går ström genom spolen.

KoMMEnTar 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.

a 1. Den vänstra änden är en magnetisk nordände.

2. Den kommer att vrida sig ett halvt varv.

B 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 A.

D 1. Det är en nordände.

2. A

2. Bygg en elmotor

MåL Eleverna ska förstå hur en elmotor fungerar.

KoMMEnTar Inled med att visa demonstrationsförsök D1–D2. Utforma sedan gärna laborationen som en täv- ling. 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.

Avsluta med att förklara hur en elmotor fungerar. An- vänd OH2.

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.

KoMMEnTar Avsluta gärna med att repetera begreppen induktion och växelström genom att visa demonstra- tionsförsök D3.

13.1

!

!24/2! 3/!Czhh!fo!fmnpups

I de flesta hushållsmaskiner, till exempel i elvispar, elektriska konservöppnare och i diskmaskiner, finns det någon slags elmotor. Men vet du egentli- gen hur en elektrisk motor fungerar? Det ska du få lära dig i den här laborationen.

Du behöver:Bottenplatta, 2 fotklämmor med ving- skruv, lager, lager med kontaktfjädrar, dubbelt T-ankare, hästskomagnet, strömbrytare, likriktarkub och sladdar.

ABygg en elmotor genom att montera samman de olika delarna som bilden visar. Placera T-ankaret så att kontaktfjädrarna ligger emot de båda cylinderhalvorna.

B Ställ likriktarkubens spänningsratt på läge F (10–11 V).

CSlut kretsen. Om ankaret inte börjar rotera så hjälp det i gång lite försiktigt med fingret.

DDiskutera med varandra om vad som händer och försök förklara varför motorn snurrar.

E Skriv en laborationsrapport.

!

!24/3! 4/!Wbe!s!joevlujpo@

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 A), stavmagnet och sladdar.

ABygg en krets som består av en spole (600 varv) och en amperemeter enligt bilden bredvid.

B Vad tror du händer om du för ner magneten i spolen?

Skriv en hypotes.

CFör ner magneten i spolen. Håll magneten stilla en stund och dra sedan upp den igen. Vad händer? Stämde din hypotes?

DVilka 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?

GSkriv en laborationsrapport.

13.2

(4)

142

4. Vad är en generator?

MåL Eleverna ska lära sig vad en generator är för någon- ting och hur den fungerar.

KoMMEnTar I laborationen använder eleverna en magnet som får rotera framför en spole. Avsluta gärna laborationen med att visa demonstrationsförsök D4 och D5.

5. Ordfläta

Svar på frågorna Orden är:

1. Elmotor.

2. Lupp.

3. Ampere.

4. Säkring.

5. Resistans.

6. Regnbågen.

7. Konvexa.

8. Glödlampa.

9. Spänning.

Ordet i de markerade lodräta rutorna blir då: TUMREGELN.

6. 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.

KoMMEnTar Inled med att visa demonstrationsförsök D6.

Svar på frågorna a 1. 25 J

2. 50 J 3. 600 J 4. 3 600 J B 1. 2 000 J 2. 48 000 J (48 kJ) C 1. 2,5 kW 2. 2,5 kWh 3. 10 kWh D 1. 0,2 kW 2. 4 kWh 3. 4 kr E 1. 45 kWh 2. 45 kr f 1. 1 640 kWh 2. 1 640 kr g 110 kr

!

!24/3! 5/!Wbe!s!fo!hfofsbups@

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.

AKoppla upp en krets på det sätt som visas på bilden.

B Låt stavmagneten snurra runt.

Titta samtidigt på amperemeterns visare.

CDiskutera dina iakttagelser med en kamrat.

DSkriv en laborationsrapport.

!

!24/3! 6/!Pseàub

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.

!

!24/4! 7/!Fmflusjtl!fofshj!pdi!fggflu

I hemmet finns många apparater som drivs av elektrisk spänning. De förbrukar alla elektrisk energi. Hur mycket energi till exempel en vatten- kokare 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.

AEn 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?

B 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

Använd 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 2 500 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?

DEn 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. Avrunda till tiotal kronor.

13.3

(5)

143

7. Samband mellan elektriska storheter

MåL Eleverna ska lära sig några av de samband som finns mellan elektriska storheter.

KoMMEnTar Inled en genomgång med demonstrations- försöken D7–D8.

Avsluta gärna med att visa demonstrationsförsök D9 efter det att eleverna arbetat färdigt med uppgiften.

Svar på frågorna 1. a) 100 W-lampan b) 100 W-lampan c) 0,43 A 2. 490 W 3. En 40 W-lampa 4. a) 9,2 Ω b) 220 Ω 5. 24 V 6. 0,22 A

7. Spänningen är 2 000 ∙ 0,1 V = 200 V.

Effekten är 200 ∙ 0,1 W = 20 W.

På 10 min förbrukas 20 ∙ 600 J = 12 000 J (12 kJ).

8. Elektrisk effekt

MåL Eleverna ska få övning i hur man beräknar elektrisk effekt.

KoMMEnTar 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.

!

!24/4! 8/!Tbncboe!nfmmbo!fmflusjtlb!tupsifufs

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 Använd 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? Avrunda 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 A? Avrunda 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 I = ---40

230 I ≈ 0,17

Strömmen genom en 40-watts lampa är alltså 0,17 A.

3. 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 A?

Avrunda till en decimal.

b) Hur stor är resistansen om spänningen är 190 V och strömmen 0,85 A?

Avrunda till tiotal.

5. Genom en lampa går en ström på 0,38 A.

Lampans resistans är 637. Hur hög är spänningen över lampan? Avrunda till heltal.

6. Hur stor blir strömmen genom en resistor med resistansen 1107 om den kopplas till spänningen 24 V? Avrunda till två decimaler.

OM DU HINNER

7. En värmespiral har resistansen 2 0007.

Genom spiralen går en ström på 0,1 A.

Hur stor är effekten och hur mycket energi använder spiralen under 10 min?

!

!24/4! 9/!Fmflusjtl!fggflu

En elektrisk spänning uträttar arbete när den för- flyttar 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.

ASätt fast kromnickeltråden på bottenplattan på det sätt bilden visar.

B Koppla upp en krets på det sätt som kopplingsschemat visar. Kromnickeltråden som du mon- terat på bottenplattan är resistorn i försöket.

CStäll kubens spänningsratt i 5–6 lägen.

Börja med läge B (ca 2 V).

DLäs av volt- och amperemetern för de olika lägena. Rita av tabellen och för in alla värden.

E Räkna ut effekt och resistans.

F Skriv en laborationsrapport.

OM DU HINNER

GRita 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.

(6)

9. Problemlösning

MåL Eleverna ska i grupp få träning i att lösa fysikaliska problem inom området ellära.

KoMMEnTar 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).

Svar på frågorna a 1. 0,5 A

2. 200 Ω B 1. 12 Ω 2. 48 W 3. 480 J C 1. 50 Ω 2. 40 V 3. 0,5 A 4. 30 V 5. 50 Ω 6. 0,05 A

10. Hur lyser lamporna?

MåL Eleverna ska få träning i att tolka kopplingsscheman.

KoMMEnTar Den här uppgiften innehåller sex olika kopplingar där eleverna ska försöka avgöra hur lampor lyser. Uppgiften kan användas som en extrauppgift.

1. Från början lyser ingen lampa. När man trycker på strömbryta- ren lyser båda lamporna och de lyser lika starkt.

2. Från början lyser ingen lampa. När man trycker på strömbryta- ren lyser båda lamporna lika starkt.

3. Från början lyser båda lamporna. När man trycker på strömbry- taren slocknar lampa B, medan lampa A lyser starkare än förut.

144

!

!24/4! :/!Qspcmfnmtojoh

I den här uppgiften finns det fysikaliska problem som du ska försöka lösa. Samarbeta och diskutera gärna med varandra.

Du behöver:Miniräknare.

AEn 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?

B En resistor är kopplad till en strömkälla enligt bilden nedan. Voltmetern visar att spänningen är 24 V och amperemetern visar att strömmen är 2 A.

1. Vilken är resistansen?

2. Hur stor är effekten?

3. Hur mycket energi används om strömmen är sluten i 10 s?

C Använd Ohms lag och räkna ut vilka värden som saknas i tabellen.

D En hårtork har effekten 600 W.

1. Hur stark ström går genom hårtorken då den kopplas till 230 V? Avrunda till en decimal.

2. Hur stor resistans har hårtorken?

Avrunda till tiotal ohm.

E På en elektrisk motor står det stämplat 230 V/3,5 A.

1. Hur stor är motorns effekt?

2. Vilken resistans har motorn?

Avrunda till heltal.

F En glödlampa kopplas till 230 V. En amperemeter visar att strömmen i kretsen är 270 mA.

1. Räkna ut lampans effekt. Avrunda till heltal.

2. Räkna ut lampans resistans.

OM DU HINNER

GEn julgransbelysning består av 16 seriekopplade glödlampor. Varje lampa har effekten 3 W. Jul- gransbelysningen kopplas till 230 V spänning.

1. Hur stark ström går genom lamporna?

2. Hur stor resistans har en lampa?

1.

2.

3.

4.

5.

6.

!

!24/4! 21/!Ivs!mztfs!mbnqpsob@

1 2 3

4 5 6

A B

A

B

B B

B A

A A

A 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. Beskriv i var och en av kretsarna hur lamporna lyser innan och efter att du trycker på strömbrytaren.

D 1. 2,6 A 2. 90 Ω E 1. 805 W 2. 66 Ω f 1. 62 W 2. 850 Ω

g 1. Lampornas sammanlagda effekt är 48 W.

Strömmen blir 48/230 A ≈ 0,2 A.

2. Den sammanlagda resistansen är 230/0,2 Ω = 1 150 Ω. För varje lampa är resistansen 1 150/16 Ω ≈ 70 Ω.

(7)

4. Från början lyser ingen lampa. När man trycker på strömbryta- ren tänds båda lamporna och lyser lika starkt.

5. Från början lyser endast lampa B. När man trycker på strömbry- taren lyser båda lamporna lika starkt.

6. Från början lyser båda lamporna. När man trycker på strömbry- taren slocknar lampa A, medan lampa B lyser starkare än förut.

11. Ordfläta

1. Kärnreaktor.

2. Effekt.

3. Friktion.

4. Lägesenergi.

5. Likström.

6. Newton.

7. Joule.

8. Kraft.

9. Energi.

10. Arbete.

11. Newtonmeter.

Ordet i de markerade lodräta rutorna blir då: EFFEKTLAGEN.

12. Vad är en transformator?

MåL Eleverna ska lära sig hur en transformator fungerar och hur man bestämmer antalet varv på primär- och se- kundärspolen.

KoMMEnTar Inled med en genomgång om transformatorn. Visa till exempel demonstrationsförsök D10– D14.

Om du har tidsbrist kan du gå direkt till demonstra- tionsförsök D13. Använd också OH3.

Svar på frågorna a 1. 300-varvsspolen 2. Växelström 3. 24 V 4. 48 V B 1. 20 V 2. 40 V C 1. 1 200 varv 2. 72 V

D PRIMÄRKRETS SEKUNDÄRKRETS

antal varv spänning antal varv spänning

300 10 V 1 200 40 V

1 200 32 V 600 16 V

400 6 V 1 200 18 V

600 12 V 1 800 36 V

6 4 V 300 200 V

E Spänningen ska sänkas 230/12 ggr ≈ 19,2 ggr.

Antalet varv ska vara 600/19,2 ≈ 31 varv. (Om man räknar med att spänningen ska sänkas 19 ggr blir svaret 32 varv.)

145

!

!24/5! 23/!Wbe!s!fo!usbotgpsnbups@

När du kopplar in en bärbar dator och halogen- lampor eller när du laddar din elektriska tand- borste och mobiltelefon finns det nästan alltid en svart liten låda på sladden. Det är en transforma- tor. I den här uppgiften får du träna på att beräkna hur mycket en transformator höjer eller sänker spänningen.

APå 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 sekundär- spolen hade 1 200 varv?

B Studera bilden nedan och svara på följande frågor:

1. Hur hög är den spänning som är kopplad till primärspolen?

2. Antag att primärspolen har 1 200 varv och att voltmetern visar 10 V. Hur hög skulle då spänningen till primärspolen vara?

CStudera 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?

13.4

!

!24/4! 22/!Pseàub

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. Arbete = … · sträcka 9. Lagrat arbete kallas … 10. Kan mätas i newtonmeter.

11. Samma sak som joule.

(8)

146

!

!24/5! 24/!Czhh!usbotgpsnbupsfs!nfe!pmjlb!fhfotlbqfs

I den här laborationen ska du bygga två transfor- matorer och jämföra deras egenskaper.

Du behöver:Bottenplatta, U-kärna, rak järnkärna, spole (600 varv), spole (300 varv), likriktarkub, 3 glödlampor (24 V), strömbrytare och sladdar.

ATitta på bilderna nedan. Hur tror du att lamporna kommer att lysa i den övre respektive den undre kopplingen när du trycker på ström- brytarna? Formulera två hypoteser.

B Bygg 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. Antag att spänningen till primärspolen är 24 V. Hur hög spänning får vi då från sekundärspolen?

4. Stämde din första hypotes?

C Byggden 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?

DSkriv 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?

!

!24/5! 25/!Pseàub

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.

13. Bygg transformatorer med olika egenskaper

MåL Eleverna ska få undersöka en transformators egenskaper.

KoMMEnTar Avsluta 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.

B 1. Den vänstra lyser starkt, medan den högra lyser svagt.

2. 24 V 3. 12 V

C 1. Alla lamporna lyser lika starkt.

2. 48 V

E Spänningen höjs 230/24 ggr ≈ 9,6 ggr.

Antalet varv ska vara 300/9,6 ≈ 31 varv.

14. Ordfläta

1. Pluto.

2. Likström.

3. Resistans.

4. Generator.

5. Växelström.

6. Kraft.

7. Volt.

8. Ampere.

9. Elektromagnet.

10. Konkav.

11. Översynthet.

12. Elmotor.

13. Attraherar.

Ordet i de markerade lodräta rutorna blir då: TRANSFORMATOR.

(9)

147

24/2 OH 1

!

Wbe!s!uvnsfhfmo!gs!ohpu@

OH-underlag

24/2 OH 2

!

T! gvohfsbs! fo! fmnpups

NNNNN N

N

24/5 OH 3

!

Usbotgpsnbupso

10 V 3 varv

21 varv

30 V 15 varv

10 V 5 varv

70 V

(10)

Demonstrationsförsök

D1. Spole i magnetfält

DU BEHÖvEr Hästskomagnet, hållare för instrumentde- taljer, vridspole, batterilåda med 4,5 V-batteri, ström- brytare och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå varför en spole vrider sig när det går ström genom spolen och den befinner sig i ett mag- netfält.

KoMMEnTar 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.

Försöket visar att en spole som befinner sig i ett magnet- fält vrider sig ett halvt varv, när det går ström genom den. Anledningen är att olika magnetiska ändar attraherar och lika ändar repellerar varandra.

D2. Principen för en elmotor

DU BEHÖvEr Hästskomagnet, hållare för instrumentde- taljer, vridspole, 2 batterilådor med 4,5 V-batteri, 2 strömbrytare och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå principen bakom en elektrisk motor.

KoMMEnTar Koppla ihop materielen enligt kopplingsschemat. Rita kopplingsschemat på tavlan.

Tryck på strömbrytare A. Spolen vrider sig då ett halvt varv. När den gjort det, släpper du strömbrytare A och trycker istället på B. Då går det en ström genom spolen i andra riktningen och spolen vrider sig ett halvt varv till.

Tryck sedan omväxlande på A och B och så att spolen roterar. Du har fått en modell av en elektrisk motor.

D3. Induktion och växelström

DU BEHÖvEr Spole 600 varv, stavmagnet, demonstrationsinstrument (mätområde 0–1–0 mA) och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå begreppet induktion.

KoMMEnTar 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 BEHÖvEr Hästskomagnet, hållare för instrumentde- taljer, vridspole och demonstrationsinstrument (mät- område 1–0–1-mA)

MåL Eleverna ska förstå hur en generator fungerar.

Vrid spolen runt. Visaren slår fram och tillbaka, vilket visar att en växelström uppkommer. Förklara skillnaden mellan likström och växelström.

D5. Cykelgenerator

DU BEHÖvEr En cykelgenerator.

MåL Eleverna ska förstå hur en dynamo fungerar.

KoMMEnTar Demonstrera en cykelgenerator. Visa att den är uppbyggd av en spole som roterar inuti ett mag- netfält.

D6. En lampas effekt

DU BEHÖvEr Glödlampa 40 W, sladdosa och sladdar.

MåL Eleverna ska lära sig hur man beräknar elektrisk energi.

KoMMEnTar 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 a

B

148

(11)

149 som 1 J/s innebär det att lampan förbrukar 40 joule var-

je 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 1 200 W. Hur mycket energi går det åt när Peter stryker i en halvtimme?

2. Connys TV har effekten 150 W. Under en helg räk- nade 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 BEHÖvEr Glödlampa 100 W, glödlampa 25 W, amperemeter (mätområde 1 A, växelström), sladdosa och sladdar.

MåL Eleverna ska se att en lampa som lyser starkt drar mer ström än en lampa som lyser svagt.

KoMMEnTar 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 BEHÖvEr Glödlampor 100 W och 40 W, amperemeter (mätområde 1 A, växelström), sladdar och voltmeter (mätområde 300 V, växelström).

MåL Eleverna ska lära sig sambandet mellan spänning, ström och effekt.

KoMMEnTar 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 BEHÖvEr Likriktarkub, resistor 20 Ω, voltmeter (mätområde 30 V, likström) och amperemeter (mätom- råde 1 A, likström).

MåL Eleverna ska få en repetition av Ohms lag.

KoMMEnTar Koppla resistorn och amperemetern i serie till kuben. Koppla sedan voltmetern parallellt med resistorn. Lämplig spänning är ca 10 V.

Avläs spänning och ström. Beräkna resistorns resistans samt effektutvecklingen.

D10. Induktion med elektromagnet

DU BEHÖvEr 2 spolar 600 varv, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 100 mA likström), strömbrytare, likriktarkub och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå att induktion kan åstadkommas med en elektromagnet.

KoMMEnTar Koppla på det sätt som bilden visar. Lämp- lig 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 BEHÖvEr 2 spolar 600 varv, U-kärna, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 1 A, likström), strömbrytare, likriktarkub och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå att induktionen blir kraftigare med en sluten järnkärna.

KoMMEnTar Använd 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.

(12)

D12. Induktion med växelström

DU BEHÖvEr 2 spolar 600 varv, U-kärna, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 300 mA, växel- ström), strömbrytare, likriktarkub och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå att induktionen kan åstadkom- mas med växelström.

KoMMEnTar Använd samma koppling som i D7, men med den skillnaden att du byter mätområde samt slår över till växelström från kuben. Amperemetern gör ut- slag vilket visar att det induceras en ström i sekundär- kretsen.

Man behöver alltså inte som i D6 och D7 sluta och bryta strömmen i primärkretsen. Låt istället en växel- ström passera primärkretsen. Då induceras det växel- ström i sekundärkretsen.

D13. Transformatorns funktion

DU BEHÖvEr 2 spolar 600 varv, spole 300 varv, spole 1 200 varv, U-kärna, rak järnkärna, 2 demonstrationsinstrument (mätområde 30 V, växelström), likriktarkub och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå hur en transformator fungerar.

KoMMEnTar Koppla enligt bilden. Använd de kombina- tioner av spolar som finns angivna nedan. Vrid upp spän- ningen så att voltmetern på primärsidan visar de spän- ningar som tabellen anger. Låt eleverna anteckna vär- dena i sina anteckningsböcker.

PRIMÄRSPOLE SEKUNDÄRSPOLE

Antal varv Spänning Antal varv Spänning

600 10 V 600

300 5 V 600

300 5 V 1 200

600 20 V 300

1 200 20 V 300

Naturligtvis arbetar inte transformatorn utan energi- förluster. Det medför att de uppmätta värdena inte helt stämmer med de teoretiskt beräknade. För att under- lätta förståelsen hos eleverna kan det vara lämpligt att avrunda värdena så att det stämmer med de teoretiska värdena.

D14. Kan man koppla en 3,5 V glöd- lampa till ett vägguttag?

DU BEHÖvEr 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.

KoMMEnTar Inled med att fråga eleverna om man kan koppla en 3,5 V lampa till 230 V spänning om man an- vänder 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 Antalet 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. Båda lamporna lyser klart och alltså får den spänning de ska ha. Iakttag stor försiktig- het vid uppkopplingen. Anslut först till sladdosan och koppla sedan sladdosan till ett uttag.

150

(13)

spik

151

D15. Vid nedtransformering ökar strömmen

DU BEHÖvEr Spole 600 varv, spole 6 varv, 3–4 tums spik, U-kärna, rak järnkärna, demonstrationsinstrument (mätområde 10 A, växelström), sladdosa, trådnät och sladdar.

MåL Eleverna ska lära sig att strömmen ökar vid nedtransformering av spänningen.

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.

Försöket visar att en nedtransformering av spänningen ger motsvarande höjning av strömmen. I det här fallet är strömmen i primärkretsen 3–4 A och i sekundärkret- sen 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.

D16. Energin försvinner som värme

DU BEHÖvEr 4 fotklämmor, 4 ståndare med skruv, 2 glöd- lampor 24 V, 2 resistorer 1 kΩ, koppartråd 0,2 mm, likriktarkub och sladdar.

MåL Eleverna ska förstå hur energi förloras i långa led- ningar.

Vardera resistorn motsvarar ca 1 800 m koppartråd av den här dimensionen.

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 glödlam- porna och jämför spänningen.

D17. Överföring av elektrisk energi

DU BEHÖvEr Samma som till D16 + 2 U-kärnor, 2 raka järnkärnor, 2 spolar 300 varv och 2 spolar 10 000 varv.

MåL Eleverna ska förstå hur överföring av elektrisk energi går till.

KoMMEnTar Koppla enligt bilden. Använd samma spän- ning 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.

OBS! Var väldigt försiktig. Mycket hög spänning fö- rekommer i försöket.

13 Elektriska maskiner

Så fungerar en elektrisk motor

Så fungerar en generator

Elektrisk energi och effekt

Fokus: El till salu

Så fungerar en transformator