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 Elektron 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.

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 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.

Åskledare

Åskskydd

De flesta blixturladdningar sker mellan molnen, men även mellan moln och mark. Vi säger att blixten slår ner. 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 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).

4,5 V 1,5 V 12 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  resistans mer 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 10,0 15,0 0,1 0,2 0,3 Resistansen = Spänningen Strömmen

Ju större resistans desto mindre ström vid samma spänning.

50 50 50

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.

Seriekoppling + –

Serie- och parallellkoppling

Ska du koppla två lampor kan det ske på olika sätt. Du kan göra en

seriekoppling

eller en

parallellkoppling

. 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 seriekopplade battericeller. Pluspolen är kopplad till plattor av blyoxid och minuspolen till plattor av bly.

Pluspol 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 Effekt på kroppen

0,5 mA Känns i fingrarna 10 mA Ger kramp i musklerna 15 mA 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

följer mönstret av järnfilsspån. som

I gapet på en

hästskomagnet

magnetändarna.

går fältet nästan rakt mellan

Jorden är en jättelik magnet. Fältlinjerna går mellan magnetiska nordänden och sydänden i böjda banor. En kompassnål ställer därför in sig i fält linjernas 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. Strömmen sluts igen och kläppen slår ett nytt slag o.s.v.

Elektromagnet Kläpp 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.