Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

Når Felter forandres

No description
by

Thomas Sloth Larsen

on 12 March 2015

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Når Felter forandres

Forsøg: Eftervis H.C Ørsteds eksperiment
Når felter forandres
Magnetisme, elektomagnetisme, induktion og transformation
Prøv at forstille dig en dag, hvor du ikke bruger elektriske apparater. Kan dette lade sig gøre? Idag er elektriske apparater og maskiner en nødvendighed for at få hverdagen til at fungere både på arbejdspladser, skoler og i vore hjem. Elektriske
signaler er nødvendige for at få
trafikken til lands og i luften til at
fungere og blive afviklet sikket. Men
hvorfor er de simple magneter nøglen
til at vores hverdag fungere.
Magneters opbygning
Allerede de gamle grækere kendte til magnetisme. I byen Magnesia havde de fundet en speciel stenart som kunne tiltrække jern. Denne stenart hedder magnetjernsten og består af jernoxid. En magnet tiltrækker grundstofferne jern, nikkel og kobolt samt de sjældne lantanider, som har grundstofnumre fra 58-71.

En stangmagnet er stærkest ved enderne, som kaldes for polerne. En frit ophængt magnet vil indstille sig i retningen nord-syd. Den pol, der peger mod nord kaldes nordpolen, mens den pol der peger mod syd, kaldes sydpolen. To ens poler frastøder hinanden, mens en nordpol og en sydpol tiltrækker hinanden.

Man har vedtaget, at de magnetiske feltlinier har retningen fra nord mod syd uden for magneten. Inde i magneten går feltet fra sydpolen mod nordpolen. En lille magnetnål vil stille sig langs fletlinie, så dens nordpol peger i feltlinierns retning.

En savklinge bliver magnetisk når man stryger en stangmagnet hen ad klingen 10-20 gange. Bevægelsen skal hele tiden være i samme retning. Grunden til at vi kan gøre savklingen magnetisk er, at den er opbygget af en række uhyre små magneter. Når savklingen er umagnetisk ligger småmagneterne og roder rundt mellem hinanden. Men når vi stryger stangmagneten hen ad savklingen bliver småmagneterne efterhånden ensrettet og der dannes dermed en nord og en sydpol.

Hvis vi brækker magneten over, får vi to mindre magneter med hver sin nord og sydpol. En "ren" nordpol eller sydpol kan ikke eksistere. En nordpol og en sydpol hører altid sammen.

Hvis magnetismen skal ophæves kan det gøres på følgende måder. Savklingen kan opvarmes, bankes hårdt mod borderet eller trækkes igennem en spole med vækselsspæning.
Elektromagnetisme
Hvad er en elektromagnet?
En elektromagnet er i princippet blot en ledning, der løber jævnstrøm igennem. Rundt om den vil
der være et magnetfelt. Magnetfeltet kan gøres stærkere ved at vikle ledningen rundt om fx et stykke jern. Jo flere vindinger, desto stærkere magnet. Magneten kan også gøres stærkere ved at lade mere strøm løbe gennem ledningen.

H.C. Ørsteds (1777-1851) opdagelse
Helt op til starten af 1800-tallet troede man, at elektricitet og magnetisme var to grene af fysikken, der ikke havde noget med hinanden at gøre. Men med den danske fysiker H.C. Ørsteds opdagelse i 1820 blev det klart, at der er en sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme. Ørsted opdagede, at når han tændte for strømmen i en ledning, gav det et udslag på et kompas i nærheden af ledningen. Strømmen kan altså skabe et magnetfelt rundt om ledningen, som påvirker kompasset.

Nord og syd
Ligesom en stangmagnet har en elektromagnet en nord og en sydpol. I det hele taget opfører en elektromagnet sig som en permanent magnet. Den kan tiltrække de samme materialer, og den kan frastøde/tiltrække andre magneter. Dog er der en egenskab, der adskiller en elektromagnet fra en permanent magnet: Man kan slukke for den. En elektromagnet holder op med at være magnetisk, når strømmen afbrydes.

Elektromagnetisk kran
Det betyder, at man fx kan bruge en elektromagnet til at løfte biler på en skrotplads. Når kranen skal slippe bilen igen, slukker man blot for strømmen. På samme måde kan man sortere jern og stål fra alt det andet i en bunke affald. Man fører en kraftig elektromagnet hen over affaldet, hvorved alt jern, stål og nikkel vil sætte sig på magneten.

Hvordan fungerer en elektromagnet?
Man forestiller sig, at der i et stykke jern er en hel masse småmagneter. Disse småmagneter ligger i et stort rod og peger i alle retninger. Derfor er et stykke jern ikke magnetisk. Hvis man vikler en ledning rundt om jernet og sætter jævnstrøm til, vil ledningens magnetfelt rette alle småmagneterne op, så de peger i samme retning. Derfor er jernet nu blevet en stærk magnet. Når man så slukker for strømmen igen, vil småmagneterne straks rode sig sammen igen.

Jern ikke stål
Stål består næsten udelukkende af jern. Stål er jern, der har fået tilsat 1–2 % kulstof (carbon) for at gøre det hårdt. Hvis stål bliver magnetiseret, vil det beholde magnetismen selv om strømmen slukkes. Derfor bruger man rent jern i elektromagneter.
Vekselstrømsgeneratoren
Induktion
Forsøg: Eftervise hvilke grundstoffer en magnet kan tiltrække
Forsøg: Hvis magnetfeltet omkring en stangmagnet
Jordens magnetfelt
Forsøg: fremstil en magnet

Hertil kommer så et tydeligt men uforklarligt sammenfald mellem på den ene side Jordens magnetiske styrkevariation, og på den anden side Jordens globale temperaturvariation. Den magnetiske kurve følger langsomt (tungt) temperaturkurven. Dette sammenfald ses tydeligt på en kurve, der strækker sig navnlig over de sidste 100.000 år. Heller ikke dette er det indtil nu lykkedes at sammenkæde på en måde, der giver mening. Dog er det nævneværdigt, at ny dansk forskning (ledet af den danske forsker Henrik Svensmark) viser, at solvindens intensitet med god ret kan mistænkes for at være årsag til den globale temperaturvariation. Samtidig ved vi, at solvinden (solstorme) også periodevis har potentialet til at øge Jordens magnetiske styrke. Dog har disse magnetiske ’bidrag’ (i det korte tidsrum, satellitmålinger har fundet sted) ikke været af permanent karakter. Ud over solvindens intensitetsvariation er der så langt ingen andre tænkelige årsager, der blot hypotetisk har kunnet sandsynliggøre årsagen til dette hidtil uforståelige sammenfald. Vi står derfor samlet set over for et noget kaotisk og usammenhængende årsag-virkning-billede.

DTU Space står i spidsen for et internationalt samarbejde omkring satellit-missionen Swarm. Dette er en konstellation af 3 satellitter, som det europæiske rumagentur, ESA, opsender i 2009. Det sker for at få et præcist billede over magnetfeltet, fordi man derved bedre kan skille bidragene fra kilderne (geodynamoen, skorpen, magnetosfæren og ionosfæren) fra hinanden. Det kan man gøre, hvis man måler magnetfeltet samtidigt fra flere forskellige steder i rummet med en ”sværm” (swarm) af satellitter. Undersøgelser har vist, at det optimale resultat opnås med en konstellation af tre satellitter. To af dem (Swarm A og B) skal flyve ved siden af hinanden med en afstand på mindre end 150 km, mens den tredje satellit (Swarm C) skal flyve i en højere bane.
Det sidste nye på hele denne front er, at de bevægelser, man mener sker i Jordens indre, ser ud til at ske langt hurtigere end hidtil antaget. Dette bygger på data fra 9 års målinger fra HC Ørsted satellitten, som viser at forholdsvis store lokale områders magnetfelts variation sker forbavsende hurtigt.
Ørsteds satteliten
Ørsted-satellitten er den første danske satellit. Den er på størrelse med en ølkasse og vejer kun 62 kg. Ørsted skal måle jordens magnetfelt så nøjagtigt som aldrig før. Ørsted er sendt op med en amerikansk raket. Det har ikke kostet danskerne noget. Amerikanerne får til gengæld adgang til satellittens målinger.
Forsøg: Byg din egen elektromagnet
Forsøg: Forklar gribereglen
Vekselspændning
Transformation

Hvorfor opstår induktionsstrømmen?
Induktionsstrømmen opstår, fordi magnetens magnetfelt påvirker elektronerne i ledningerne. Elektronerne er i sig selv en slags små magneter, der i metaller har mulighed for at bevæge sig og dermed skabe en strøm.

Induktionsstrømmen ændrede hele samfundet
Med opdagelsen af induktionsstrømmen ændrede hele samfundet sig. Nu havde man mulighed for at få elektrisk lys og strøm ud til alle husstande og fabrikker. Men det er ikke kun, når man producerer strøm, at man anvender induktion. Induktion bruges i stort set alle elektriske apparater, fx telefoner, fjernsyn, computere, musikafspillere, støvsugere osv.

Induktion kan ændre spændingen
Det er også induktion, der anvendes, når spændingen fra husets stikkontakter skal tilpasses et apparat, der skal bruge en anden spænding. Fx kan en mobiltelefon kun tåle en spænding på ca. 3,6 volt, mens der kommer 230 volt ud af stikkontakten. Apparatet, der ændrer spændingen, kaldes en transformator. Det er den tunge del af opladeren til mobilen.
Når man sender strøm igennem en spole, opstår der et magnetfelt i spolen. Men når man bevæger en magnet i en spole, frembringes der omvendt strøm i spolen. Strømmen kaldes for induktionsstrøm. Det var den engelske fysiker Michael Faraday (1791-1867), der i 1831 opdagede induktionsstrømmen. Han fandt ud af, at hvis et magnetfelt skifter i en spole, så vil der opstå en strøm i spolen. Magneten skiftevis ”skubber” og ”trækker” elektronerne frem og tilbage i spolens ledninger.

Vekselstrøm
Induktionsstrøm kan frembringes ved at bevæge en stangmagnet op og ned i en spole. Derved bevæger strømmen i spolen sig frem og tilbage i ledningerne. Denne type strøm, hvor strømmen løber frem og tilbage, kaldes vekselstrøm. Jævnstrøm løber altid kun en vej.Det viste sig, at jo flere vindinger spolen havde, desto mere strøm (og højere spænding) kunne man producere. Man fandt også ud af, at jo hurtigere magneten bevæger sig, desto mere strøm blev der produceret. Og jo kraftigere en magnet, man brugte, desto mere strøm kunne man producere. Det er lettere, hvis magneten drejer rundt. Med meget enkle midler er man dermed i stand til at producere store mængder strøm. Rent praktisk er det meget besværligt at få en stangmagnet til at bevæge sig op og ned. I stedet lader man magneten dreje rundt, så magnetens nord- og sydpol skiftevis er tættest på spolen.
Induktion
En spole danner et magnetfelt, hvis man sender strøm igennem. Omvendt vil en magnet, der bevæges i en spole, frembringe en strøm. Denne proces kaldes induktion. Induktion kan bruges til at producere store mængder strøm.

En magnet der drejer
Induktionsstrøm opstår, når et magnetfelt skifter i en spole med jernkerne. Rent praktisk sker det ofte ved at lade en magnet dreje ganske tæt på en spole med en jernkerne. Omvendt kan man også lade en spole dreje rundt i nærheden af en magnet.

Masser af strøm
Det er energien i bevægelsen, der omdannes til elektrisk energi. Der er imidlertid mange forskellige metoder til at få magneten til at dreje rundt. En af de enkleste måder er at koble magneten til en vindmølle eller vandmølle, så møllens rotation får magneten til at dreje. På den måde kan man omsætte den bevægelsesenergi, der er i vinden og vandet, til elektricitet.

Generatoren
En maskine, der producerer strøm, kaldes for en generator. Generatorer findes i mange udformninger, men princippet er altid det samme: Man skal have en magnet til at dreje rundt i nærheden af en spole eller omvendt have spolen til at dreje i et magnetfelt. En generator findes lige fra en lille bærbar model, der kører på benzin, til enorme dampdrevne anlæg, der producerer strøm til hele byer.

Vekselstrøm
Det skiftende magnetfelt bevirker, at strømmen fra en generator først løber den ene vej og derefter den anden vej. Denne type strøm kaldes for vekselstrøm i modsætning til strøm fra et batteri, der kun løber den ene vej, og kaldes for jævnstrøm.

Hastighed
Spændingen, der induceres i generatoren, er afhængig af antallet af vindinger på spolen, af magnetens styrke og af den hastighed, hvormed magneten drejer. I Danmark og resten af Europa drejer magneten 50 omgange i sekundet, hvilket svarer til 50 Hz (hertz). I USA benytter man derimod 60 Hz. Antallet af omgange kaldes også frekvensen. Frekvensen af vekselstrømmen er altså 50 Hz.

Flere spoler
For at opnå højere spænding anbringer mange elværker tre spoler omkring magneten. Derfor kaldes strømmen herfra for ”trefaset vekselstrøm”. Den trefasede vekselstrøm giver mulighed for både 230 V og 400 V.
Baggrund
Transformatoren er et fast element i næsten al den elektronik, som vi bruger i dagligdagen. Det er meget vigtigt, at man bruger den rigtige transformator til fx en computer. Bruger man en transformator med for høj spænding, risikerer man at ødelægge den dyre computer. Læs derfor altid på transformatoren/opladeren, hvilket output den har, og sammenlign med de oplysninger, der står på det apparat, som du vil sætte den til (ofte passer stikket kun til det rigtige apparat).

Hvis man har de rigtige oplysninger, kan man regne ud, hvor meget output der kommer fra en transformator.

Husk, at der aldrig kan komme flere watt ud, end der kommer ind.

P står for primærspolen.
S står for sekundærspolen.
U står for Spænding m(V).
Up står for spændingen på primærspolen.
Us Står for spændingen på sekundærspolen.
I står for strømstyrke (A).
Ip står for strømstyrken på primærspolen.
Is Står for strømstyrken på sekundærspolen.

Up x Ip = Us x Is

Sådan gør I
Udfyld selv skemaet, (udleveret at Julie eller Thomas) .
Det ses at som tiden forløber vil spændingen stige i én retning (+) til den når et maksimum (spidsværdien), hvorefter spændingen falder, bliver nul og dernæst når samme maksimalværdi i modsat retning (-) osv. Vekselspændingen danner en karakteristisk sinuskurve.
Fordi vekselspændingen reelt altid varierer mellem nul og en spidsværdi er det ikke selvfølgeligt hvordan man angiver dens størrelse.
Man har vedtaget at angive vekselspændingens størrelse som værdien af den tilsvarende konstante jævnspænding der giver samme effekt (varme) i en elektrisk modstand.
Denne værdi kaldes også vekselspændingens "effektivværdi" (eller "RMS-værdi"). Spidsværdien er ca. 1,41 gange højere end effektivværdien.

Normalt nævner man ikke ordet "effektivværdi", men man siger blot at spændingen fx er "230 volt". I det tilfælde er vekselspændingens spidsværdi i øvrigt ca. 325 volt (dvs. √2 * 230 volt).
I det elektriske forsyningsnet forbindes den ene af generatorens ledninger normalt til en metalplade eller et metalspyd som anbringes i jorden.
Det medfører at spændingen mellem denne ledning og jorden er 0 volt. Den ledning betegnes simpelhen "nul" (eller "nullen", "nullederen", "nulledningen").

At nullen er jordforbundet har bl.a. den fordel at mennesker ikke kan få stød ved at røre denne ledning.
Generatorens anden ledning giver derimod stød når spændingen er høj nok. Denne ledning kaldes "fase" (eller "fasen", "faseleder", "faseledning").
Det bemærkes altså at denne generatortype kun har 1 fase.
Den mest simple elektriske generator laver en 1-faset vekselspænding. Der kræves fx blot en magnet der roterer nær en elektrisk spole:

I praksis er generatorer opbygget væsentligt
mere kompliceret for at få mest mulig
elektricitet produceret ud fra den mekaniske
energi der driver generatoren.
Hvis magneten roteres, ses at nordpolen (og sydpolen) skiftevis nærmer sig og fjerner sig fra spolen. Jf. elektromagnetismens love skabes herved en elektrisk spænding i vekslende styrke og retning . Heraf navnet "vekselspænding".
Spændingen måles mellem de to ledninger fra generatorens spole. Når magnetens rotationshastighed er konstant, vil spændingen mellem ledningerne kunne afbildes på denne måde:

En transformator kan transformere vekselstrøm, dvs. sætte spændingen op eller ned. Derved får man mulighed for at transportere strøm over lange afstande eller fx lade mobiltelefonen op i stikkontakten.

Effekttab i lange ledninger
Når man skal transportere strøm over lange afstande, fx fra el-værket og hjem til forbrugerne, støder man ind i det problem, at der er meget stor modstand i de lange ledninger. Dermed mister man en stor mængde energi i form af varme, dvs. effekttab.

Vekselstrøm kan transformeres
Her har vekselstrøm en stor fordel frem for jævnstrøm. Vekselstrøm kan nemlig transformeres, dvs. laves om. Det betyder, at man kan sætte spændingen op eller ned, alt efter hvad man har brug for. Når strømmen skal transporteres over lange afstande, sætter man spændingen op til fx 400.000 V, hvorved man undgår at miste så meget energi.

Ikke en evig energikilde
Man får let den tanke, at man jo så bare kan lave så meget energi, som man vil med en transformator, men den går naturligvis ikke. Hvis man fx fordobler spændingen (V), halverer man strømstyrken (A). Det betyder, at effekten (W) – energien pr. sekund – man får ud, altid er den samme, som man kom ind.

Effekt (watt) = Spænding (volt) x Strømstyrke (ampere).


Hvad er en transformator?

En transformator består af en lukket jernkerne med to spoler. Spolen, hvor strømmen kommer ind, kaldes primærspolen (p). Den anden spole, hvor strømmen kommer ud, kaldes sekundærspolen (s). Hvis der er flere vindinger på primærspolen end på sekundærspolen, sættes spændingen (V) ned, mens strømstyrken (A) sættes op. Omvendt, hvis der er færre vindinger på primærspolen end på sekundærspolen, sættes spændingen op, mens strømstyrken sættes ned.

Hvordan fungerer en transformator?

Ved primærspolen bliver jernkernen til en elektromagnet, der hele tiden skifter poler (100 gange i sekundet). Det skiftende magnetfelt inducerer en strøm i sekundærspolen. Der løber altså ikke strøm igennem jernkernen.

Et regneeksempel

Primærspole: 200 vindinger.
Sekundærspole: 400 vindinger.
Spænding: 6 Volt.
Strømstyrke: 2 Ampere.




Her vil spændingen blive 12 Volt – altså fordobles, mens strømstyrken vil være 1 Ampere – altså halveres.

Ind: 6 V x 2 A = 12 W

Ud: 12 V x 1 A = 12 W.

Endnu et regneeksempel
Primærspole: 1000 vindinger.
Sekundærspole: 200 vindinger.
Spænding: 10 Volt.
Strømstyrke: 2 Ampere.

Her vil spændingen blive 10 divideret med 5 - altså 2 Volt, mens strømstyrken vil være 5 gange 2 Ampere - altså 10 Ampere.

Ind: 10 V x 2 A = 20 W

Ud: 2 V x 10 A = 20 W.

I virkeligheden mistes effekt
I regneeksemplerne kan man se, at der altid kommer lige så mange watt ud, som der kommer ind. I virkeligheden kommer der færre watt ud, end der kommer ind. En del af energien afsættes i transformatoren som varme. Prøv selv at mærke efter på opladeren, næste gang mobilen skal lades op. Den bliver nemlig varm.
Jordens magnetfelt beskytter os mod elektrisk ladede partikler fra rummet.
Hvis jorden ikke var omgivet af et magnetfelt, ville partikelstråling fra
rummet og solen bombardere os.

Jordens magnetiske poler bytter plads (magnetisk reversering eller polskifte)
med et tidsmæssigt interval på nogle hundrede tusinde år. Sidst det skete var
for 720.000 år siden, hvilket dog er en forholdsvis lang periode set i forhold
til dem, der indtraf tidligere, og som ofte har ligget på intervaller på cirka
200.000 år. Når dette sker, kan man opleve nord- og sydlys overalt på kloden,
afhængigt af hvor de magnetiske poler befinder sig. Man regner med, at en
magnetisk reversering sker (fra begyndelse indtil den er fuldført) på omkring
1000 år. De magnetiske polers hastige bevægelse sammenholdt med
magnetfeltets hurtige svækkelse netop i disse år har fået en del forskere til at
spekulere på, om en magnetisk reversering er nært forestående, og at en
sådan måske vil finde sted i løbet af 100 til 1.200 år. Men ikke alle forskere er
enige. Jordens magnetiske poler har altid bevæget sig, og styrken har altid
varieret, uden at en magnetisk reversering altid har været resultatet.
Magnetisk reversering sker i perioder, hvor Jordens magnetfelt er meget svagt, hvilket vil sige kun nogle få procent af middelstyrken. I disse perioder vil uv-, beta-, alpha- og gamma-stråler lettere trænge igennem magnetosfæren. Dette vil medføre, at hyppigheden af kræft vil være stigende. Årsagen til en magnetisk reversering eller polernes (feltets) bevægelse er ukendt og spekulationerne mange. I øvrigt er kendetegnene for en magnetisk svag periode også, at der opstår 2 magnetiske nord- og sydpoler, og noget tyder ligefrem på, at der kan opstå 4 af hver slags. Man kan sige, at Jordens magnetfelt gennemgår perioder, hvor det nærmest helt opløses/udviskes. Årsagen til dette er også ukendt. Der arbejdes i disse år heftigt på at forstå de mange uforståede sammenhænge herunder også årsagen til den store magnetosfære anomali (den sydatlantiske anomali) og årsagen til de mange skorpe anomalier fx en af Jordens største, der befinder sig i det centrale Afrika.
Forsøg: Eftervis Jordens magnetfelt ved hjælp af en magnetnål og forklar begrebet misvisning
Forsøg: Lav din egen induktionstrøm, forklar hvilke parameter er vigtige for at opnå størst mulig strøm
Forsøg: Byg din egen vekselstrømsgenerator
Forsøg: Forklaring af en cinuskurve på oxyloskopet
Forsøg: Byg din egen transformer
Full transcript