Informasjon til lærer

Transkript

1 Lærer, utfyllende informasjon Fornybare energikilder Det er egne elevark til for- og etterarbeidet. Her får du utfyllende informasjon om: Sentrale begreper som benyttes i programmet. Etterarbeid. Informasjon til lærer Sentrale begreper i Fornybare energikilder Fordampningsvarme Å varme vann opp krever ganske mye energi. Innenfor det som er relevante temperaturer for kroppen vår er det snakk om ca 4,2 Joule pr gram. Å fordampe ett gram vann krever derimot 2260J, så når vi svetter, og svetten fordamper fra kroppen vår, forsvinner det veldig mye varme ut i produksjon av vanndamp. Trykk og temperatur Volum, trykk og temperatur står i et forhold til en annen. Minsker du volumet, øker trykket og temperaturen. Tilstandsligningen beskriver denne relasjonen: P 1V 1 T 1 = P 2V 2 T 2 Dette betyr at hvis du kjenner tilstanden før du endrer tilstanden, vil du kunne regne ut forholdet etter også. Når volumet minsker, trykket øker, vil også temperaturen øke. Hvis trykket heves så høyt at gassen begynner å kondensere, får en tilbake fordampningsvarmen i tillegg til den før nevnte temperaturøkningen. Termodynamikkens første lov sier at varme brer seg fra det varmeste mot det kaldeste området. Det er en ganske intuitiv lov som det er enkelt å forholde seg til. Induksjon Når en leder beveger seg i et magnetfelt dannes det strøm i lederen hvis kretsen er sluttet. Den strømmen som dannes skaper et magnetfelt rundt lederen som skaper en kraft i motsatt retning. Dette gjør at det blir tungt å presse lederen gjennom magnetfeltet siden strømmen som dannes i den motsetter seg bevegelsen. I en generator er det mange ledere som beveges gjennom et ganske sterkt magnetfelt. Dette gjør at vi får en sammenheng mellom hvor tungt det er å dreie rundt generatoren og hvor mye strøm den leverer. Strøm Kraft Side 1

2 Silisium - det "magiske" grunnstoffet Førsteårselever får ikke noe om silisium. Silisium er et grunnstoff som har mange ulike bruksområder. Det finnes blant annet i glass, betong, som tilsetningsstoff i stål, elektronikk (transistorer og databrikker) og solceller. Omtrent en fjerdedel av alt stoff på jordkloden er silisium. En av grunnene til at silisium har så mange interessante egenskaper er at dette grunnstoffet befinner seg i gruppe 4 i periodesystemet (rett under karbon, som også er i gruppe 4). Det betyr at hvert atom har fire "armer", eller mangler fire elektroner for å få oppfylt oktettregelen 1. Diamanter er karbonatomer som binder seg med enkeltbindinger til naboatomene i en krystallstruktur. På samme måte kan silisiumatomene lage krystaller og disse kan brukes til å skape spesielle effekter som kan utnyttes i elektronikkindustrien. Silisium er et halvmetall (eller halvleder). Det betyr at stoffet i noen situasjoner kan lede strøm, mens det i andre situasjoner fungerer som en isolator. Når silisium opptrer i en ren krystall er alle elektronene bundet fast i elektronparbindingen til naboatomet. Ingen av elektronene kan bevege seg og dermed kan det ikke gå elektrisk strøm gjennom stoffet. Når stoffet har denne tilstanden fungerer det som en isolator (dette representerer tallet 0 på dataspråket). Man kan imidlertid skape en situasjon der et elektron rives ut av en slik binding. Da oppstår det et hull (der hvor elektronet tidligere var). Silisium med huller kalles "P-type" silisium (fordi hullet er en Positiv ladningsbærer). Tilsvarende kan man skape en situasjon der et ekstra elektron ligger løst mellom de andre bindingene. Silisium med ekstra elektroner kalles "Ntype" silisium (fordi elektronet er en Negativ ladningsbærer). Siden både hullene og de løse elektronene kan bevege seg vil silisium i denne tilstanden fungere som en elektrisk leder (dette representerer tallet 1 på dataspråket). Det er hovedsaklig to måter disse hullene og ekstra elektronene kan oppstå på. Doping Man kan erstatte noen få av silisiumatomene med et grunnstoff fra gruppe 3 som bare har 3 elektroner i ytterste skall (f.eks. bor). Da får vi huller i strukturen og dermed P-type silisium. Tilsvarende kan man erstatte noen få av silisiumatomene med et grunnstoff fra gruppe 5 som har 5 elektroner i ytterste skall (f.eks. fosfor). Dermed får man et ekstra elektron i strukturen og har dermed laget et N-type silisium. P-type N-type 1 Atomene prøver å få 8 elektroner i ytterste skall for å bli mest mulig stabile. Side 2

3 Elektronhopp Lyspartikler (fotoner) slår løs et elektron slik at det hopper opp i et høyere elektronskall. Dermed får du et elektron-hull-par (et hull i nederste "etasje" og et ekstra elektron i øverste "etasje"). Denne effekten benyttes blant annet i en fotocelle. Desto mer lys som treffer cellen, desto flere elektron-hull-par dannes og desto mer strøm leder silisiumet. Denne strømmen kan representere et signal som for eksempel får gatelysene til å slå seg av. Solceller Mellom P-dopet og N-dopet silisium vil det danne seg et elektrisk felt fordi noen av de løse elektronene vil fylle de ledige hullene på grunn av oktettregelen 1. Det blir altså en ubalanse fordi ladningene ligger litt skjevt. Dersom lys treffer silisium i dette feltet (mellom P og N-typene) dannes det elektron-hull-par. Da vil elektronene bevege seg mot N-siden og hullene mot P-siden. Vi får dermed en kontinuerlig strøm av elektroner som kan brukes til å drive en elektrisk krets. På denne måten kan man utnytte energien i sollyset direkte ved å gjøre det om til elektrisk energi. Etterarbeid Lag en stor solovn En parabel med reflekterende overflate har den egenskap at den konsentrerer sollyset i et brennpunkt om den rettes mot solen. Tilsvarende skjer med signalet fra en satellitt eller andre fjerntliggende kilder. Dere skal lage en solovn som griller en pølse. Bruk cm som enhet på aksene. Avhengig av elevenes ferdigheter kan du gi dem formelen eller be dem om å regne den ut etter kriteriene. Se metode for å beregne det i slutten av dokumentet. Bruk formelen: y = 1 40 x2 Tegn opp aksene og parabelen på et A3 millimeterpapir. Marker brennpunktet i punktet (0, 10) og klipp arket av langs parabelen. Side 3

4 Finn fire biter med papp som hver er på minimum 25 x 40 cm og overfør parabelen til disse. Marker også brennpunktet i (0,10) To av pappflakene klippes ut og limes oppå de som er hele. Klipp til en bit på ca 17 cm x 50 cm med kartong. Denne skal bli kledd med aluminiumsfolie og bli reflektoren i ovnen. Se til at folien ligger mest mulig slett på overflaten. Resultatet blir OK om aluminiumsfolien limes fast til den allerede når den ligger flatt. Den rynker seg når kartongen bøyes, men ikke mer enn at det går. I denne billedserien er dette gjort på et seinere tidspunkt, noe som gjorde prosessen litt vanskeligere. Bruk limstift og rull folien ut over kartongen. Lim kartongen fast til pappsidene av solovnen som du har laget. Her er limpistol velegnet. Se til at den følger parabelen godt. Side 4

5 Tre pølsen på et grillspyd og la den befinne seg i brennpunktet til parabelen. La grillspydet stikke godt ut på hver side. Du sikter inn ovnen ved å se til at skyggen fra grillspydet er parallell med Y-aksen i parabelen. Rett ovnen opp slik at solen bare sneier langs med pappen. Hvis du har vært nøyaktig nok i hele prosessen, vil pølsen raskt bli varmet opp av solen. Pølsen opplever da en effekt på over 80 W en god solskinnsdag. Jeg er redd min ovn på bildet under har for mye bukler på folien til at den gir særlig høy effekt, og et gjennomgående grillspyd vil være langt bedre enn to spikre som på neste bilde. Side 5

6 En mulig videreutvikling kan være at solovnene til hele klassen settes på rekke og rad, og et langt rør tres gjennom brennpunktene. Da vil en kunne helle vann gjennom røret, og få det oppvarmet av solen. NB røret må ikke ha blank overflate, for da tar det ikke opp varmen så godt. Sortlakkert kobberrør vil fungere best. Det ferdige produktet. Som det fremgår av bildet har jeg ikke vært helt heldig med reflektoren, så her er det et forbedringspotensial. Teoretisk grunnlag for formen til solovnen Generell formel for parabel: f(x) = ax 2 + bx + c og formelen for den deriverte blir: f (x) = 2ax + b Ved å velge en liten a, vil parabelen bli bredere og få brennpunktet høyere opp på y-aksen. Leddet bx bidrar bare til å vippe parabelen slik at y aksen ikke lenger står midt i den. Vi setter b = 0. Faktoren c hever og senker parabelen langs y aksen og er ikke til hjelp for oss. Vi setter c = 0. Side 6

7 Vi finner brennpunktet lettest ved å bruke den deriverte. f (x) = 2ax Denne formelen gir stigningen til parabelen i punktet (x, f(x)). Brennpunktet ligger på y- aksen. Hvis vi finner det stedet der stigningen er 45 grader, vil brennpunktet ligge på samme høyde fordi den innkommende strålen fra solen da vil reflekteres 90 grader rett til siden. Se figur under. Innkommende lysstråle Reflektert lysstråle mot brennpunkt Del av parabel 45 graders helning er det samme som stigning = 1. da får vi at 2ax = 1 Vi anbefaler å ha en bredde på minimum 40 cm. Desto større bredde, desto mer sollys fanges inn og konsentreres. Følgende tegning og matematiske formler kan brukes direkte eller du kan gi elevene kunnskaper og designkriterier og la dem finne fram til det selv. Hvis ovnen skal ha en åpning på 40 cm, må, ved å ha 1 cm enhet på aksene, f(-20) og f(20) være ytterkantene av parabelen vi skal finne. Av konstruksjonsmessige årsaker er det praktisk at disse punktene ligger på høyde med brennpunktet. Vi tilpasser derfor verdien til a slik at stigningen i dette punktet = 1. Den deriverte representerer stigningen til parabelen, og vi regner derfor ut Noe som gir oss en verdi for a f (20) = 2a 20 = 1 a = 1 40 Den endelige formelen blir da: f(x) = 1 40 x2 Brennpunktet kommer da i punktet (0,f(20)) = (0,10) Side 7