Elektrisitet for ungdomsskolen -Eksperimenter, tema for diskusjon (og forklaringsmodeller?) Roy Even Aune Vitensenteret i Trondheim royeven@viten.ntnu.no Noen lysark er lånt fra Berit Bungum
Læreplanmål Kompetansemål i naturfag etter 10. trinn Fenomener og stoffer. Mål for opplæringen er at eleven skal kunne bruke begrepene strøm, spenning, resistans, effekt og induksjon til å forklare resultater fra forsøk med strømkretser gjøre forsøk og enkle beregninger med arbeid, energi og effekt (forklare hvordan vi kan produsere elektrisk energi fra fornybare og ikkefornybare energikilder, og diskutere hvilke miljøeffekter som følger med ulike måter å produsere energi på)
Program Elevers (mis)forståelse av elektrisitet Enkle demonstrasjoner for å illustrere grunnbegrepene strøm, spenning (og energi/effekt?) Demonstrasjoner for å skape diskusjon i klasserommet Demonstrasjoner for dypere forståelse av serie- og parallellkoblinger i lys av begreper
Elevers forståelse av elektrisitet http://www.udir.no/pagefiles/veiledninger/ Naturfag/Artikler%203/2/ Elevers_forstaaelse_av_elkretser.pdf
Begreper: Spenning og strøm
Elektrisitet Spenning [Volt] Et mål på den kraften som «dytter» elektronene. Elektronene får energi fra spenningskilden (batteriet). Spenningen sier noe om hvor mye energi hver ladning får. Resistans [Ohm] Det som «holder igjen» strømmen. Høy resistans gir lite strøm Strøm [Ampere] Desto flere elektroner, desto større strøm. Elektronene transporterer energi Figuren illustrerer kvalitativt hva strøm, spenning og resistans er, og illustrerer kvalitative egenskaper med Ohms lov. Tegningen kan med fordel kombineres med tauanalogien
Elektrisk energikjede Strømretning Elektrisk felt Batteriet gir elektronene energi slik at de beveger seg. Obs: Strømretning er ikke det samme som den retningen elektronene beveger seg
Energikjede Spenning: Hvor mye energi hvert elektron/bil transporterer Strøm: Hvor mange elektroner/biler som går Energien er avhengig av både strøm og spenning Effekt: energi levert pr. sekund (antall biler pr. sekund multiplisert med størrelsen på lasset) Dette kalles ofte "supermarkedanalogien" hvor lastebiler frakter last (energi) fra en "produsent" til en "forbruker", leverer fra seg lasten (energien) og kjører tomme tilbake igjen for påfyll
+ + + + + Elektrisk felt Elektronstrøm Strømretning
Tema for diskusjon -Induksjon -Magnetisk kraft -Elektrisk kraft -Elektromagnetisk kraft Bruke kjente begreper til å beskrive ukjente problemstillinger/fenomener
Ørsteds eksperiment -Kraft -Energi -Strøm -Felt (fjernkraft) Strømmen gjennom ledningen skaper et magnetisk felt!
Elektromagnetisk kraft http://www.youtube.com/watch?v=xrys00ki5ms&t=0m15s
Magneter i fritt fall? https://www.youtube.com/watch?v=kempuaoa3tg
Sveivegenerator http://sikt.mamutweb.com/shop/product/energikonvertering-eksperimentsett/1199 Disse er fantastiske! Det er laget et hefte på ca. 40 sider med forsøk å gjennomføre med sveivegeneratorer.
Serie- og parallellkobling - Hvordan kan vi kople? - Hva skjer med lysstyrken?
Seriekopling: Hva skjer med lysstyrken når to lyspærer kobles i serie? Begge lyser svakere fordi: Seriekobling av to (like) lyspærer vil doble resistansen i kretsen. Strømmen vil bli halvert Pærene må dele på spenningen, så hver pære de får bare halvparten av energien fra hver ladning Både strømmen og spenningen halveres, så hver pære mottar en fjerdedel av den energien en pære som er alene vil motta
Parallellkopling Hva skjer med lysstyrken når to lyspærer kobles i parallell? Pærene lyser like sterkt fordi: Spenningen over lyspærene er den samme Det går like stor strøm gjennom begge lyspærene som om de var alene, siden spenning og resistans er den samme. (Batteriet leverer mer energi pr tid og blir fortere oppbrukt!)
Sikring? Hvorfor det? Dette forsøket kan man enkelt gjøre for å demonstrere hva en sikring er. Bruk ikke batterier, men en DC spenningsforsyning. Som sikring kan man bruke noen "strå" fra en pakke med stålull. Jo flere pærer vi kobler til, jo større strøm går gjennom sikringen. Når strømmen blir for stor brenner sikringen av. Jeg opplevde at 6.5 Volt spenning, 4 strå fra en pakke stålull, og 3,5-volts lyspærer fungerte bra til denne demonstrasjonen.
Prøv gjerne dette forsøket! Pass på å bruk tre like pærer! Koble først to lyspærer i serie. Koble deretter inn én ekstra lære i parallell med én av de to første. Hva skjer og hvorfor?
Sekvenstenkning: «Kretsen betraktes sekvensielt, hva som skjer ett sted i kretsen har betydning for komponenter senere i kretsen, men ikke dem foran.» - Vi må betrakte hele kretsen som en helhet! - Rekkefølge har ingen betydning - Strømmen i kretsen avhenger av total resistans (motstand) i hele kretsen I forrige bilde la vi til en ekstra pære. Mange tenker at da vil den pæren som kalles A være uendret ettersom vi ikke gjør noe med den. Dette er feil! Vi endrer på én ting i kretsen, og da endrer vi samtidig på hele kretsen. Resistansen i kretsen blir mindre etter at vi har lagt inn den ekstra pæren (se neste lysbilde) slik at strømmen gjennom A blir større etter å ha lagt til pære C. A lyser derfor kraftigere. B må dele sin strøm med C, og både B og C vil lyse svakt (kanskje så svakt at det ikke engang er synlig?). B og C vil også få mindre spenning enn da B sto alene, som også bidrar til at B og C lyser svakt.
Parallellkopling gir mindre resistans! Når vi på endrer noe i kretsen endrer vi resistansen i hele kretsen, dermed endres strømmen i hele kretsen. Vi endrer også hvordan spenningen fordeler seg.