ELEKTRISITET - Sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans Lene Dypvik NN Øyvind Nilsen Naturfag 1 Høgskolen i Bodø 18.01.02.2008 Revidert av Lene, Øyvind og NN
Innledning Dette forsøket handler om å undersøke sammenhengen mellom strøm, spenning og resistans. Dette skal gjøres ved å sette opp en enkel strømkrets og gjøre målinger og beregninger. Forsøket egner seg bra å utføre på tiende trinn i grunnskolen. I kunnskapsløftet står følgende for etter tiende trinn: Elevene skal kunne forklare resultater fra forsøk med strømskretser ved bruk av begrepene strøm, spenning, resistans, effekt og induksjon. (LK06) Aktiviteten er hentet fra undervisning om elektrisitet på lærerutdanningen ved HIBO, naturfag 1 18\1-2008. Teori Elektrisk ladning er et grunnleggende begrep når vi snakker om elektrisitet. Det finness to typer ladning, positiv og negativ. Kreftene mellom ladde gjenstander kaller vi elektriske krefter. Gjenstander som har samme ladning frastøter hverandre, mens gjenstander med ulik ladning tiltrekker hverandre. Når vi snakker om gjenstander så er disse gjenstandene bygd opp av atomer. Disse atomene kan ha ulike ladninger avhengig av forholdet mellom elektroner og protoner. En gjenstand som er negativt ladd, har overskudd av elektroner En gjenstand som er positivt ladd, har underskudd av elektroner (Callin, C 1997 s. 194) Elektrisk ladning har symbolet Q og enheten er coulomb, C. Elektrisk strøm kan man forklare ved å se for seg strømmende vann i en elv der vannet er ladde partikler som transporteres. Vi måler strøm, I, ved å se hvor mye ladning som passerer per tid. Enheten for strøm er ampere, A. Strømmens retning defineres fra positiv til negativ pol. I midlertidig vil elektronene bevege seg fra negativ til positiv pol i en krets. Det er en elektrisk kraft som får ladningen til å strømme gjennom en ledning. Denne kraften kaller vi spenningen og den får elektronene til å bevege seg i samme retning. Vi setter kraft i anførselstegn, fordi det er uheldig å kalle spenning en kraft. Spenningen, U, defineres som det arbeidet, W, som denne kraften gjør per ladning, Q. Enheten for spenning er volt, V. Et batteri kan være et eksempel på en spenningskilde som setter fart på elektronene. Når vi skal måle strøm og spenning kan vi bruke ampermeter og voltmeter. Når man måler strøm kobler vi amperemeteret i serie med komponenten vår. Skal man måle spenning kobler man voltmeteret i parallell med komponenten.
Motstanden som strømmen møter på kalles resistans. Elektronene kolliderer og mister energi som de må tilføres på nytt fra spenningskilden. Resistansen varierer fra ulike stoffer. For eksempel vil tynne og lange ledere gir større resistans enn tykke og korte. Legger vi spenning over en komponent er det resistansen i komponenten som bestemmer hvor stor strømmen blir. (Callin, C 1997 s. 201) Forholdet mellom resistans, strøm og spenning utrykkes slik: Enheten for resistans er ohm, Ω. Oppkalt etter Georg Simon Ohm. Han gjorde også noen interessante observasjoner som vi i dag refererer til som Ohms lov. Han fant ut at spenningen over en metallisk leder ved konstant temperatur er proporsjonal til strømmen gjennom den. U = R I. Dobler vi spenningen dobler vi også strømmen. Materiell og metode Utstyr Utstyret som burde være tilgjengelig for elevene under gjennomføringen av aktiviteten. Strømforsyning, 1-12 V En motstand med hemmelig antall Ω Lyspærer og pæreholdere Ledninger Batterier 4,5 V Div voltmetre, amperemetre og multimetre Dette er mer eller mindre ganske standard utstyr og man må ikke ha alt for å gjennomføre aktiviteten. Men det kan være viktig å ha et godt utvalg siden denne aktiviteten legger opp til at elevene selv skal prøve å lage en krets for å løse oppgaven på. Framgangsmåte Hver gruppe skal utforme et forsøk der hensikten er å undersøke sammenhengen mellom strøm, spenning og resistans. I resultatet skal det være minst en beregning av resistans. Hver gruppe starter med å lage en skriftlig plan for sitt forsøk som skal godkjennes av lærer før gruppen hiver seg i gang. Planen må inneholde følgende informasjon:
Utstyr som skal brukes Framgangsmåte (Hva skal måles, inkludert et koblingsskjema) Plan for hvordan resultatene skal bearbeides. (hvilke beregninger skal gjøres?) I Figur 1 ser vi koblingsskjemaet vår gruppe ble enige om. I Figur 1: Koblingsskjema. Tegnet av Øyvind Nilsen figur 2 ser vi et bilde som viser hvordan vi målte spenningen over motstanden vår. Figur 3 viser hvordan vi målte strømmen ved å seriekoble amperemeteret i kretsen. Figur 4 viser ett samlet bilde av utstyret vi brukte. Vi ble enige på gruppa om å måle strøm og spenning tre ganger i samme strømkrets. Det vi forandret på mellom hver gang var spenningen. Noe som er viktig å huske på ved forsøk med Figur 2: Måling. Foto: Øyvind Nilsen elever er at dem er klar over hvordan dem måler strøm og spenning. Setter man multimeteret på ampere og parallellkobler kan man fort ta en sikring. Figur 3: Måling. Foto: Øyvind Nilsen Figur 4: Utstyret. Foto: Øyvind Nilsen
Resultater Første måling - 4V på apparat U 3,8V I 0,03 R = U / I 100 Andre måling 6V på apparat U 5,8V I 0,05 R = U / I 102 Tredje måling 8V på apparat U 7,8V I 0,07 R = U / I 99 Ω Gjennomsnittlig 100,33 Ω Målingene ble gjort med ett multimeter som ble flyttet på, fra serie til parallell, avhenging hva vi skulle måle. Sammenheng mellom U I og R Spenning i Volt 9 8 7 6 U=RI 5 4 3 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Strøm i Ampere Figur 5: sammenhengen mellom U, I og R Laget av Øyvind Nilsen Resultatene er plottet inn i en graf ved hjelp av Exel i figur 5.
Drøfting Naturvitenskapelig drøfting I figur 5 har vi framstilt resultatene våre i en graf som viser sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans. Vi ser at tegner vi en linje gjennom målingene våre slik vi har gjort så ser vi at det blir tilnærmet lik en rett linje. Dette tyder på at observasjonene gjort av Georg Simon Ohm som sier at for en metallisk motstand med konstant temperatur er spenningen over motstanden proporsjonal med strømmen gjennom motstanden (Callin, C 1997 s. 202) De små variasjonene vi registrerte kan komme av at temperaturen ikke hadde stabilisert seg da vi tok avlesningen, og det faktum at vår motstand ikke var en ideell motstand. Ohms lov gjelder for ideelle motstander med konstant temperatur. Naturfagdidaktisk drøfting Denne oppgaven skal gjøres i samarbeid med andre. Grupper på 3-4 elever er å anbefale, og det kan være lurt at læreren har en finger med i spillet på hvordan sammensettingen blir. Det kan også gjøres som et parsamarbeid hvis man har få elever. Når man setter sammen grupper må man tenke over at dette med at strøm, prøving og feiling med kretser, kobling av ledninger osv er generelt er guttenes drøm. (Sjøberg, S 2004 kap 10) Det er ikke noe negativt det! Men vist man frykter at jentene ikke får sluppet til i arbeidet med å planlegge/lage kretsen så kan man i hvert fall prøve å unngå grupper med en enslig jente og 3 veldig aktive gutter. Den første delen av oppgaven er å planlegge hvordan gruppen skal kunne undersøke dette forholdet. Problemstillingen/hypotesen er gitt mens fremgangsmåten og resultatet vil være åpent. Dette tilsvarer en toer i grad av frihet etter Andressons skjema. (Marion, P 1994 s.8) Det at elevene selv kan prøve og feile på denne måten kan inspirere til økt entusiasme over forsøket, men det tar til gjengjeld mer tid enn om fremgangsmåten var fastbestemt. Tanken er at diskusjonen mellom elevene skal stimulere til et godt læringsmiljø. At lærer skal i dette tilfellet gå rundt å godkjenne planen for forsøket kan også være en fallgruve hvis man har mange grupper. Det kan jo skje at hvis lærer bruker lang tid på en gruppe så går mye tid til venting for de andre gruppene. Antall grupper bør altså ikke være høy grunnet dette. Har man en stor klasse og fortsatt vil gjøre dette forsøket går det ann at man legger mer føring for fremgangsmåten. Man kan for eksempel ta brainstorming fra alle gruppene på tavla og bli enige om en eller flere mulige og gode framgangsmåter. En annen ting en burde tenke på er når skal man gjøre dette. Siden det er nokså mange begreper som skal sitte for å få fult utbytte
her så kan det være lurt å ha hatt litt om disse begrepene på forhånd. Det er mange ganger fint å starte på nytt stoff med en aktivitet først, men da kan det være lurt og ikke ha en for komplisert aktivitet. Konklusjon Denne aktiviteten er et praktisk og variert forsøk som vil passe bra å gjøre i en tiendeklasse. Rammebetingelsene vil ha mye og si for om dette vil være vellykket. Dette er det opp til læreren å vurdere, eventuelt justere aktiviteten.
Litteraturliste Callin, C(1997) Ergo fysikk 2FY grunnbok. Aschehoug. Kunnskapsløftet 06 Marion, P(1994) Feltarbeid i skolen. Biologi 4. Sjøberg, S(2004) Naturfag som allmenndannelse En kritisk fagdidaktikk. Gyldendal akademiske.