Elektrisk grundforståelse

Læringsmål

• Eleven ved at der er noget, der hedder elektroner, strøm, spænding og modstande.
• Eleven forstår sammenhængen mellem modstand, strøm og spænding.
• Eleven kender til måleenhederne for strøm, spænding og modstand.
• Eleven har en grundforståelse for basale elektriske kredsløb og kredsløbsdiagrammer.
• Eleven har indblik i en række elektriske komponenter.
• Eleven har stiftet bekendtskab med de grønne energiformer vind- og solenergi.

Gennemgang af teori

Dette afsnit dækker hvad elektricitet er og hvordan det fungerer. Det gør det ved at bruge en kendt analogi, nemlig vandanalogien: Vandanalogien er en populær analogi, der bruges til at forklare strøm og elektricitet.

Ohms lov bliver også dækket, og der er opgaver til.

Når den basale viden er dækket kommer forløbet også ind på seriel og parallel forbindelse.

Efter at have arbejdet med eletricitet og ohms lov, kommer forløbet derefter ind på hvordan det bliver lavet i vindmøller.

Når de har lært om vindmøllerne kommer i ind på elektriske komponenter da der er en opgave hvor i skal lave jeres egen strøm i form af en "mini-vindmølle" (en servo-motor).

Som afslutning kommer forløbet ind solceller og hvordan de kan bruges i seriel og parallel til at opnå den strøm og spænding man har brug for. Hertil er der en opgave hvor de skal samle et fysisk kredsløb og bruge solceller.

Vandanalogien

I vandanalogien svarer strømmen af vandet til elektronerne i en elektrisk kredsløb. Ligesom vand, der strømmer gennem et rør, kan strømmen flyde gennem en ledning. Strømmen i et kredsløb svarer til vandets hastighed, og spændingen svarer til trykket i røret. Modstande i kredsløbet kan sammenlignes med forhindringer i vandrøret, der begrænser vandstrømmen.

Billedet herover bruger vandanalogien sammen med et rigtigt kredsløb. Alle komponenter svarer til hinanden:

• Kontakt/Hane = Kontakt
• Vandbeholder = Batteri
• Vandhjul = Pære

Komponenterne sidder også ca. på de samme steder for at skabe et bedre overblik

Som supplement til ovenstående er der en lille video (20 sekunder), der viser hvordan elektroner bevæger sig fra batteriet og rundt i kredsløbet.

• Lastbilerne = Elektronerne
• De røde bolde = Spændingen
• Antallet af lastbiler = Strømmen

Beskrivelse af video

Der ses et batteri som er forbundet med en grå vej. Vejen repræsentere en form for leder, f.eks. en ledning.
Lastbilerne kører ud af bagenden på batteriet da elektroner jo er negativt ladede. De følger den grå vej.
I ladet ligger nogle røde bolde, og disse repræsentere ladningen af batteriet og derfor også den ladning elektronerne (lastbilerne) kører rundt med. Batteri = 3V = 3 bolde i lad.

Denne video er ment som en meget forsimplet udgave af hver der foregår, og derfor mangler der f.eks. en modstand der ville begrænse strømmen og sørge for at LED'en ikke går i stykker.

Enkeltcelle animation

Ohms lov

Ohms lov er en regel inden for elektricitet, som fortæller os, hvordan strøm, spænding og modstand er forbundet i et elektrisk kredsløb. Hvis vi øger spændingen i et kredsløb, vil strømmen også stige. Men hvis vi sætter en modstand i kredsløbet, vil strømmen falde. Det er ligesom vores vandanalogi.

• Strømmen “I” i ohms lov er målt i ampere/A
• Spænding “U” er målt i volt/V
• Modstanden “R” er målt i ohm. Ω

I GIF'en herover kan man se at når modstanden går op, går strømmen ned. Der kan komme så høj modstand, at der ikke er nok strøm til at tænde for LED’en. Dette ses når modstanden når 5000 ohm. Omvendt kan der komme så lav modstand, at strømmen bliver så høj at LED’en brænder af. Det handler om balance.

Som hjælp til at huske formlen kan man med fordel bruge regnetrekanten vist herunder hvor man bare holder hånden over den man gerne vil finde og så kan se hvordan man finder den med de resterende bogstaver:

Typer af strøm

Der findes to typer strøm: vekselstrøm og jævnstrøm. Vekselstrøm er den strøm vi har i vores stikkontakter. Den bliver så lavet om til jævnstrøm i de apparater, vi bruger som vores oplader til computer eller telefon. Klodsen på jeres oplader er der hvor skiftet, fra veksel til jævnstrøm sker. Forskellen på de to strømme er at vekselstrøm hele tiden skifter retning, som vist herover. Jævnstrøm derimod holder altid den samme retning.

GIF'en herover viser en analogi på hvordan vekselstrøm fungere.

Parallel og seriel forbindelse

Parallel animation

Parallelforbindelse betyder at der er flere kredsløb i et kredsløb. Så hvis en parallelforbundet pære springer, så vil de øvrige stadig lyse.

Det er sådan vores hjem er lavet. Alt i hjemmet er (normalt) parallelforbundet. Ellers ville alt slukke hver gang vi trak et stik ud af kontakten og det dur jo ikke.

En måde at huske hvordan parallel virker: Parallel - På hinanden = 2 x strøm

Seriel animation

Hvis flere pærer sættes efter hinanden på samme ledning, så strømmen løber fra pære til pære og først derefter videre til minus, kaldes det en serieforbindelse.

Det betyder at hvis en pære springer, så slukker alle sammen, da strømmen afbrydes. Du har måske prøvet det, for et af de steder i vores hjem hvor vi har pærer i serieforbindelse er juletræskæden. Du kan prøve at skrue en pære løs. Så vil de se at alle sammen slukker.

Der sker også noget andet når man serieforbinder to pærer. De skal nemlig dele spændingen og får derfor kun en halvdel hver. Det vil sige at de kun lyser med halv styrke.

En måde at huske hvordan seriel virker: Seriel - Siden af hinanden = 2 x spænding

Breadboard og kredsløbsdiagrammer

Billedet herunder viser et breadboard som bliver brugt til at samle små kredsløb. Banerne og farverne viser hvordan strømmen løber og hvor man kan forbinde til.

Her er et eksempel på hvordan en LED, modstand og batterier er tilkoblet et breadboard.

Herunder kan man se samme kredsløb, men som et "rigtigt" diagram med de symboler der passer til hvert komponent. Billedet under viser navne og symboler.

Hvorfor bruger man kredsløbsdiagrammer?

Som man kan se på billedet herunder så er det meget uoverskueligt at se hvad der er forbundet til hvad. Med et kredsløbsdiagram kan man se det meget lettere.

Vindmøller - en grøn måde at generere strøm

Videoen herunder forklarer hvordan en vindmølle fungerer og laver vind om til elektricitet:

El fra vindmølle

For at lave noget der ligner en vindmølle i et kredsløb kan man f.eks. bruge en servo-motor som generator. Den høje interne gearing i en servo-motor sørger for at man kan opnå en mål- og brugbar strøm.

Hvad er en servo-motor

En servo-motor er en slags elektrisk motor, der anvendes i mange forskellige projekter og produkter. Det er en speciel type motor, der kan bevæge sig til præcise positioner og holde sig der, frem for hele tiden at dreje rundt som en almindelig motor.

Forestil dig at du har et gammeldags ur, og du vil have armene i uret til at bevæge sig til en bestemt position. Med en servo-motor kan du programmere motoren til at bevæge urets arm til den præcise position du ønsker, og holde armen der. Med en normal motor ville armen blive ved med at kører rundt uden at stoppe hvor du gerne ville have den til det.

Servo-motorer findes i mange størrelser og former, og de kan bruges til en række forskellige opgaver, fx i modelfly, robotter, elektrisk legetøj og meget mere. Billedet herunder viser hvordan servo-motoren der skal bruges i opgaverne ser ud.

Den røde ledning på servo-motoren er positiv, den brune er negativ og den gule er en PWM ledning, som ikke skal bruges i opgaverne. Det er vigtigt at denne type servo-motor bruges i opgaven da dens gear er metal og kan holde til mere end en med plastik gear.

Komponenter til opgaverne

Der er to opgaver i dette forløb, der fokuserer på at bygge kredsløb med breadboard. Her er en gennemgang af andre komponenter, som ikke allerede er blevet gennemgået, der skal bruges i opgaverne.

LED'er

LED'er har et langt og et kort ben. Det lange ben(anoden) er positiv og det korte(katoden) er negativ.

Modstand

Modstande er et passivt komponent, der bruges til at begrænse strømmen i et kredsløb og kommer i mange forskellige størrelser og farver. Kombinationen af farver beskriver hvor stor modstanden er i ohm og kaldes farvekoder.

Ledninger

Solceller

Solcellen opfanger solens stråler og laver det om til strøm via en kemisk reaktion. Der er en positiv(rød) og negativ(sort) ledning.

Solceller bruges til at generere elektricitet. De kan kobles sammen serielt og parallelt. Måden man forbinder dem på har forskellige resultater: når solceller tilsluttes serielt øges spændingen, men parallel forbindelse øger strømmen. For at ramme den spænding og strøm man har brug for, f.eks. i en husstand, bruges en kombination af begge forbindelser.

Strømmens proces i en husstand

Breadboard solceller tilsluttet breadboard og multimeter

De næste billeder viser hvor meget spænding og/eller strøm, solcellerne producerer ved forskellige opsætninger: