Elektricitet

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

SAMMANFATTNING
I det här arbetet fick vi frågeställningar som vi skulle svara på, men naturligtvis kom det upp egna funderingar och frågetecken angående vissa delar av varje avdelningen. Det hela handlar om elektricitet och vad det är, vart den kommer ifrån och hur får vi elektricitet till våra maskiner och alla olika strömförande inrättningar i hemmen från ett kärnkraftverk, det vill säga i vårt fall Barsebäck. Det är även en fråga angående vår härliga framtid. Hur man producerar elektrisk energi och vad forskarna gör. Det här ett viktigt kapitel i vår vardag som vi anser självklar och det är inte många som funderar hur och varför en lampa lyser eller hur farlig strömmen egentligen är. Att trycka på lampknappen och att lampan sedan lyser förväntar sig vi oss alla, men om den inte gör det då…
Jag har fått mycket kunskap om detta område som jag innan detta kapitel inte hade en aning om, och som sagt var jag tog för givet- inte ifrågasatte jag det heller. Undra varför vi inte gör det och vill utforska och lära oss mer om varje del i vårt liv, men det förstås det fungerar inte heller- vi kan inte ha experter i varje område för då skulle vi inte ha några experter alls, förstår du min tankegång?

INLEDNING
De frågeställningar vi fick är främst grundläggande, ta till exempel ”Vad är elektricitet”? Men självklart finns det också framtidsrelaterade. Hur produceras elektrisk energi om femtio eller längre fram i framtiden? Hur lever vi och ser vardagen ut som nu, vi kanske inte har samma slags vardag som idag? Det är ingen som riktigt vet eller är hundra procent säker på sin sak. Forskare inom dessa områden har vetenskaper och undersökningar till förfogande. Med hjälp av de kan de förutse en liten del av vad som komma skall i framtiden. Spekulationer och fantasier är det vi kan komma med, men vi vet inte hur riktigt det kommer att bli.
Jag har lagt in egna frågeställningar också som dök upp under arbetets gång som jag ville ha med.

METODDEL
Jag började relativt tidigt med att samla fakta runtomkring frågeställningarna på skolbiblioteket och på internet. Jag har läst fysikböcker och elläroböcker för att förstå hur allt hänger ihop med varandra och för att förstå vad allt innebär.
Jag började med att läsa igenom vår lärobok för att få en liten uppfattning. Sedan skrev jag begrepp och läste texten än en gång för att kunna förstå texten ännu bättre när jag nu förstått begreppen som har en stor del att göra av texten.
Jag tänkte först skriva en löpande uppsats där all text hängde ihop och jag hade en liten röd tråd igenom hela uppsatsen. Men det visade sig svårare än vad jag trott. Vissa begrepp tyckte jag var svåra att få en löpande text av så jag beslöt mig för att skriva vissa begrepp löpande och andra som en vanlig begreppsförklaring som man ungefär skriver ett prov. Jag varierade mig helt enkelt. Jag vet inte vad du tycker om det (men det märker jag väl senare!?)


FRÅGESTÄLLNINGAR

ü Varför lyser lampan?
ü Vad är elektricitet?
ü Hur lagras elektrisk energi?
ü Hur transporteras elektrisk energi?
ü Hur farlig är strömmen?
ü Var får vi elektrisk energi ifrån?
ü Vad är magnetism och hur kan den användas för elproduktion?
ü Från Barsebäck till cd:n, hur?
ü Hur produceras elektrisk energi i framtiden? Vad gör forskarna?




BEGREPP


-Elektrisk spänning= skillnaden i laddning mellan två föremål orsakar en elektrisk spänning mellan dem. Enheten för spänning är i volt (V).
-Strömstyrka= Om många laddningar (elektroner) förflyttar sig samtidigt är strömstyrkan stor. Strömstyrka mäts i 1 ampere (A).
-Ädla och oädla metaller= ta till exempel zink, det ämnet är mer benäget att blida joner än koppar. Då säger man att koppar är en mer ädel metall än zink.
-Galvaniskt element= om man kombinerar olika ämnen för att omvandla kemisk energi till elektrisk energi. Denna konstruktion kallas för galvaniskt element och är i form av ett batteri.
-Sluten krets= i ett galvaniskt element är jonlösningen nödvändig. För i den finns laddade och rörliga partiklar (jonerna) som kan vandra mellan polerna nere i lösningen. Det innebär att man får en sluten krets av laddningar i rörelse om man förbinder polerna med en ledning. Om det galvaniska elementet ska kunna leverera ström är den slutna kretsen en förutsättning.
-Salmiak element= ett stavbatteri med spänningen 1,5 V är vanligen ett så kallat salmiak element. Jonpolerna mellan de båda polerna, i batteriet, är en salmiaklösning som sugits upp i ett bindemedel. Sådana batterier, där jonlösningen hindras flyta omkring kallas torrelement.
-Ackumulator= kan, till skillnad från ett vanligt galvaniskt element, laddas och återanvändas.
-Ledare= ett ämne eller material som leder elektrisk ström.
-Isolator= i vissa ämnen som till exempel plast, porslin och glas är alla elektroner fast bundna till sina atomer. Sådana ämnen leder inte elektrisk ström. Det är de som kallas isolatorer.
-Fria elektroner= i metall atomer är någon eller några av de yttersta elektronerna så löst bundna att de lätt avlägsnas från atomerna. Dessa kallas fria elektroner.
-Effekt= är ett mått på en elapparats arbetsförmåga och mäts i watt (W). Den mängd arbete som kan utföras tillfälligt under till exempel en sekund. Effekt definieras som arbete per tidsenhet.
-Energi= beräknas som effekt gånger tid och mäts i wattimmar (Wh).
-Parallellkoppling= Om man kopplar lampor parallellt blir det en krets för varje lampa. Det innebär att man kan tända och släcka varje lampa utan att påverka de andra. Varje lampa får dessutom hela spänningen från spänningskällan.
-Seriekoppling= En julgransbelysning är ett bra exempel på en seriekoppling. I en sådan sitter lamporna i rad. Om en lampa skruvas ur eller går sönder så bryts hela kretsen och alla lampor slocknar.
-Kortslutning= Detta ”fenomen” inträffar då strömmen tar en genväg i en krets och då utan att passera någon lampa. Eftersom strömmen smiter förbi lampor och andra ställen med hög resistans så kan strömstyrkan bli hög. Det leder till att ledningarna blir överhettade fast det inträffar inte om en säkring bryter strömmen.
-Skyddsjord= många apparater är skyddsjordade. Det för att man kan undvika olyckor på ett smidigt sätt. Exempel på olyckor är ett kabelbrott. Skyddsjordad innebär att om man tar i en strömförande sladd så går strömmen genom den jordade sladden och igenom min kropp.
-Permanentmagnet= ett exempel på denna är en vanlig stavmagnet som har atomerna sina så att de pekar åt samma håll. Detta leder till att atomerna hjälper till så att hela permanentmagneten får en nord-och en sydände.
-Transformator= med hjälp av denna kan man förändra (omvandla) växelströmmens spänning. En transformator består av två olika spolar som sitter anslutna till en gemensam järnkärna.


Så tillverkas el
I Sverige består elproduktionen främst av vattenkraft och kärnkraft. Tillsammans är de ansvariga för över 90 procent av elproduktionen. Resten produceras främst med fossila bränslen genom värmekraft. Och en liten del av vår el kommer från vindkraft. Elektricitet produceras ur en energikälla. Denna energikälla kan vara vatten, vind, sol eller något bränsle som kol, gas, olja, biobränsle eller uran. Hela landets kraftstationer är ”start” för den process som gör att vi får el till våra hus och industrier mm.
I Sverige och Norden dominerar vattenkraften. Hur mycket el som kan produceras beror på nederbörden i form av regn och snö. Regnvatten och det vatten som bildas vid snösmältningen under våren och försommaren sparas i stora vattenmagasin. Vattnet lagras i magasinen för att kunna användas under vinterhalvåret. För det är ju under den perioden som elbehovet är som störst i landet. Allt vatten lagras dock inte, för under hela året produceras en viss mängd el. Kärnkraften kompletterar vattenkraften, i alla fall till en viss del. På vintern, hösten och våren utnyttjas den så mycket som är möjligt. Men under sommaren är kärnkraftverken avställda i omgångar för att få underhållningsarbete och bränslebyte.


Men ibland under vintern kanske inte kärnkraften och vattenkraften. Då använder man sig av värmekraftanläggningar, i dessa produceras både el och värme. Det pågår ständigt en elhandel mellan Sverige och våra grannländer.
Elektromagnetism är läran om sambandet mellan elektricitet och magnetism. Inom elektromagnetismen beskrivs elektricitet och magnetism som tillkännagivanden av samma fenomen. En elektromagnet är en anordning där ett magnetiskt fält alstras av en spole matad med elektrisk ström. Elektromagneter används i elektriska material.

Elektricitet är olika samlade benämningar på kraft- och energiyttringar i naturen som har sitt ursprung i förekomst och transport av elektriska laddningar. Kring atomernas kärna kretsar elektroner. Protoner och elektroner har positiv respektive negativ elektrisk enhetsladdning och kraftverkan som råder mellan dem ger upphov till det som kallas elektricitetaskiner för att alstra magnetfält.


El till vardags
Vardagen är full av elektricitet. El har funnits i samhällets tjänst i Sverige sedan 1870-talet. Den kom först med belysning vid industrier och därefter till Stockholms gator.
El är en självklarhet i hemmet, på arbetet och i offentliga sammanhang, var vi än rör oss. Idag har vi nått vad vi kallar informationsåldern. Den bygger helt och hållet på att el kan få systemen att fungera.


Så här länge räcker 1kWh
- Brödrost 1 timme
- TV 10 timmar
- Video 40 timmar
- Äggkokare 3 timmar


Den är ibland livsviktig
I Sverige har vi minskat kraftigt oljeanvändningen inom industrin och hushållen för att kunna minska det huvudsakliga oljeberoendet i detta land. Inom industrin har el ersatt fossila bränslen i många processer och flera bostäder har byggts med elvärme. Detta har lett till att vi är mindre beroende av olja och gett oss en bättre miljö eftersom svensk el till 90 procent produceras av vattenkraft och kärnkraft, som inte ger några utsläpp till luft eller vatten.

Ständig utveckling
Elektriciteten hittar ständigt nya användningsområden. I framtiden kommer vi att få se flera nya tillämpningar. Vi befinner oss just nu i informationssamhället, där nya elbaserade kommunikationssystem växer fram. Så kallade smarta hus som känner av individuella behov och rättar sig efter de kommer att bli allt vanligare i vårt samhälle. På våra gator kommer det att finnas allt fler bilar som helt eller delvis drivs med el. Genom solceller, som kan lagra el i batterier när solen skiner och utnyttja elenergin andra tider, kan el introduceras på avlägsna platser. Fyrar drivs idag på detta sätt, till exempel.


El i framtiden
Snabbtåg istället för flyg. Huset och kontoret är uppvärmt med el- eller solvärme. Den el som produceras kommer nästan enbart från vattenkraft och andra förnybara energiformer som till exempel bioenergi, solceller, vindkraft och bränsleceller. Ingen ny kärnkraft har byggts ut. All energi är dyrare än idag och den totala energianvändningen har minskat i förhållande till dagsläget, samtidigt som elenergin blir viktigare. Konsumenterna har stort inflytande på produktionen och kan själva bestämma om de vill ha likström eller växelström till huset. Den internationella elhandeln är stor och Norden stamnät är kopplat till övriga Europa. Vi har blivit bättre på att spara på el och värme, samtidigt som det har blivit möjlighet att lagra energi för att fördela jämnt över dygn och årstider. Vi har nu ett energisystem med hög säkerhet, låga utsläpp och en bra miljö.
Denna text har jag omvandlat till egna ord från en rapport som är skriven av elföretagens forsknings- och utvecklingsföretag Elforsk. Denna rapport utgår från ett internationellt perspektiv, som återförts till svenska förhållanden. Anledningen till det är att forsknings- och utvecklingsarbete kräver en internationell marknad som drivkraft. Grunden till detta är dagens teknik, som blivit utvecklad och lite förfinad, och en ny framtida teknik.
Hela tiden pågår det forskning för att hitta nya former för elproduktionen. I framtiden måste elsystemet baseras på teknik som utnyttjar förnybara energikällor, det vill säga vatten, vind, sol och biobränsle. Genom att behålla kärnkraften så länge som den är ekonomisk och säker får vi tid och resurser att utveckla de tekniker som ska ingå i det uthålliga systemet.


Varför betecknas ström och spänning med I respektive U?
”I” lär komma av latinska ”Intendere” (samma som engelska intend) och hänger ihop med motståndsbenämningen Resistere. I början betecknade man spänningen med V efter Alessandro Volta. När sedan bokstaven V betecknade enheten spänning så gick man över till det näraliggande U.

Ström är ju elektroner som rör sig i en ledare. Men hur snabbt rör de sig, ja vilken hastighet?
I en metall finns så kallade ledningselektroner, alltså elektroner som inte är bundna till en viss atom, utan rör sig fritt, som en slags gas. De rör sig snabbt fram och tillbaka, mer eller mindre slumpmässigt. När vi skickar en ström genom en metalltråd, fortsätter de att snabbt röra sig fram och tillbaka, men i medeltal rör de sig åt ett håll. Ett exempel: Genom en 1 mm tjock koppartråd går en ström på 1A. Elektronernas medelhastighet blir då 0.1 mm/s.

Strömmen i en seriekrets är ju lika stor vid olika punkter, men betyder det att elektronerna har samma hastighet vid dessa punkter?
Nej, egentligen inte. Antag att vi har en krets som består av ledare med olika diameter.
I tråden med minst diameter går elektronerna fortast.

Fördelarna med växelström, och vad är det egentligen?
Växelspänning varierar mellan plus och minus. Frekvensen är i Europa 50 Hz. Den avgörande fördelen med växelspänning är att det är lätt att transformera upp och ned i spänningen. Vid långa transportsträckor vill man använda hög spänning för att förlusterna ska bli låga.

Vid växelspänning så ändras ju spänningens storlek och polaritet men hur ändras strömmen, flyter den hela tiden åt samma håll eller ändrar den riktning och går åt olika håll?
I en koppartråd, till exempel, där strömmen leds av elektroner, rör sig elektronerna fram och tillbaka, men inte särskilt mycket.


Vad är det för fördel att skicka stora strömmar (effekter) med likspänning gentemot växelspänning över stora avstånd? Det kanske inte finns någon fördel!?
Likspänningsöverföring har följande fördelar: 1 Man kan klara sig med en ledare för att låta returströmmen gå genom jord eller vatten. Därför används likström för överföring av elektrisk energi över vatten. 2 Om man har en fasförskjutning mellan ström och spänning på ett växelströmsnät så ökar förlusterna i ledningen. Tekniskt sett är det besvärligt att begränsa fasförskjutningen. 3 Man kan använda kablar. Nackdelen med det är att det är svårare att transformera likström men med modern halvledarteknik är detta problem tekniskt hanterbart.

Hur kommer det sig att strömmen i en krets är konstant? Elektronerna accelereras hela tiden i ledaren då måste ju fler elektroner passera till exempel i ett tvärsnitt i slutet av ledaren än i början och på så sätt blir strömmen inte konstant!
Strömmen bestäms av hur många partiklar som passerar ett tvärsnitt av ledaren per tidsenhet.
Lika många elektroner passerar varje tvärsnitt av ledaren oberoende av deras hastighet. Tänk på en motorväg. I början av motorvägen kör bilarna sakta medan de efter någon mil kör med maxfart. Om man räknar antalet bilar som kör på motorvägen eller räknar dem mitt på så får man antalet bilar som kör på motorvägen eller räknar dem mitt å så får man samma värde. Det är ju samma bilar som kör förbi båda platserna.

Om man gnider till exempel en duk mot en linjal så kommer elektroner att hoppa över till linjalen. Men om vi förenklar och säger att vi gnider över 10 elektroner till linjalen. Då borde det ju bildas 10 joner också, eller? Men borde inte ämnets egenskaper ändras när man om än en liten mängd av elektroner försvinner? Går det verkligen till så här?
Om en elektron hoppar över till linjalen så kommer det att bli överskott på positiva joner i duken. Så småningom kommer dessa laddningar att neutraliseras genom att duken är jordad genom personen som håller i den i sin hand. Det blir ett relativt litet överskott på antalet laddningar. Men den elektriska kraften är så stor att även ett litet antal elementarladdningar har en fullt märkbar effekt.

När elektronerna åker framåt bildas då ett magnetfält kring dem? Påverkas detta magnetfält i sin tur av de andra elektronerna?
Det är enklare att tänka sig en ström som går genom en ledning. Den bildar ett magnetfält, vars kraftlinjer går runt ledaren. Detta magnetfält tenderar att dra ihop elektronerna, men det har knappast någon betydelse i vanlig metallisk ledare.


Man har antagit att strömmen går från + till -, men det är väl så att ström är en ström av elektroner, och således borde det hela röra sig från - till +. I praktiken spelar det ingen roll. Man antar helt enkelt att det är positiva partiklar som rör sig från + till -, men det är väl tvärtom?
När man definierade + och – i elektriska sammanhang kände man inte till några elektroner. Man framställde elektricitet genom att gnida glasstavar med kattskinn. Det finns sammanhang där vi har positiva laddningsbägare, till exempel en protonstråle. I protonledande halvledare fungerar frånvaron av en elektron som en positiv laddning.

Strömmen i en ledare består av rörliga elektroner. Dessa kan varken skapas eller förintas. Strömkällan lämnar ifrån sig elektroner vid ena polen och tar emot elektroner vid den andra polen. Om strömmen i kretsen inte är konstant så måste elektronerna samlas på något ställe. Om så sker blir det ett stort överskott på negativa laddningar på ett ställer i kretsen. Men dessa laddingar stöter bort de elektroner som försöker komma fram, alltså stoppas strömmen i detta fall.

Elektriskt motstånd, det vill säga resistans, är en egenskap som beskriver hur bra ett ämne leder ström. Resistans mäts i enheten ohm. Men det elektriska motståndet i exempelvis en ledare bestäms inte enbart av vilka ämnen den bestå av. Även ledarens utsträckning har betydelse. Därför måste resistansen hos elektriska ledare jämföras utifrån trådar med samma längd och samma tjocklek


Elektrisk influens: om man närmar en positiv laddad kropp till en oladdad kropp så dras ju elektroner i den oladdade kroppen mot den positiva. Om man jordar den delen dit elektronerna dras hålls dem kvar av den positiva kroppen eller går dom till jorden? Om man sen tar bort jordningen och den positiva kroppen blir den kropp som var oladdad nu positiv?
Man ska inte jorda den delen av kroppen som är närmast den positiva laddningen utan istället koppla den andra änden till jord. Då kan man en negativt laddad kropp.

Ström kan vara livsfarlig
Spänning och resistans avgör hur stark ström som kan uppkomma i en krets. Detta är viktigt eftersom elektricitet inte alls är ofarligt för människan. Våra kroppar kan nämligen själv leda ström. Egentligen är det inget märkvärdigt. Elektriska spänningar och strömmar styr många biologiska funktioner i människokroppen, till exempel nervsignalerna. Men då är naturligtvis spänningarna låga och strömmarna svaga.
Varje dag utsätts vi för farlig elektricitet, det vill säga i våra bostäder, skolor och på arbetsplatser, där finns det elektriska uttag som har en spänning på 230 volt. Det är en tillräckligt hög spänning fä att orsaka skador som människokroppen inte klarar. Under olyckliga omständigheter kan 230 volt ge upphov till strömmar som är direkt dödande. Om en olycka av något slag ändå skulle inträffa så är det kroppens resistans som avgör hur stark strömmen blir genom kroppen. Om man har fuktig hud blir det värre. Fukten minskar nämligen resistansen i huden och det leder till att strömmen genom kroppen blir starkare.

Vilken är egentligen pluspol i ett vanligt ficklampsbatteri (brunstensbatteri) kolstaven eller magneten?
Kemiskt sett är brunstenen den positiva elektroden. Kontakten med brunstaven går via grafitstaven (kolstaven) så det är nog grafitstaven som är pluspolen.

Hur ser magnetfältet ut kring en permanentmagnet, kring en elektrisk ledare? Kring en spole? Och kring jorden?
Generellt gäller att de magnetiska kraftlinjerna bildar slutna slingor. Går ström genom en rak ledare är kraftlinjerna omkring ledaren. Fältet kring en kort spole liknar det jordmagnetiska fältet, kallas även dipolfältet. Långt ute påverkas det jordmagnetiska fältet av solvinden (laddade partiklar från solen).

En kondensator används för att lagra laddning kortare eller längre tider. I blixten till en vanlig kamera finns en kondensator. När man tar ett kort så laddas kondensatorn ur och driver en kort strömpuls genom blixtlampan. I elektroniken används kondensatorer bland annat. I elektriska ledningar också, då med jämna mellanrum och stora kondensatorer för att minska fasförskjutningen på ledningen.

Om man använder lågenergilampor så kan man upptäcka att efter släckningen om man rör den så lyser den upp ett spöklikt sken, man kan tro att det beror på statisk elektricitet. Men så här ligger det till: från ett jordat enfas växelspänningsuttag går tre ledningar: skyddsjord, nollan och växelspänningsfasen. Men skyddsjord och nollan är inte samma sak, men nollans spänning är växelspänningsfasen eller båda två. Detta gäller det första. Det betyder att växelspänningsfasen fortfarande finns kvar i lampan. När man tar på lampan med ett finger blir det en så kallad kapacitiv koppling mellan fingret och lampan, och det bildas en svag urladdning i lampan. Personen fungerar som en sorts jord.
Ett experiment som man kan göra är att dra ut stickkontakten, vrid den ett halvt varv, och sätt in den igen. Då bör fenomenet ha försvunnit, eftersom man då bryter växelströmfasen.

Man kan fråga sig om det går åt mera ström om man tänder och släcker en glödlampa ofta.
Medeleffekten blir lite högre. Just när man slår på lampan drar den mycket mera ström än vanligt. En vanlig 60 W drar hela 800 W de första sekunderna. Glödtrådens resistans beror på temperaturen. Vid rumstemperatur är den mindre än en tiondel av resistansen när den gläder.

En lampa lyser för att den är kopplad till ett batteri som driver en elektrisk ström. Den går från pluspolen, genom lampan och tillbaka till batteriets minuspol. Med hjälp av en ampere kan man mäta hur stark strömmen är i kretsen. Strömmen beror på hur stor spänning batteriet ger och hur stort motstånd lampan gör mot att släppa fram strömmen. Inuti lampan finns en tunn tråd som strömmen måste igenom. Men den kan inte passera utan vidare. Även om materialet i tråden leder ström, utgör det ett visst hinder. Men batteriets spänning pressar igenom strömmen som gör att tråden glöder och lampan lyser.

Magnetism
Naturligt magnetiska stenar har människan känt till under ett par tusen år. Magnetism kan också skapas med hjälp av elektricitet.
Idag kan vi köpa magneter i alla tänkbara former.
En magnet har alltid två poler, och d...