Elektrisk energioverføring

I dette emne er det godt at kende begrænsningens kunst. Det har dog ikke afholdt folk fra at skrive tykke bøger om emnet.
Sædvanligvis vil man begynde med statisk elektricitet. Hvis I har tæpper på gulvet eller pelsen fra en død gnaver, kan der indledningsvist godt spindes en ende over det. Det kan dog ikke anbefales at dvæle for længe ved disse indledende manøvrer. Det er næppe det, læreren vil høre noget om.
En meget god ide er at få styr på begreber og definitioner. Betingelsen er tilstedeværelsen af en spændingsforskel og et medium, hvori elektriciteten kan udbrede sig. Det kune i princippet være en guld- og en sølvtand i en mund, men det kan jo være svært at koble måleudstyr på, aflæse og sige noget fornuftigt samtidigt. Til en begyndelse kunne man sende 6 volt jævnstrøm gennem en spole med en modstand på 4 ohm. Husk at tage højde for modstanden i ledningerne. Hvis der et multimeter til rådighed, er det en smal sag at måle modstanden i kredsløbet ret præcist. Herefter kommer Ohms lov på banen.
Det kan være ret interessant at undersøge, hvorvidt Volta, Ampere og Ohm har arbejdet sammen. Det lader sig lettest praktisere via nettet.
U = RI.
Men hvad betyder bogstaverne?
U er spændingfaldet, målt i volt, egentlig tabet i potentiel elektrisk energi pr. ladningsenhed.
R er modstanden i kredsløbet målt i ohm. Dette er en empirisk størrelse, der afhænger af materialet, længden og tværsnitsarealet af ledningen. Det kostede omtrent Ohm stillingen som lærer, da han første gang offentliggjorde sin opdagelse.
I er strømstyrken målt i ampere, egentligt et mål for den ladningsmængde, der pr. sekund passerer gennem et tilfældigt sted i kredsløbet.
Et godt eksamenstrick er at afbilde sammenhængende værdier af U og I et koordinatsystem. Hvis det gøres rigtigt, vil hældningen for den rette linje angive modstandens størrelse.
Sammenlign U = RI og y = ax.
Skru pænt op for strømmen og man vil da opdage, at den elektriske energi omdannes til varme. Det kan lugte ret slemt, men formålet med det hele var jo også at vise noget om elektrisk energioverføring. Hvis man ikke vil brænde komponenter af, kan man jo altid indskyde en pære i kredsløbet. I denne sammenhæng er det vigtigt at erindre sig de grundlæggende principper for serie- og parallelforbindelse af modstande. Det er heller ikke ligegyldigt, når man skal tilslutte hhv. volt- og amperemeter. Voltmeteret skal parallelforbindes, amperemeteret skal serieforbindes. Prøv at måle modstanden i de to apparater, og du vil vide hvorfor.
Ved beregning af den samlede modstand i en serieforbindelse adderes modstandene, ved beregning af den samlede modstand i en parallelforbindelse er den reciprokke værdi af den samlede modstand summen af de reciprokke værdier af de parallelle modstande.
Et eksempel: 3 modstande på hhv. 1 ohm, 2 ohm og 3 ohm serieforbindes. Den samlede modstand bliver 6 ohm. Hvorfor?
Når de parallelforbindes bliver den samlede modstand 6/11 ohm. Hvorfor?
Et god tommelfingerregel er, at den samlede modstand i en parallelforbindelse er mindre end den mindste modstand.
Man kan mindske modstanden i et kredsløb ved at indskyde en ny modstand parallelt med de øvrige. Det ser lidt sært ud første gang.
En fjerde størrelse, der er nyttig i beregninger på elektrisk energioverføring, er effekt, der betegnes med bogstavet P og måles i enheden watt.
Effekten er produktet af spændingsforskel og strømstyrke.
P = UI.
På mange apparater er angivet et effektforbrug. Er de tilsluttet 230 volt, er det en smal sag at beregne strømstyrken. Det kan være ganske praktisk at regne lidt på forhånd, så skal man ikke skifte sikringer så tit.
Effekt gange tid giver energi, der forkortes til E og måles i joule.
Pt = E.
Således skulle du være i stand til at måle og regne på jævnstrømskredsløb.
Men din lærer vil nok gerne høre lidt om vekselstrøm. Her i landet skifter strømmen retning 100 gange i sekundet, svarende til 50 strømstød i hver retning. Man siger, at frekvensen er 50 Hertz. Hvis du skal barberes i USA, skal du tage højde for, at frekvensen er 60 Hz. Det gælder dog kun, hvis du benytter en elektrisk barbermaskine. Med en skraber er det lige meget.
Danskeren H. C. Ørsted opdagede ud i egen og andres indbildning elektromagnetismen i 1820. I virkeligheden havde han været på sporet i 20 år, men det er en ganske anden historie. Hvis du har en gammel lærer eller gammel fysikbog eller begge dele, vil du have hørt eller læst om højrehåndsreglen, incl. tommel- og lillefingerregel. Disse er ganske gode hukommelsestekniske fif, men er forladt i nyere fremstillinger. de bygger på en forladt forestilling om, at jævnstrøm bevæger sig fra den positive pol til den negative. Nu ved man, at de negative elektroner strømmer i modsat retning. Det kan også være, at man har tagethensyn til at 7 procent af alle drenge er venstrehåndede.
Faraday opdagede induktionen i 1835. Det er tilsyneladende blot elektromagnetismen vendt på hovedet. Hvor en strømførende ledning kunne påvirke en magnetnål og vice versa, er der her tale om, at en bevæget magnet inducerer en elektromotorisk kraft, en spændingsforskel i en elektrisk leder af passende beskaffenhed, typisk en spole.
Du vil nok have lært, at den inducerede elektromotoriske kraft afhænger af magnetens styke, spolens vindingstal og hastighedes, hvormed magneten bevæges. Det er ganske fint. Det kan selvfølgelig også udtrykkes meget matematisk formelt med græske bogstaver, men det lader vi ligge.
Transformatorsætningen udtrykker sammenhængen mellem volt, ampere og vindingstal. Volt og vindingstal er proportionale, mens ampere og vindingstal er omvendt proportionale.
Den første sammenhæng er helt empirisk erfaringsbaseret. Den anden baserer sig på sætningen om energiens bevarelse i et lukket system.
Hvis transformatoren er fuldstændig tabsfri, vil den elektriske energi i primærspolen blive overført fuldstændigt til sekundærspolen. Da tiden er den samme i begge spoler, er effekten det ogå. Hvorfor?
Er primærspændingen dobbelt så stor som sekundærspændingen, vil sekundærstømstyrken være dobbelt så stor som primærstrømstyrken.
I princippet gælder dette kun for helt tabsfrie og ubelastede transformatorer. I virkelighedens praktiske verden vil man kunne påvise effekttab, og det er heller ikke uproblematisk at tilslutte måleudstyr til en transformator. Prøv det og bliv forbavset. Man beytter ikke ustraffet Ohms lov i forbindelse med vekselstrøm. Det skyldes, at der i vekselstrømskredsløb indgår aktive koponenter, det være sig spoler og kapacitorer. Med anvendelse af Pythagoras' læresætning og noget trigonometri kan det lade sig gøre at udregne en såkaldt vekselstrømsmodstand, kaldet impedans. Men det underviser man vist ikke meget i længere.