Samfundets elforsyning eksamensnoter

Samfundets elforsyning

Induktion

Når en magnet bevæges i forhold til en spole, induceres der en strøm i spolen.

Den inducerede spænding afhænger af: (fællesforsøg, Ny fysik/kemi 8, s. 13)

Magnetens hastighed.

Vindingsantallet

Magnetens styrke

Når man inducerer en spænding får man “småmagneterne” i jernkernen til skiftevis af dreje i den ene og den anden retning. Småmagneterne drejer i takt med magneten.

(Hvis jeg bruger en skiveformet magnet: “Fordelen ved at anvende en skiveformet magnet, er at man blot ved at sætte den i rotation kan få dens poler til at bevæge sig skiftevis forbi spolen.)

(Hvis jeg anvende et oscilloskop: “Et oscilloskop har den fordel, at det bedre end et almindeligt voltmeter kan følge hurtige ændringer af spændingen.”)

(Ved forsøget med mini-elværket: “Når mini-elværket ikke er særlig godt til at opretholde den frembragte spænding, skyldes det, at den inducerede spænding ikke blot skal sende strøm igennem de lange ledninger op pærerne, men også gennem spolerne selv. En del af den inducerede spænding medgår derfor til at sende strøm igennem spolerne.

Især spolerne med 1600 vindiger er dårlige til at opretholde spændingen. Det skyldes, at de har en langt større modstand end de andre spoler, dels fordi den omviklede kobbertråd er længere, dels fordi der er anvendt tyndere tråd, for at spolen ikke skal fylde mere.

Spolerne med 400 og 200 vindinger virker bedre i forsøgene fordi begge spolers modstand er langt mindre end pærernes modstand.)

Vekselspændingskurven

Den kurve, der aftegnes på oscilloskopet, kaldes en vekselspændings-kurve.

Hvis der er tale om vekselspænding, vokser spændingen først til sin største positive værdi. Derefter aftager den til nul og bliver mere og mere negativ, indtil den når sin største negative værdi. Derefter bliver den mindre og mindre negativ og når op til nul osv.

Spændingen, som vi aflæser på et vekselstrøms-voltmeter er mindre end maksimal-spændingen. Det er en gennemsnitsværdi for den varierende vekselspænding, og kaldes vekselstrømmens effektive spænding. Maksimalspændingen er 1,4 gange så stor som effektivspændingen. (fællesforsøg, Ny fysik/kemi 8, s. 25)

Vekselspændings effektivspænding og jævnspænding med samme værdi vil få en pære til at lyse lige godt.

Ud af stikkontakten kommer 220 volt vekselspænding. De 220 volt beskriver effektivspændingen, så maksimalspænden er 220 x 1,4 = 308.

Tidsrummet, hvori vekselspændingen er gået fra nul og først til den positive maksimalspænding, til den negative maksimalspænding og tilbage til nul kaldes en periode.

Antallet af perioder, vekselspændingen gennemløber pr. sekund, kaldes frekvensen.

I Danmark er frekvensen 50 Hz (hertz). I England og USA er den 60 Hz.

Fra et elværk udgår 3 faseledninger og en nulledning. Grunden til dette er, at almindelige stikkontakter kræver 220 volt. (bruges til fx lamper), mens trefase-kontakter, som har fem bøsninger, 0, F, J, F, F, (0 = nul-ledning, F = fase-ledninger, J = jord-ledning) kræver 380 volt. (bruges til apparater som el-komfurer, opvaskemaskine og vaskemaskine).

I en almindelig stikkontakt er der tilsluttet en faseledning og en nulledning, og hermed får man 220 volt.

I en trefase-kontakt er der tilsluttet to faseledninger, og hermed får man 380 volt.

Forklaringen på, at der er 380 volt, hvis man tilslutter 2 faseledninger er, at der i stedet for en kurve på oscilloskopet, som forekommer hvis der kun er tilsluttet en faseledning (og en nulledning), kommer der 2 kurver når man tilslutter to faseledninger.

De to kurver vil være forskudt en smule, fordi på elværket er der tre spoler, hvori den samme magnet inducer strøm. Hver gang magneten passerer en spole, skifter spændingen i spolen retning. Magneten vil første bevæge sig forbi den ene spole, og efter en tredjedel omgang bevæge sig forbi den næste spole, og efter endnu en tredjedel omgang bevæge sig forbi den sidste spole. Derfor vil kurverne være forskudt en tredjedel.

Maksimalspændingen er derfor ikke mellem nul og kurvens maksimalværdi, som når der kun er en kurve, men den maksimale forskel mellem de 2 forskudte kurver.

Og maksimalspændingen er derfor større, når man tilslutter 2 faseledninger (380 volt) end når man kun tilslutter en faseledning (og en nul-ledning) (220 volt)

(side 31-32 Ny fysik/kemi 8)

Grunden til, at man har kontakter med 380 volt er, at man nedsætter tiden på fx at koge vand betydeligt.

I en trefase-kontakt med 380 volt er der 16 ampere

dvs. man kan tappe 380V * 16A = 6080 watt

En almindelig kontakt med 220 volt er tilsluttet en 10 ampere sikring.

dvs. man kan højst tappe 220V * 10 A = 2200 watt.

Watt-forbrug er et mål for, hvor meget energi det pågældende apparat får leveret pr. sekund og enheden for watt-forbrug er watt. Wattforbruget beregnes ved at gange spændingen (volt) med strømstyrken (ampere)

Watt-forbruget = spænding * strømstyrke

(Watt =     volt       *   ampere)

Wh (watt-timer) = watt * timer

Energi

Energien, der er oplagret i et stof i bevægelse kaldes kinetisk energi, som betyder bevægelses-energi. Ting i bevægelse indeholder kinetisk energi.

Energien, der er oplagret i et stof på grund af dets beliggenhed kaldes potentiel energi, som betyder beliggenheds-energi. Ting, der er løftet op, indeholder potentiel energi.

Når et stof fx er løftet op, og dermed indeholder potentiel energi, omdanner det den potentielle energi til kinetisk energi, når det falder mod jorden.

Energi kan ikke forsvinde, kun omdannes til anden slags energi. Når vi “bruger” energi, formindsker vi egentlig energien på en sådan måde, at vi kan bruge den til nyttige formål.

El-værker

Ved hjælp af dampturbiner kan man udnytte den energi, der er oplagret i brændstoffer som kul, olie og naturgas. Den varme, der opstår ved forbrændingen, bruges til at opvarme vand, så det omdannes til damp ved højt tryk. Dampen ledes ind i en lukket turbine, hvor den rammer et eller flere turbinehjul, som er anbragt på en aksel, der er forbundet med el-generatorens aksel.

Alternative energikilder

For at spare på brændstoffer som kul, olie og naturgas søger man at finde alternative energikilder, som man kan udnytte til el-produktion, idet man på el-værkerne afbrænder kul, olie og naturgas i enorme mængder. Det er stærkt medvirkende til, at vi er godt på vej til at tømme de kul-, olie- og naturgaslagre, der findes i jorden. Man anslår, at der med vort nuværende forbrug er olie og naturgas nok til 30-50 år, mens kullagrene måske kan holde et par hundrede år.

Vandkraft er en af mulighederne. Men i et land som Danmark, hvor vi ikke har høje bjerge og vandfald, er der kun lidt energi at hente på denne måde.

Til gengæld blæser det ofte i Danmark. Vi kan derfor udnytte vindens kinetiske energi. I en vindmølle trækker vingerne en el-generator, som producerer elektrisk strøm. I Danmark har vi opbygget verdens største vindkraft-industri, og danske firmaer sælger vindmøller til så mange andre lande, at cirka halvdelen af verdens vindmøller er danske.

Solenergi er en anden mulighed. Solceller er opbygget af grundstoffet silicium – et stof, der er masser af i almindeligt sand. Man anvender silicium-skiver, som kun er 0,4mm tykke. De er så tynde, at sollyset kan trænge igennem dem. En solcelle består af to forskellige af disse silicium-skiver, der er presset tæt sammen. Når sollyset trænger igennem skiverne, strømmer der elektroner fra den ene skive til den anden. Den ene skive oplades derfor positivt, fordi den mister elektroner, mens den anden skive oplades negativt, fordi den får overskud af elektroner. Den ene skive kommer således til at udgøre solcellens positive pol, mens den anden skive udgør solcellens negative pol. Solcellen virker derfor som et elektrisk batteri.

Vi kan ikke nøjes med en alternativ energikilde, men det kan være en del af el-forsyningen.

Transformation

I en transformer udnytter man, at småmagneter ved at dreje en spole kan iducere en spænding.

En lukket jernkerne med to spoler kaldes en transformer. Spolen, der tilsluttes strømkilden kaldes primær-spolen. Den anden spole kaldes sekundær-spolen.

Det, der sker er, at strømmen i primærspolen får magneterne i den lukkede jernkerne til at vende polerne hurtigt frem og tilbage. Magneterne inducerer dermed en strøm i sekundærspolen, som ændres fra primærspolen i forhold til forskellen mellem spolerne.

Fordelen ved at bruge en transformer består i, at man – uanset hvor stor primærspændingen er – selv kan bestemme, hvor stor sekundærspændingen skal blive.

Det gælder at

For at gøre sekundærspændingen N gange så stor som primærspændingen skal man anvede N gange så mange vindinger på sekundærsiden som primærsiden.

og

For at gøre sekundærspændingen N gange så lille som primærspændingen skal man anvede N gange så få vindinger på sekundærsiden som primærsiden.

(fællesforsøg, Ny fysik/kemi 8, s. 66)

Forsøget viser, at vi ikke kan tappe strøm fra sekundærspolen, uden at primærspolen automatisk aftager mere strøm fra stikkontakten.

Primærspolens modstand må derfor afhænge af, hvor meget strøm vi tapper på sekundærsiden. Jo mere strøm vi tapper, desto mindre bliver primærspolens modstand, og desto stærkere strøm løber der derfor igennem den.

Når der sluttes en pære eller et andet elektrisk apparat til en transformers sekundærspole, tapper vi energi fra den. Denne energi kommer naturligvis fra elværket. Der er derfor, strømstyrken i primærspolen bliver større, jo mere energi der tappes på transformerens sekundærside.

På transformerens primærside tappes der altid lidt mere energi fra el-værket, end der overføres til sekundærsiden.

Når vekselstrøm lettere end jævnstrøm kan sendes over lange afstande, skyldes det, at vi på en simpel måde kan ændre vekselstrømmens spænding ved hjælp af en transformer. Herved kan energitabet gøres meget lille.

Ved at transformatere el-værkets spænding op til en høj værdi – og transformere spændingen ned igen til den oprindelige værdi ude på forbrugstedet, kan man sende el-energi over store afstande uden større tab.

Årsagen til, at energitabet bliver mindre, er, at strømmen i de lange ledninger nu er meget svagere end oprindeligt og jo svagere strøm der går igennem de lange ledninger, desto mindre energi afsættes i disse, og desto mindre blive energitabet. Man transformerer spændingen fra el-værket op til flere hunderede tusinde volt, før man overfører energien til fjerne forbrugsstedet, hvor man transformerer spændingen ned til 220 volt igen. På denne måde bliver strømmen i forbindelsesledningerne, og dermed energitabet, meget lille.

På el-værkerne produceres vekselstrømmen som regel med en spænding på 10-20000 volt. Alt efter, hvor store afstande energien skal overføres over, transformerer man spændingen op til ca. 60000, 150000 eller 400000 volt. Forskellige steder ved fordelingsnettet er der anbragt transformer-stationer, som sørger for op- og nedtransformering af spændingen. På de sidste strækninger ud til de enkelte forbrugere er spændingen transformeret ned til 220 volt. Ved at transformere til højspænding kan man begrænse energitabet i ledningsnettet. I praksis regnet man med, at energitabet udgør 6-9%.

Transformersætningen

Primærspolen opvarmes lidt af strømmen, men ellers er der en simpel sammenhæng mellem primærstrøm og sekundærstrøm.

Uanset hvilke spoler man anvender gælder det, at: (transformersætningen)

Primærspænding x primærstrøm ≈ sekundspænding x sekundstrøm

grunden til, at det er cirka lig med (≈) er, at der altid forekommer et lille tab ved energioverføringen (i form af varmeenergi).