Ellære - grunnleggende elektroteknikk : teori, måleøvinger, arbeidsoppgaver, prosjektoppgaver

285 Pages·1994·188.978 MB·Norwegian

by  Rune Sundin, Erik Magnusson

RUNE SUNDIN
ERIK MAGNUSSON
Ellære -
grunnleggende elektroteknikk
Norsk utgave ved Øystein Bakken
Teori
• måleøvinger
• arbeidsoppgaver
• prosjektoppgaver
POSTBOD
EBFORUIGET______________________________________________
Installatørenes Service og Opplysningskontor
© 1994 Elforlaget, NELFO
ISBN 82-7345-192-5
© Originalutgave Rune Sundin, Erik Magnusson og
Almqvist & Wiksell Forlag AB
Norsk utgave ved: Øystein Bakken
Oversettelse: Trond Eidnes
Illustrasjoner: Erik Magnusson
Originalarbeid: Grafisk Verksted, 1940 Bjørkelangen
Trykkeri: Follo Grafisk Nye A/S 1994
Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i brev av 19.4.1994.
Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven
eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for
rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre
erstatningsansvar og inndraging, og kan straffes med bøter eller fengsel.
Til elever og lærere
Ellære — grunnleggende elektroteknikk inneholder teori- og faktadel til faget
elektroteknikk, i tillegg til arbeidsoppgaver og forslag til måleøvinger.
Faget beskriver elektriske fenomener og elektrisitetens natur, og viser
sammenhengen mellom de elektriske størrelser. Boka innleder derfor
tradisjonelt med en gjennomgang av de grunnleggende elektriske stør­
relser. Gjennom hele boka har vi vært bevisst i forhold til bruk av figurer
og farger for å illustrere og støtte de teoretiske forklaringer.
Sammen med matematikk danner elektroteknikk grunnlaget for de andre
studieretningsfagene på elektrolinjen. Grunnleggende kunnskaper og
ferdigheter i elektroteknikk og matematikk er derfor viktig for å kunne ar­
beide effektivt med de andre fagene. For å beskrive sammenhengen
mellom de elektriske størrelser støtter man seg ofte til matematikk.
Boka er delt i emnekapitler. Den egner seg derfor godt til selvstudium.
Samtidig gjør dette at dere kan velge å arbeide med emnene i den rekke­
følgen dere selv ønsker og som passer deres egne opplegg.
Til hvert emne/kapittel vil du finne et kort sammendrag og en rekke ar­
beidsoppgaver. Sammendragene kan være greie i forbindelse med repe­
tisjoner og ved skumlesing. Arbeidsoppgavene er viktige i forhold til
trening og drilling i bruk av fysiske lover, men også for å få trening i å
anvende kunnskaper og ferdigheter i nye sammenhenger.
I noen tilfeller vil det være ønskelig å supplere med flere arbeidsoppga­
ver, og forfatteren anbefaler at man da kan benytte boka Ellære - opp­
gaver i elektroteknikk (Elforlaget).
Ellære - grunnleggende elektroteknikk inneholder også forslag til praktiske
måleøvinger. At boka inneholder teori og fakta sammen med arbeids­
oppgaver og måleøvinger gjør at dere slipper å hoppe mellom mange
bøker. Legg spesielt merke til at boka legger vekt på at de fleste måle­
øvinger utføres først, for deretter å gi teoretiske forklaringer på de feno­
mener som ble observert.
Måleøvingene er i størst mulig grad forsøkt lagt opp omkring standard
komponenter, og komponenter som skal være relativt enkle å anskaffe
(vanlig handelsvare). Det er lagt vekt på at man kan benytte vanlig instru-
mentutrustning, og at det ikke skal være nødvendig å gå til anskaffelse av
spesielle instrumenter for å utføre måleøvingene.
Boka vil også egne seg ved elektro-opplæringen innen mekaniske fag.
Oslo, april 1994
4
Pros j ektoppgaver
Et prosjekt er en engangsoppgave som krever tverrfaglige kunnskaper for å kunne
gjennomføres. I mange tilfeller vil det være snakk om en tidsbegrenset oppgave
som krever forskjellige typer ressurser. Den skal lede fram til et bestemt resultat
som skal være svar eller konklusjon på den problemstillingen vi hadde. Vanligvis
avsluttes prosjekter med en presentasjon gjennom en rapport.
Dere bør bruke tid på å formulere problemstillinger og avgrense prosjektoppgav­
ene. En prosjektoppgave kan utvikles ut i fra at man lurer på noe, og problem­
formuleringen lager dere ved selv å analysere og avgrense oppgaven.
Hvis du ønsker mer informasjon om prosjektarbeid, anbefaler vi boka «Prosjekt-
veiledning», Elforlaget.
Nedenfor finner du mål 1 i studieretningsfaget elektroteknikk.
Måll:
Elevene skal kunne forklare prinsippene for produksjon og bruk av elektrisk energi og
kunne drøfte de ulike produksjons- og bruksmåter i samfunnsmessig og økologisk
perspektiv, regionalt, nasjonalt og globalt.
Hovedmomenter
Elevene skal kunne:
la forklare prinsippet for produksjon av elektrisk energi i større mengder
ved omforming fra vindenergi, bølgeenergi, kjerneenergi, varmeenergi
og vannkraft, og drøfte ulike energikilder for produksjon av elektrisk
strøm i samfunnsmessig og økologisk perspektiv.
lb forklare prinsippet for overføring av elektrisk energi fra energiverk og
fram til forbruker. Drøfte ulike framføringsmåter i samfunnsmessig,
økologisk og estetisk perspektiv.
lc forklare den prinsippielle oppbyggingen av de mest brukte kjemiske
spenningskilder og drøfte bruken av disse i miljø- og samfunnsmessig
perspektiv.
Id drøfte kort den betydning elektrisk energi har hatt for samfunns­
utviklingen i Norge.
Mange av prosjektforslagene nedenfor er laget med utgangspunkt i målformule­
ringen i læreplanen.
I og med at de andre studieretningsfagene i stor grad har sitt utspring i faget
elektroteknikk, vil det være naturlig at nettopp elektroteknikken må være brobyg­
geren mellom fagene slik at man kan se sammenhenger og helheter.
Prosjektoppgaver skal være tverrfaglige. Gjennom problemstillinger med ut­
gangspunkt i elektrisiteten vil man enkelt kunne utvikle prosjekter som tar vare på
denne tverrfagligheten. Et prosjekt kan dermed spenne over fagene elektrotek­
nikk, elektronikk, matematikk, norsk, engelsk, naturfag, osv. Til rapportering og
dokumentasjoner kan man bruke datamaskiner.
Hvis prosjektet også omfatter å konstruere eller produsere et produkt, vil faget
elektromekanisk arbeid og apparatmontasje naturlig kunne inngå i prosjektet.
5
Noen forslag til prosjekter:
1 Utred likheter og forskjeller mellom følgende energiproduksjonsmåter: vann­
kraft, vindkraft, bølgekraft, varmekraft/gasskraft og kjernekraft
2 Hvilke hindringer eller utfordringer står vi overfor hvis Norge ønsker å gå over
til andre måter å produsere energi på enn med vannkraft?
3 Norge har et nasjonalt og globalt økologisk ansvar i forhold til energiproduk­
sjon og distribusjon? Hvilke konsekvenser har det for Norge at vi har et slikt
globalt ansvar?
4 a) Utred fordeler og ulemper med energidistribusjon via høyspenning i luft­
spenn kontra høyspenning i jordkabler.
b) Undersøk hvordan elektrisk energi distribueres fra energiverk til forbruke­
re i ditt nærområde eller din region, og vurder om det er andre distribu-
sjonsmåter som egner seg bedre.
5 Prosjekter et mindre vindkraftverk.
6 Prosjekter et mindre solcelleanlegg (for eksempel for en hytte).
7 Blyakkumulatoren har i de seinere år blitt betraktet som en «miljøfiende».
Utred de miljømessige ulempene med blyakkumulatorer.
8 Økt levetid for blyakkumulatorer vil gi redusert negativ miljøpåvirkning.
Utvikl vedlikeholdsprosedyre for behandling og lading av blyakkumulator
som gir økt levetid for batteriet.
9 a) Utarbeid arbeidstegninger for en lader for blyakkumulator.
b) Bygg en batterilader med utgangspunkt i arbeidstegningene.
10 a) Utarbeid arbeidstegninger til en serieregulator som kan koples til batteri-
laderen i oppgave 7.
b) Bygg serieregulatoren med utgangspunkt i arbeidstegningene.
11 Konstruer og test ut en digital kodelås for dør med magnetlås (elektro­
magnetisk sluttstykke).
12 Arranger førstehjelpsdag (med for eksempel hovedvekt på elskader).
13 Arranger temadag sammen med elektrofagfolk fra ditt nærmiljø.
14 Utvikl forretningsidé for elevbedrift.
15 Utred mulighetene for etablering av nettverkssamarbeide med lokalt næringsliv.
16 Utvikl en komponentoversikt/ utstilling med passive og aktive elektroniske
komponenter.
17 Lag en formeloversikt for de mest vanlig brukte formlene i elektrofagene.
18 Lag en symboloversikt for de mest brukte tegnesymbolene i elektrofagene.
Sammendrag
Tema Side
Viktige elektriske størrelser, seriekretser.............................................. 48
Parallellkretser .............................................................................................. 76
Batterier og akkumulatorer........................................................................ 92
Statisk elektrisitet, kondensatorer og kapasitans.................................. 106
Magnetisme og induksjon........................................................................... 158
Vekselspenning og vekselstrøm................................................................. 180
Induktive belastninger.................................................................................. 202
Kapasitive belastninger................................................................................ 218
Effekt i induktive og kapasitive kretser.................................................. 230
Noen spesielle kretser................................................................................... 243
Trefaset vekselstrøm ...................................................................................... 263
Transformatoren ............................................................................................. 271
Praktiske eksempler ...................................................................................... 283
Innhold
Forord: Til elever og lærere ............................................. 4
Prosjektoppgaver ................................................................ 5
Viktige elektriske størrelser ............................................. 10
Seriekretser........................................................................... 22
Ohms lov ........................................................................... 24
Totalresistans, strøm og delspenninger.................... 26
Resistans i leder .............................................................. 32
Energi og effekt.................................................................... 40
Parallellkretser ..................................................................... 50
Når effekten er avgjørende ........................................... 60
Spenningsdeling ............................................................. 65
Batterier og akkumulatorer............................................... 78
Serie- og parallellkopling av strømkilder................. 86
Statisk elektrisitet, kondensatorer og kapasitans....... 94
Kondensatorer og kapasitans ...................................... 98
Elektriske egenskaper ved materialer og
komponenter........................................................................ 108
Noen halvlederkomponenter ...................................... 115
Til ettertanke ........................................................................ 124
Modeller av virkeligheten ................................................ 136
Magnetisme og induksjon................................................ 138
Elektromotoren ................................................................ 146
Generatoren ..................................................................... 151
Transformatoren ........................................................... 155
Vekselspenning og vekselstrøm...................................... 160
Vekselstrømsgeneratoren............................................... 162
Vekselstrøm og resistive belastninger........................... 169
Effekt i resistive kretser...................................................... 173
Induktive belastninger ...................................................... 182
Selvinduksjon.................................................................. 183
Reell faseforskyvning .................................................... 188
Reaktans og impedans................................................... 192
Motstand og spole i serie............................................... 198
Kapasitive belastninger...................................................... 204
Kondensatoren................................................................. 205
Motstand og kondensator i serie: RC-ledd.............. 212
Frekvensens innvirkning............................................... 215
Effekt i induktive og kapasitive kretser........................ 220
Effekt i induktive kretser............................................... 221
Aktiv og reaktiv effekt ................................................... 222
Effekt i kapasitive kretser............................................. 226
Noen spesielle kretser....................................................... 232
Trefaset vekselstrøm .......................................................... 244
Stjernekopling og trekantkopling............................... 246
Effekt i trefasesystemer.................................................. 255
Transformatoren ................................................................. 264
Praktiske eksempler............................................................ 272
Elektriske maskiner og virkningsgrad....................... 277
Stikkordliste .......................................................................... 285
7
Fra produsent. . .
vindenergi
Ved framstilling av elektrisk energi tar en utgangspunkt i
andre energiformer. I vannenergiverk blir vannets beve­
gelsesenergi omformet til elenergi gjennom en turbin som
driver en generator. I varmeenergiverk utnytter en varme­
energien fra uran, olje, kull og gass for å varme opp vann til
solenergi damp som driver turbinene.
8
til forbruker
belysning
varme, kulde
og elektronikk
motorer
Fra energiverkene blir elenergien 'elstrømmen) transpor­
tert i kraftledninger over hele landet. Før vi kan nyttiggjøre
oss elstrømmen, må den passere en elmåler som registre­
rer energiforbruket. datamaskiner
9
Viktige elektriske størrelser
I
størrelse | enhet
I
I
I
Størrelse
er en egenskap
som kan måles eller beregnes.
strøm = 1,5 ampere Spenning, strøm og resistans
eller / = 1,5 A er eksempler på elektriske
I
størrelser . . .
I
I
Enhet
er det vi måler størrelsen i,
med et måltall foran . . .
spenning = 4,5 volt
eller U = 4,5 V
i
i
Når elektronene flytter seg i en bestemt retning i en leder,
får vi elektrisk strøm (se også side 95). Virkningene av el-
strømmen kommer vi stadig i kontakt med, for eksempel
når vi tenner en lampe, slår på fjernsynsapparatet eller lod­
der med en loddebolt.
Til å drive fram og opprettholde strømmen i en leder trengs
det elektrisk spenning, for eksempel fra et batteri eller et
vegguttak.
I alle ledere møter strømmen en viss hindring. Denne
hindringen som elektriske ledere har for strømmen, kaller
vi resistans.
10
Strøm
Symbolet for elektrisk strøm er I, og enheten er ampere. Du kan skrive:
I stedet for å skrive ampere kan vi bruke benevningen A.
Noen ganger har vi likevel bruk for større eller mindre mål­
enheter, såkalte multippelenheter:
størrelse /
måltall /
enhet
eller:
1 megaampere = 1 MA = 1 000 000 A = 106 A
1 kiloampere = 1 kA = 1000 A = 1013 A*
1 ampere = IA (enhet)
1 milliampere = 1 mA = 0,001 A = 103 A
1 mikroampere = 1 pA = 0,000 001 A = 10~6 A
Spenning
Symbolet for elektrisk spenning er U, og enheten er volt. Skriv:
I stedet for å skrive volt kan vi bruke benevningen V.
~ fys
eller:
1 megavolt = 1 MV = 1000 000 V = 106 V
1 kilovolt = 1 kV 1000V = 103V
1 volt = 1 V (enhet)
1 millivolt = 1 mV = 0,001 V = W-3 V
1 mikrovolt = 1 pV = 0,000 001 V = 10-6 V
Resistans
Symbolet for resistans er R, og enheten er ohm. I stedet for Skriv:
å skrive ohm kan vi bruke den greske bokstaven 0
(omega).
1 megaohm = 1 MO = 1000 0000 = 1060 eller:
1 kiloohm - 1 kO 1000 0 = 1030
£ » 6^2-
1 ohm = 10 (enhet)
1 milliohm = 1 mO = 0,0010 = 10-30
Multippelenhetene lærer du deg etter hvert.
Denne siden kan du gå tilbake til ved behov.