Vekselstrøm – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

25. juni 2018

Vekselstrøm

Hej Spørg om Fysik:

Hvordan kommer vekselstrøm fremad? Jeg undrer mig desuden over, hvordan vekselstrøm bevæger sig fremad - når nu hele pointen med vekselstrøm er, at det veksler retning hele tiden? Fx. bruges det til at flytte elektroner over lange afstande i masterne, men som jeg ser det, bør det ikke kunne komme nogle vegne, når nu det bevæger sig ligeså meget frem som tilbage. Med venlig hilsen Kristian

Historisk: Man har kendt elektrostatik siden oldtidens Grækenland måske før, man vidste, at der opstod særlige forhold omring gnedet rav, det kunne tiltrække og frastøde lette ting.  Elektrostatikken blev udforsket midt i forrige årtusinde, men i 1700 og 1800 tallet blev lovene generelt opstillet for jævnstrøm af mange bl.a. Volta (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (I, 1745 – 1827)), Ampere (André-Marie Ampère (F, 1775 – 1836)), Ohm Georg Simon Ohm (D, 1789 – 1854) ). Jævnstrøm kunne man få fra elektrostatiske maskiner og senere kemiske batterier (voltasøjler).

Thomas Alva Edison, 1847 - 1932

I første halvdel af 1800-tallet blev dynamoen (og elektromotoren) opfundet, de var til jævnstrøm. Sidst i 1800 tallet begyndte man at bygge elektricitetsværker, primært til gadebelysning men senere også til privat brug. Pionererne her var Edison (Thomas Alva Edison (US, 1847 –  1931)), som ville elektrificerer New York med jævnstrøm og Tesla (Nikola Tesla (Kroatien), arbejdede i US, 1856-1943)), som var pioner for vekselstrøm. Edisons virksomhed blev senere General Electric, som stadig er en meget stor USA. Der udspandt sig en spændende duel imellem disse, for at få deres system til at være det. der skulle bruges, Edison henrettede bl.a. en elefant med vekselstrøm for at vise faren (findes på film).

Nikola Tesla 1856 - 1943

Problemet ved overførsel af energi er, at modstanden i ledningerne gør, at spændingen falder, så den bliver levere des længere man kommer fra elværket. Edisons løsning var stort set et elværk pr. et par karreer i NY, Tesla skulle blot opstille en transformator, for igen at få højere spænding. En anden fordel ved vekselstrøm er, at transformatoren kan ændre spændingen, så man kan sende energien på lange afstande med meget høj spænding og små strømme, og bruge den ved lav spænding og store strømme, idet energien, E, skrevet simpelt er E =

Billede fra et af Edisons kraftværker for jævnstrøm i NY

U*I hvor U er spændingen og I er strømmen. Energien kan også skrives E = R*I2 =U2/R, hvor R er modstaden.

Det der bevæget sig i ledninger såvel ved vekselstrøm som jævnstrøm er elektronerne i metallet ledningen er fremstillet af (i væsker er det

Billede af vekselstrømsnettet med transformatorer ved København

ioner der bevæger sig). I metaler deler alle atomerne nogen af elektronerne, som næsten frit kan bevæge sig igennem metalmassen. Elektronerne bremses dog noget i deres bevægelse ved sammenstød med atomer og andre elektroner, og det betyder, at metallet opvarmes, dvs. noget af den elektriske energi der tilføres omsættes til uønsket varme. Hvor meget bremsning og dermed varme der fremkommer, afhænger af metallet og forbehandlingen af det. Såkaldt gode ledere som man bruger til ledninger kan være kobber, sølv, guld, aluminium, dårlige ledere som man bruger til modstande er ofte legeringer som konstantan, nikkelin, i glødelamper Wolfram, inconel, nikkel-crom, kulstof. 

Billede af en større transformator. De er oliekølede. Sker der skader på en sådan transformator kan leveringstiden være flere år

I et batteri foregår en kemisk proces der skaber overskud af elektroner ved den ene pol (minus polen) og underskud ved den anden. Det er lidt forvirrende, vi siger at strømmen går fra den positive pol til den negative, men i praksis har elektronerne, det der skaber strømmen, deres bevægelse den modsatte vej, men sådan er beskrivelsen blevet historisk (og ved vekselstrøm har det ingen betydning her). Ved jævnstrøm bevæger elektronerne og dermed også strømmen sig altså hele vejen igennem kredsen tilbage til energikilden, batteri eller dynamo.

Ved vekselstrøm skifter strømmen retning 50 gange i sekundet og har dermed en frekvens på 50 Hertz. Visse dele af verden bl.a. USA anvender 60 Hz. Elektronerne bevæger sig altså frem og tilbage i kredsen. Ved 10A i en ledning med areal 1 mm2 af kobber har elektronerne to bevægelser, den ene er termiske bevægelser, altså at elektronerne bevæger sig uafhængigt af strøm som følge af temperaturbevægelser. Har man de 10 A vil der ud over termiske bevægelser være en fælles driftshastighed af elektronerne på ca. 0,8 mm/s igennem et tværsnit af ledningen.

Edison filmer henrettelsen af en elefant til sin propaganda imod vekselstrøm. Han var også deltager i forslaget til den elektriske stol.

Da elektronerne ”står i kø” (der kan ikke ophobes en masse elektroner et eller andet sted i ledningen) tænder lyset straks, når man trykker på en afbryder, fordi alle elektronerne i gennemsnit bevæger sig i samme retning straks, men med den lave gennemsnitshastighed. Det kan bedst sammenlignes med når et tog med mange vogne starter, så følger også den sidste vogn med, og har samme hastighed som den første. Signalhastigheden, dvs. ændringen, at man f.eks. tænder eller slukker på afbryderen sker med en brøkdel af lyshastigheden ofte imellem 0,5 og 0,7 gange. Det gør de også i coaxialkabler, de der bruges til TV-antenner mm, men signalerne kommer der frem med 0,5 til 0,8 gange lyshastigheden (lyshastigheden er 3*108 m/s),

Elektronerne flytter sig altså kun ganske lidt ved vekselstrøm og det går langsomt, når vi taler om deres fælles driftshastighed, samtidigt bevæger hver enkelt elektron sig hurtigt i en række forskellige retninger ved sammenstød på grund af temperaturen. Hastighederne i varmebevægelsen er i størrelsesorden 106 m/s.

Elektronerne bevæger sig altså frem og tilbage i den 1 kvadratmillimeter ledning på et stykke, som er ca. 0,016 mm, hidrørende fra vekselstrømmen, når man ser bort fra termiske bevægelser.

Se også: http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/vekselogjaevnspaending/

Med venlig hilsen
Malte Olsen