Noen vanlige modeller i elektrisitetsundervisningen

I dette avsnittet skal vi presentere noen vanlig brukte modeller og analogier i elektrisitetsundervisningen. 

Snoranalogien

Analogien anvendes for å få elevene til å se forskjellen mellom energi og strøm. Den brukes også for at elevene skal se behovet for en permanent flytende strøm for at overføring av energi skal kunne finne sted. Ved bruk av snoranalogien i klasserommet er det best om elevene sitter i en ring. En snor nøstes ut i sirkelen, og hver elev holder snora løst mellom tommel og pekefinger. Snora knyttes sammen slik at den danner en sirkel. Læreren forklarer at hendene representerer ledningen i en elektrisk krets og at snora representerer strømmen. Læreren er selv "batteriet" og sørger for at snoren (strømmen) sirkulerer rundt i ringen av elever.

Ertemodellen

Denne modellen brukes til å forklare at når vi slår på bryteren, går det strøm i hele kretsen med én gang (vi trenger ikke vente til elektronene har kommet fra batteriet til lyspæra osv). Vi kan tenke oss elektronene i ledningen som erter som ligger tett-i-tett i et rør. Hvis vi dytter på erten i den ene enden av røret, begynner ALLE ertene å bevege seg samtidig, og det kan skje noe i den andre enden av lederen (en ert faller ut / pæra lyser) i samme øyeblikk som vi skyver på erten (setter på spenningen) i den andre enden.

Vannledningsanalogien

Denne modellen brukes for å bedre forståelsen av elektriske kretser, med særlig vekt på spenningsbegrepet. For at det skal gå en elektrisk strøm i en krets, må det være en spenningskilde som sørger for elektriske krefter som kan gjøre arbeid ved å frakte ladninger (elektroner) rundt i kretsen. En mye brukt analogi er et vannsirkulasjonssystem der en pumpe (tilsv. batteriet) pumper vann fra sjøen opp på et fjell (høyt potensial). Vannet renner nedover fjellsiden og kan der drive et vannhjul (gjøre arbeid). Vannet renner til slutt ut i havet, hvor det har null potensial og kan pumpes opp igjen av pumpa ("batteriet"). 

I en innsjø ligger vannet stort sett i ro, i en elv strømmer det. Hva er det som får vannet til å strømme i elva? Hva har terrenget å si, og hvordan foregår energioverføringen etter hvert som vannet renner nedover?  

Vi kan si at vannet i innsjøen har potensiell energi (stillingsenergi), og at endepunktet havet representerer et nullnivå for den potensielle energien. På vei mellom disse to blir potensiell energi overført til kinetisk energi (bevegelsesenergi) og termisk energi (varmeenergi) i vannet og omgivelsene.  

Sola fordamper noe av vannet, og dette føres tilbake til innsjøen via skyer og nedbør. Sola "løfter" vannet opp fra havet til en større høyde slik at vannet på nytt får potensiell energi i forhold til det valgte nullnivået.  

La oss sammenligne vannet som strømmer i elva med elektrisk strøm i en ledning. Hva er "oppover" og hva er "nedover" i en elektrisk krets? Dersom vi bruker den vanlige definisjonene av strømretning, altså den vegen positive ladninger strømmer, blir "nedover" mot den negative polen (havet) på batteriet. Sola er energikilden (batteriet) som "løfter" ladningen opp til "toppen" (den positive polen - innsjøen).  

Da det er elektroner (negativt ladd) som går i ledningen, må vi tenke oss at det er den negative polen som er "toppen" (innsjøen). Derfra "renner" de gjennom ledningen til den positive polen. 

Didaktisk kommentar: 

Det er flere "farer" forbundet med å bruke vannanalogien for elektrisk strøm. Hovedinnvendingen går på at man kan bruke sekvensiell tenkning til å forklare hvordan vann strømmer.  

Dersom elva snevres inn, vil ikke vannstrømmen ovenfor innsnevringspunktet påvirkes. Vi ser kun en effekt "nedstrøms", og dette er akkurat hva som ligger i en sekvensielle tenkning: Strømmen går frem til et sted med en lokal endring, endres, og fortsetter videre. Dette er ikke tilfellet i en elektrisk krets. I en elektrisk krets vil en lokal endring umiddelbart få globale konsekvenser fordi endringen brer seg med lysets hastighet. 

Vi kan illustrere dette med et eksempel. Norges lengste elv, Glomma, starter ved Røros, passerer Bingsfoss kraftverk etter om lag 45 mil og renner til slutt ut i havet ved Fredrikstad 60 mil lenger ned. Dersom Glomma var en elektrisk ledning som førte elektrisk strøm, ville alle bekker og elver som gir opphav til Glomma ved Røros (og underveis) umiddelbart endre strømningshastighet i det vannet ble demmet opp ved Bingsfoss. Man ville også merke en umiddelbar effekt på vannhastigheten i Fredrikstad, noe som definitivt ikke er tilfellet. 

Snoranalogien får derimot med nettopp dette poenget, ved at snoras hastighet endres gjennom hele ringen av elever (global endring) i det en lokal endring (en elev strammer grepet om snora) inntreffer.  

Supermarked-analogien

Dette er en analogi som skal beskrive sentrale egenskaper ved en krets: Strøm, spenning, resistans, spenningskilde/batteri.Vi tenker oss at et supermarked har så stor omsetning at de har laget et kontinuerlig leveringssystem for brød fra bakeriet: En kontinuerlig flyt av brødbiler som beveger seg "støtfanger mot støtfanger" fra bakeriet til supermarkedet og  tilbake til bakeriet igjen.   

I bakeriet lastes brød inn i bilene. Bilene kjører brødene til supermarkedet, hvor brødene losses og selges (fordeles ut til dem som handler). De tomme bilene kjører tilbake til supermarkedet hvor de blir lastet med en ny ladning brød, osv. Alle bilene beveger seg med samme fart i en kontinuerlig runde. Hvis farten øker, blir mer brød levert til supermarkedet pr time. Hvis hver bil lastes med mer brød, blir også mer brød levert til supermarkedet pr time. 

I denne analogien er bakeriet "batteriet" som leverer energi, bilene er elektroner som bærer ladning rundt i kretsen, strømmen av biler blir som den elektriske strømmen av elektroner i kretsen, og brødene som leveres i supermarkedet blir som energien som gis ut i lyspæra.

veiledning læreplan elektrisitetsmodeller -1

veiledning læreplan elektrisitetsmodeller -2


Hentet fra EVINA