KOSMOS SIRI HALVORSEN • ARILD BOYE • PER AUDUN HESKESTAD
NATURFAG FOR VG1 ELEKTROFAG
EL
LÆREBOK • BOKMÅL
© CAPPELEN DAMM AS, Oslo 2020 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Kosmos EL følger læreplanen for Kunnskapsløftet LK20 naturfag yrkesfag Vg1 for elektrofag. Omslagsdesign: Kristine Steen / 07 Media – 07.no Omslagsfoto: Getty Images / Pedro Salaverria Grafisk formgiving: Kristine Steen / 07 Media – 07.no Hovedillustratør: Bjørn Norheim Forlagsredaktør: Eva Irgens Trykk og innbinding: Livonia Print Sia, Latvia 2020 Boken er satt i Berling 11 punkt og trykt på 100 g G-print ISBN 978-82-02-66820-4 1. utgave 1. opplag 2020 www.kosmos.cdu.no www.cdu.no
BILDELISTE Cappelen Damm s11n, s16, s75m, s140n Arild Boye s142n, 151 Getty Images: Andreas Häuslbetz s6, MarkSwallow s8ø, yoh4nn s8nv, SeventyFour s8nh, DavidSzabo s9, Fahroni s11ø, Synergee s13, seb_ra s14, fotomem s21, DKart s24, Nemanja Otic s26v, Alberto Masnovo s26m, David Liu s26h, Armin Staudt s27, piola666 s28, George Clerk s29ø, Ridofranz s29n, JaumeOrpinell s31v, sompong_tom s31h, rottadana s34ø, Velvetfish s34v, Avstraliavasin s34h, SlobodanMiljevic s35, Deshevykh Dmitry s36, 123ducu s37ø, tibu s37n, brizmaker s39, MariusLtu s40, CharlieChesvick s41ø, erlucho s41n, donvictorio s42ø, hekakoskinen s42n, Robert Plesko s43, witoldkr1 s44, Thinkstock s45, J D Porter LRPS s46, Akhararat W s47, nicolasprimola s48, kjekol s49ø, Tommy Svensson s49v, Jupiterimages s49h, dla4 s50ø, John Morrison s50n, narvikk s51, Dmitry Naumov s52, Ingram Publishing s53ø, Piotr_malczyk s53n, MikeLane45 s54ø, Julia Mladich s54n, AliMuratSenel s55, baona s56ø, Romualdo Crissi s56ø, Ladislav Kubes s58, Andreas Häuslbetz s67, Carlosgaw s68, Dusan Petkovic s70, alex_skp s74øv, Irina Drazowa-Fischer s74øm, Marat Musabirov s74øh, BWFolsom s74mv, dem10 s74mh, Pineapple Studio s74nv, StockPhotosArt s74nh, orinocoArt s74 n, Kumer Sergii s75ø, Basilios1 s75nv, joebelanger s75nh, s76ø, a_namenko s76n, Manuel_Faba s77, real444 s78ø, Dontstop s78n, Matic Grmek s79, margouillatphotos s83ø, Emilija Randjelovic s83n, serezniy s84, martin-dm s85, gbh007 s86, Antonio Diaz s88, ARISA Therpbanchornchai s90, MarianVejcik s91, Olaf Schmitz s92, jxfzsy s94, urfinguss s99, Dean Hindmarch s100, franckreporter s102, skynesher s. 104, Chris Joubert s105, olaser s106, edelmar s107, Milan Markovic s108, serezniy s109, nensuria s111, Halfpoint s112, Rattankun Thongbun s114, Lazar Obradovic s115, buz s116, RossHelen s117, SarinyApinngam s118, shaadjutt s120, Ron Thomas and Patty Thomas s126, Traitov 128, Endel Grensmann s129ø, Thinkstock s129n, Bet_Noire s133, Maasik s134, Devenorr s135, Dasha Medvedeva s136, Elena Elisseeva s137, Iaremenko s138, ZernLiew s140ø, mipan s141, alexlmx s142v, Petmal s142h, leezsnow s145, ah_fotobox s148, Mustang_79 s150, struvictory s152ø, Pavlo Vakhrushev s152n, stockcam s154, urfinguss s155, Peopleimages s160, Mukhina1 s161ø, Islentyev Dmitry s161n, fotojog s162øv, alain grimplet s162øh, inho Lee s162n, gchutka s164, ozgurdonmaz s165, Lya_Cattel s167, Andrei Kuzmik s169ø, aurielaki s169n Ruter s163
Forord Kosmos er det greske ordet for verden. Kosmos betyr orden og skjønnhet, det motsatte av kaos! Vi håper at denne boka skal hjelpe deg til å se at det er orden, system og skjønnhet i naturfag. Hvert kapittel begynner med en kort oversikt over hva du skal lære. Viktig stoff har vi uthevet med blå rammer, så du raskt skal kjenne det igjen. Avsnitt med Mer om-stoff er tenkt som en ekstra utfordring for deg som ønsker å gå litt i dybden. Innimellom teksten finner du noen undringsspørsmål. Disse spørsmålene bør du tenke over eller diskutere med andre, for da blir teksten som følger, lettere å forstå. Etter hvert delkapittel står det hør deg selv-oppgaver. Når du løser disse oppgavene, får du samtidig en repetisjon av hovedtrekkene i det du nettopp har gjennomgått. Etter hvert kapittel følger et sammendrag av kapittelet. Her finner du også flere oppgaver. Det er både «vanlige» oppgaver, utfyllingsoppgaver, kople sammen-oppgaver og kjenne igjen ord-oppgaver. Disse oppgavene gir deg en mer grunnleggende forståelse av lærestoffet. Litt vanskeligere oppgaver er merket med . Til slutt i hvert kapittel finner du forslag til forsøk og tips til utforskinger for ditt eget utdanningsprogram. I åpne forsøk får du ingen oppskrift på hva du skal gjøre. Du får litt informasjon om temaet. Deretter skal du lage problemstilling og velge metode for hvordan du eller gruppen din vil gjennomføre forsøket. Interaktive oppgaver, videoer, animasjoner og andre ressurser kan du hente på elevnettstedet kosmos.cdu.no.
Hilsen forfatterne
Kosmos EL
3
Innhold Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Utforskning . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 8 13 16 18 19 21 21 21 22 23
1.1 Forskerens arbeidsmetoder . . . . . . . . 1.2 Et eksempel på en utforskning . . . . . . 1.3 Rapportskriving . . . . . . . . . . . . . . . . . Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÅF 1.1 Åpne forsøk . . . . . . . . . . . . . . ÅF 1.2 Bygg ditt eget insekthotell . . . F 1.3 Form og fart . . . . . . . . . . . . . . F 1.4 Hvilket papirfly flyr lengst? . . F 1.5 Hva isolerer best mot varmetap? . . . . . . . . . . . . . . . 23
4
2 Teknologi og bærekraft . . . . 2.1 Bærekraftig utvikling . . . . . . . . . . . . . 2.2 Teknologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Klimaendringer . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Energiforbruk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Miljøendringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Avfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÅF 2.1 Åpne forsøk . . . . . . . . . . . . . . ÅF 2.2 Ungdom tar ansvar . . . . . . . . . F 2.3 Arbeidsplasser eller miljø . . . . F 2.4 Klimaundersøkelse . . . . . . . . . F 2.5 Hvor kommer frukt og grønnsaker fra? . . . . . . . . . . . F 2.6 Biltrafikk . . . . . . . . . . . . . . . . F 2.7 Forbruk og karbonutslipp . . . F 2.8 Dobbel emballasje . . . . . . . . . F 2.9 Avfallssortering . . . . . . . . . . .
25 26 29 32 37 42 53 59 60 64 64 64 64 65 65 65 66 67 67
3 Næringsstoffer og kosthold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Mat består av næringsstoffer . . . . . . . 3.2 Karbohydrater, fett og p roteiner . . . . 3.3 Vitaminer, mineraler og vann . . . . . . . 3.4 Fordøyelsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Energi i mat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Variert kosthold . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Et bærekraftig kosthold . . . . . . . . . . . Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÅF 3.1 Åpne forsøk . . . . . . . . . . . . . . F 3.2 Energiinnholdet i matvarer . . F 3.3 Spytt spalter stivelse . . . . . . .
4 Helse og livsstil . . . . . . . . . . . . 4.1 Hva mener vi med god helse? . . . . . . 4.2 Psykisk helse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Trening og helse . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Sykdommer knyttet til livsstil . . . . . . 4.5 Rusmidler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Vurdere pålitelighet i informasjon fra ulike medier . . . . . . . . . . . . . . . . Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÅF 4.1 Åpne forsøk . . . . . . . . . . . . . F 4.2 Livsstil . . . . . . . . . . . . . . . . . F 4.3 Fysisk aktivitet . . . . . . . . . . . F 4.4 Måling av puls . . . . . . . . . . .
5 Energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 70 73 78 80 83 86 90 93 94 98 98 98 99
101 102 104 105 108 114 116 119 120 124 124 124 124 125
127 5.1 Bærekraftige energikilder . . . . . . . . . 128 5.2 Elektrisk energi og effekt . . . . . . . . . 133 5.3 Solceller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.4 Energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Forsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 F 5.1 Varme fra sola . . . . . . . . . . . 146 F 5.2 Solcelle . . . . . . . . . . . . . . . . 147 F 5.3 Åpne forsøk . . . . . . . . . . . . . 147
6 Oppvarming og enøk . . . . . . 6.1 Energieffektive løsninger i bygg . . . . 6.2 Solfangere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Varmepumper . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Hvordan virker en varmepumpe? . . . 6.5 Bioenergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Mer om metaller og batterier . . . . . . Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F 6.1 Enkel solfanger . . . . . . . . . . F 6.2 Fordamping . . . . . . . . . . . . . F 6.3 Varmeveksler . . . . . . . . . . . .
149 150 152 154 158 161 165 168 169 173 173 174 174
Stikkord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Kosmos EL
5
148
6 Oppvarming og enøk Vi må bruke ny teknologi som gjør det mulig å redusere energibruken vår. De siste årene har vi begynt å bruke varmepumper til oppvarming av husene våre. I tillegg må vi utnytte energien vi har, på best mulig måte. Vi tar i bruk nye typer lyspærer som bruker mindre elektrisk strøm, og vi isolerer husene mye bedre enn det som var vanlig for bare noen få år siden. Moderne bygg bruker mindre energi til oppvarming, og de bruker byggematerialer som ikke påvirker drivhuseffekten like mye. Vi kan varme opp vann og lage drivstoff av avfall og kloakkutslipp, og utslippene av klimagasser kan reduseres.
DETTE LÆRER VI OM
Elektrofag
• gjøre rede for sammenhenger mellom elektrisk energi og effekt og presentere noen energieffektive løsninger i bygg
• bruke begrepene vekselstrømsteknologi, likestrømsteknologi,
energilagring og virkningsgrad til å beskrive og drøfte metoder for bærekraftig energiproduksjon
Tverrfaglige tema: bærekraftig utvikling
6 • Oppvarming og enøk
149
I DETTE KAPITTELET LÆRER DU OM:
• passivhus, nullhus og plusshus
• energiøkonomisering i bygg • varmepumper og hvordan de virker
• beregninger av varmefaktor • bioenergi • metaller og batterier
6.1 Energieffektive løsninger i bygg Passivhus, nullhus og plusshus Det er viktig å utnytte den energien vi har, på best mulig måte. Det kan vi blant annet gjøre ved å isolere husene våre. Alle nye hus skal bygges med ekstra isolasjon, slik at energiforbruket blir lavere. Nye bygg kan nå deles inn i tre grupper: passivhus, nullhus og plusshus. Bor du i et passivhus, nullhus eller plusshus? Passivhus er godt isolert, har ekstra godt isolerte vinduer og få luft lekkasjer. Det stiller krav til varmegjenvinning ved ventilasjonen. I til legg utnyttes solvarmen ved at de har mye vinduer mot sør.
Godt isolerte tak og vinduer hindrer luftlekkasje.
Vi kan varme opp et passivhus ved å slippe tilstrekkelig med sollys inn i det. Når vi bruker sollyset på denne måten, kaller vi det passiv soloppvarming. Den enkleste måten å utnytte sollyset på, er å bygge hus med rom som har store vinduer. Vinduene må være på sørsiden av huset, der sollyset er sterkest. Når solen skinner, blir rommet varmet opp, og ved hjelp av ventilasjon kan vi bruke denne varmen til å varme opp resten av huset. Slik dekker vi en stor del av energibehovet i pas sivhus. Om sommeren er det viktig med solskjerming, ellers kan det bli ubehagelig varmt inne. Nullhus er enda mer energivennlige. Målet er at de samlet gjennom hele året skal klare seg uten energitilførsel utenfra. Da er vi avhengige av å bruke solceller. Slike hus kan forbruke energi om vinteren, men da må de levere energi når de har overskudd i sommerhalvåret. Det kan gjøres ved at solcellene leverer strøm til energiverket når de produserer mer enn vi trenger. Plusshus betyr at husene skal gå med overskudd av energi. Det gjelder også produksjonen av materi alene husene er bygd av. I 2013 ble det første huset som leverer strøm, koplet til strømnettet, og siden har det kommet flere. Når mange av husene når en slik standard, kan vi håpe på at vi klarer å redusere behovet for bruk av fossil energi. I tillegg er det viktig at det blir brukt materialer som gir lite utslipp av karbondioksid (CO2) under produksjon og bygging.
150
Plusshus. Ventilasjon med varmegjenvinning
Solcellepanel Elektrisitet til og fra nettet
Solskjerming
Isolasjon Lufttett bygningskonstruksjon
Varmepumpe
Automatisk skru av unødvendige elektriske artikler ved fravær Undergulvsoppvarming
Nye bygg kan nå deles inn i tre grupper: passivhus, nullhus og plusshus.
Energiøkonomisering betyr energisparing Enøk er en forkortelse for energiøkonomisering, altså energisparing. Tanken er at hvis vi skal ta vare på jorden, må vi redusere forbruket av energi. Enøktiltak kan være å isolere husene bedre og installere varme pumper eller annen strømsparende oppvarming. Vi kan også gå over til å bruke sparedusj og bytte ut lyspærene med LED-pærer. Energiøkonomisering i bygg: • isolering • installere varmepumper • sparedusj, LED-pærer • varmegjenvinning ved ventilasjon
LED-pære på 6 W. Det betyr at strømforbruket er på 6 W (tilsvarer en glødepære på 40 Watt). Lysstyrken er 470 lumen. Dette tallet bør du se på når du skal velge lyspære.
LED er en forkortelse for Light Emitting Diode, det vil si at dioder sender ut lys når det går strøm gjennom dem. Slike dioder brukes i lommelykter og kontrollpaneler. De blir også brukt i vanlige lyspærer. Når vi velger LED-pærer, bør vi se på lumentallet (lm). Det forteller oss hvor mye lys vi får fra lyspæra. LED-pærene har fordelen av at de bruker lite strøm, og de blir ikke så varme som de gamle pærene.
6 • Oppvarming og enøk
151
MER OM Energisparing i en videregående skole Den videregående skolen i Tvedestrand er et eksempel på et plusshus. Der blir varmebehovet dekket ved hjelp av 21 dype borehull med varmepumper. De sørger for oppvarming av vann og klasserom. Solceller som til sammen er like store som 5 håndballbaner, leverer strømmen som trengs. Strømmen som blir til overs, kan da leveres til byen.
HØR DEG SELV
1. Hva vil det si at et hus er et plusshus? 2. Hvorfor må vi tenke på energiøkonomisering? 3. Hvilke fordeler har LED-pærer framfor andre typer lyspærer? 4. Hva forteller lumentallet (lm)?
6.2 Solfangere Varme opp vann med sollys Vi kan lagre energien i sollyset og bruke den til å varme opp vann. Vannet kan brukes til oppvarming av hus eller til å dusje. Når vi bru ker solenergien på denne måten, sier vi at den har lav energikvalitet. Likevel er dette en effektiv måte å utnytte solenergien på. Solfangeranlegg på hustak.
Vann oppvarmet av solenergi har lav energikvalitet, likevel er dette en effektiv måte å utnytte solenergien på. 152
En enkel form for solfanger er en soldusj. Kanskje har du brukt en slik på campingtur, på hytta eller i båten? En soldusj er en stor pose av kraftig plast som man fyller med vann. Posen har én svart og én klar side. Den er koplet til en slange med et dusjhode og kan henges opp i et tre eller på en vegg. Etter et par timer er vannet så varmt at det kan brukes til å dusje i.
Slik virker en solfanger En solfanger er en innretning som bruker solenergien til å varme opp en væske – vanligvis vann. Varmeenergien kan vi bruke direkte, eller den kan lagres til senere bruk. En solfanger med pumpe og lager kaller vi et solfangeranlegg. Slike anlegg kan dekke en stor del av energi behovet vårt siden over 70 % av energibruken i husene våre går til oppvarming.
Solfangeranlegg.
Solfanger
Lager
Forbruker
Pumpe/vifte
Varmt vann
Beskyttelsesplate Luft Mørk plate Isolasjon Kaldt vann
Figuren til venstre viser hvordan en solfanger er bygd opp. Ytterst har den en beskyttelsesplate. Den skal slippe gjennom mest mulig av sollyset samtidig som den skal holde på luften innenfor. Bak beskyttelsesplaten ligger det et lag med mørke plater som skal fange opp mest mulig av sollyset, dessuten er det isolasjon som skal hindre varmetap. Gjennom det mørke laget går det rør med vann som er tilsatt frostvæske. En pumpe driver vannet gjennom rørene. Varmen fra vannet går til et varmelager, for eksempel en stor vann tank. Fra varmelageret kan vi hente ut varmt vann og bruke det til å varme opp huset eller til andre formål.
Tverrsnitt gjennom solfanger.
6 • Oppvarming og enøk
153