Denna power point är gjord för att du ska få en inblick i elektricitet. Vad är spänning, ström? Var kommer det ifrån? Varför lyser lampan? För många kan detta vara ett nytt ämne och till och med en helt ny värld som öppnar sig. Vi börjar därför från början. 1
All materia i vår värld är uppbyggd av atomer, atomer består av en kärna som i sig är uppbyggd av protoner och neutroner. Protonerna är positivt laddade (+plus) medans neutronerna är utan laddning och deras främsta syfte är att hålla ihop atomkärnan. 2
Runt atomkärnan finns ett moln av elektroner, dessa elektroner har en negativ laddning. (-minus) Elektronerna ligger i olika lager och kan liknas vid planeter som snurrar på olika avstånd från solen. Varje elektron snurrar runt kärnan med en hastighet av 7 miljoner miljarder varv i sekunden! 3
De elektronerna som svävar i de yttersta skalen sitter inte fast så hårt utan kan hoppa mellan olika atomer. Sådana elektroner kallar man ledningselektroner. Strävan i atomerna är att utjämna förhållandet mellan de negativa och positiva laddade delarna. 4
Atomer förekommer normalt inte ensamma utan sitter fast vid varandra på regelbundna sätt och i bestämda mönster, som man kallar molekyler. H 2 O är en sådan, den kemiska formeln för vatten. Vattenmolekylen består av två väteatomer (H) och en syreatom (O). (Någon har räknat ut att det finns 6.000.000.000.000.000.000.000 stycken atomer i en enda vattendroppe!) 5
Nästan all materia leder ström. Att elektronerna i de yttersta skalen inte sitter så hårt nämnde vi på någon sida innan och kan därför röra sig emellan olika atomer. När flera elektroner rör sig så uppstår en ström. 6
Dessa elektroner som hoppar mellan varann sitter olika hårt bundna till atomkärnan beroende på vad för slags materia det är. I metaller så sitter elektronerna ganska löst och kan därför röra sig ganska fritt emellan atomerna och sådant material kallas: Elektrisk ledare. Vanligaste materialet i kablar är koppar och det förekommer även aluminium. 7
Runt dessa elektriska ledare så sitter det plast. Den sitter där för att vi ska kunna ta i ledaren utan att få ström i oss. Och vad är det då som skiljer sig mellan den elektriska ledaren och plasten? Jo, i ämnet plast så sitter elektronerna nästan fast i atomkärnan och just därför kan inte elektronerna börja vandra emellan varandra. Andra ämnen som kan liknas med plast är porslin, glas, gummi, trä och andra syntestiska material. 8 Dessa ämnen kallar man isolatorer.
Andra ämnen som kisel, germanium, selen och många olika ämnen kallas halvledande. Dessa material är någonting mitt emellan ledande och icke ledande material. Halvledande material används som transistorer och dioder i elektroniska komponenter. Transistorer 9
I ett åskmoln samlas negativa laddningar i den nedre delen och positiva i den övre. När spänningsskillnaden mellan marken och molnet eller mellan molnets olika delar blir tillräckligt stor sker ett överslag och det bildas en gnista, blixten. Just efter att blixten utjämnat nivåskillnaden mellan de positiva och negativa delarna så byggs en ny nivåskillnad upp, blixten utjämnar o.s.v. 10
Hettan i en blixt är våldsam och kan förklara att t.ex. hus sätts i brand. På någon miljondels sekunder stiger temperaturen till omkring 30-50 000 grader, vilket är fem gånger högre än på solens yta. Några siffror på blixtnedslag Strömstyrka: 5000-500 000 Ampere, i snitt 20 000 Ampere Spänning: 10 miljoner - 100 miljoner Volt, i snitt 30 miljoner Volt (från moln på 1.5 km höjd till mark) Tiden för huvudurladdningen: 0.0001 sekund Antal urladdningar i samma blixt(kanal): 1-10, i snitt 3 Energin övergår till allra största delen till värme i blixtkanalen samt nära nedslagspunkten. I ett vanligt vägguttag hemma är spänningen 230V och oftast 11 10 ampere som maxuttag innan säkringen går sönder.
STATISK ELEKTRICITET Statisk elektricitet beror på att vi bygger upp ett under eller överskott av elektroner. T.ex. när kläder gnids mot golv eller möbeltyg så kan nivåskillnaden bli mer än 2000 volt. Gnistan som uppkommer när vi vidrör något ledande orsakar en ögonblicklig urladdning. 12
VAD HÄNDER? Vad händer egentligen i en elledning? När ingen ström är påslagen är rörelsen ganska låg bland atomerna och de få elektroner som vandrar mellan olika atomer rör sig lite hur som helst. 13
När strömmen slås på, d.v.s. när elektronerna påverkas av en elektrisk spänning, börjar dock alla elektronerna röra sig åt ett bestämt håll. De börjar hoppa mellan olika atomer i en rasande fart och en elektrisk ström uppstår. Om det finns ett överskott av elektroner hos en atom eller flera atomer, och ett underskott hos en annan atom, har man vad man på fackspråk kallar för spänningsskillnad eller potential skillnad. 14
Ju större skillnaden är mellan överskott och underskott desto större blir också spänningsskillnaden. Skillnaden uppstår genom att det i en strömkrets finns två olika poler. Ett batteri har t.ex. två poler som är märkta + för elektronunderskott och - för elektronöverskott. 15
När en ledare kopplas mellan dem skapas en sådan här skillnad. Spänningsskillnaden mellan polerna gör att elektronerna börjar röra sig och en elektrisk ström uppstår. En vanlig elledning består av två ledare som fungerar på ungefär samma sätt. 16
När du trycker på strömbrytaren till taklampan, kommer ledarna i förbindelse och en spänningsskillnad uppstår som genererar en ström, lampan lyser. Så länge det finns en sådan spänningsskillnad, kommer det att gå en ström genom ledningen. 17
Spänningsskillnaden kallas oftast bara för spänning och betecknas U. Den mäts i enheten Volt, vilket förkortas V. I matematiska formler använder man ofta U i stället för V. Det beror på att man måste skilja mellan storhet och enhet. Storheten är spänning och den mäts i volt. 18
Sträcka är en storhet som mäts i enheter som meter och ljusår. Tid är en storhet som mäts i enheten sekund. 19
Om elektronerna kunde passera fritt genom ledaren, skulle strömstyrkan lätt bli ofantligt hög. Strömstyrkan kan sägas vara den fart och kraft med vilken elektronerna rusar fram i ledaren. Ström betecknas I. Strömstyrkan mäts i enheten ampere och betecknas A. 20
Elektronerna möter motstånd i ledningen. Det är atomer som sitter i vägen och hindrar elektronerna från att rusa omkring fritt i ledningen. Detta kallas Resistans och beteckningen är R. 21
Motståndet som finns i ledaren mäts i Ohm, som förkortas med den grekiska bokstaven omega, Ω. Dessa tre enheter förhåller sig till varandra på ett lagbundet sätt, som brukar kallas Ohms lag. Den säger bl.a. att strömstyrkan är lika med spänningen dividerad med motståndet: U = R x I 22
Elektrisk energi och effekt Elektricitet går att mäta och på en rad olika sätt. Ett sådant är att betrakta elektricitet som en energiform. Energi kan vara förmågan att utföra ett arbete. 23
När du sitter vid din dator och hamrar på tangentbordet utför du ett arbete som kräver energi. Att skriva kräver dock normalt mindre energi än att löpträna eller fälla träd i skogen, men i alla tre fallen gör man av med en viss mängd energi. Orden kraft, arbetsförmåga och effekt betecknar här samma sak (storhet). James Watt Den mäts i enheten Watt, W, och brukar få den matematiska symbolen 24 P.
Även om det krävs mer kraft att fälla ett träd än att skriva ett mail, kan det på sikt gå åt mer energi framför datorn, än i skogen. Sitter du dag ut och dag in gör du till slut av med mer energi än att jobba stenhårt under en kort period. 25
Därför brukar man också tala om antalet watt under en sekund, som får enheten joule, J. Joule och watt under en sekund är beteckningar som förekommer parallellt. James Prescott Joule Det förkommer att man pratar om joule när man tränar, men på din elräkning har man räknat på antalet förbrukade watt per timma. Därav benämningen "kilowattimme", kwh. 26
Joule betecknas med J, men ibland skriver man Pxt, d.v.s. antalet watt gånger tiden, t. Vi får därmed ännu en formel: Energi = effekt x tid, d.v.s. E = P x t. 27
Om vi nu knyter an detta resonemang till Ohms lag, får vi följande samband: Effekten blir större om spänningen eller strömstyrkan ökar. Effektens storlek får vi genom att multiplicera spänningen med strömstyrkan: Effekt = spänning x strömstyrka eller P = U x I. 28
Motståndet i en ledare innebär att effekten påverkas. Har ledaren stort motstånd bromsas atomerna upp och det uppstår friktion, som i sin tur leder till värmeutveckling. Fenomenet är exakt likadant som när du gnuggar händerna mot varandra: de blir varma av friktionen. 29
Friktionen innebär alltså att en del av effekten förloras som värmestrålning. Den förlorade effekten kan ingå i formeln och beräknas. Det finns också en rad andra faktorer som spelar in och som alla som konstruerar elektroniska komponenter måste ha klart för sig. Det går vi inte in på här. 30
Likström och växelström Man kan säga att det finns två olika slags elektrisk ström, likström och växelström. Dessa har något olika användningsområden. Likström används t.ex i batterier. Växelström används i det vanliga elnätet och är den vanligaste strömarten i de flesta länder. 31
Likström innebär att elektronerna hela tiden rör sig i samma riktning. Växelström innebär således att elektronerna hela tiden och med jämna mellanrum byter riktning; Först rusar de åt ena hållet och sedan vänder de och rusar åt andra under lika lång tid. Hastigheten som elektronerna byter riktning med mäts i Hertz, Hz, som står för svängningar per sekund. 32
En svängning kan liknas vid en våg, där spänningen varierar från ett positivt till ett negativt värde. Hela förloppet, som bilden visar, kallas för en period. 33
Det är alltså antalet perioder per sekund som utgör växelströmmens frekvens. I Sverige och övriga Europa har strömmen 50Hz. Det innebär att strömmen ändrar riktning 100 gånger i sekunden. I USA använder man 60Hz. 34
Inom elektroniken betecknar man ofta likström med likamedstecken, =, eller bokstäverna DC (Direct Current). Växelström betecknas med en våg, ~, eller AC (Alternating Current). Med hjälp av en transformator kan man göra en växelström starkare eller svagare. Man kan också omvandla växelström till likström om man vill 35
Ohms lag 36