Föreläsning 1 Vad är en elektrisk spänning? Det finns två grundläggande fysikaliska begrepp som inte kan förklaras på ett enkelt sätt. Massa Elektrisk laddning Inom eltekniken börjar vi med elektrisk laddning. Vi förklarar inte vad elektrisk laddning egentligen är utan nöjer oss med att konstatera att det finns elektriska laddningar i all materia. Det finns två sorters laddning, Positiv laddning och Negativ laddning Om det finns lika mycket positiv som negativ laddning i en bit materia är biten neutral. 2008-09-24 1 Ta en bit neutral materia + - - + - + - + - + + - - + - + med lika många positiva som negativa laddningar jämnt fördelade. Antag nu att vi kan flytta laddningarna så att de negativa är koncentrerade till vänster och de positiva till höger. - - - - + + + + - - - - + + + + Vi får då en positivt och en negativt laddad del av biten. Detta är vad som sker automatiskt i ett elektriskt batteri. Samma sak sker i en elektrisk generator. 2008-09-24 2 I ett batteri sker förflyttningen på kemisk väg och i en generator på mekanisk väg. En apparat med denna egenskap kallas för en elektrisk spänningskälla. Det finns alltid metalliska anslutningar till de två laddade delarna i en spänningskälla. Dessa kallas poler. Enheten för elektrisk spänning är volt som förkortas V. Ett litet runt ficklampsbatteri har spänningen 1,5 V. Mängden positiva laddningar på den positiva polen är lika stor som mängden negativa laddningar på den negativa polen. Detta gäller alltid. Storleken på denna automatiska laddningsförflyttning inne i en spänningskälla anges med en storhet som kallas spänning. En spänning har man alltid mellan två punkter. Den ena punkten anges med + och den andra med. 2008-09-24 3 Den positiva polen utgörs av den lilla runda knoppen på ovansidan. Batteriet längst till höger i figuren har spänningen 9 V. 2008-09-24 4
Det finns två sorters spänning. Spänningen hos ett batteri är alltid lika stor. Det är en likspänning. I ett vanligt vägguttag har man växelspänning. Det är en spänning vars storlek hela tiden ändrar sig enligt ett visst mönster. Denna ändring är dock så snabb att den inte märks. En växelspännings storlek anges med ett sorts medelvärde som kallas effektivvärde. Effektivvärdet i ett vanligt vägguttag är 230 V. Varför använder man växelspänning? Ledningar ansluts till en spänningskälla. Ansluter man två ledningar till de två polerna hos en spänningskälla har man också tillgång till spänningen mellan de två ändpunkterna på ledningarna. Ledningarna utgörs alltid av koppartrådar. Om de två ledningarna kopplas ihop kortsluts spänningen Man får aldrig kortsluta en spänningskälla. I värsta fall inträffar en explosion. Laddningar kan röra sig. Den viktigaste fördelen med en växelspänning är att den kan transformeras till en annan storlek i en transformator. Detta går inte med likspänningar. Generatorer och motorer är enklare, driftsäkrare och billigare för växelspänning. 2008-09-24 5 Antag att du sitter i en bil. Du gnider kanske bakdelen mot bilsätet. Det kan då hända att du gnider av negativa laddningar från sätet som sätter sig i din byxa. Du får då ett överskott på negativa laddningar. Du blir negativt laddad och samtidigt blir bilen då positivt laddad. 2008-09-24 6 När du stiger ur bilen och tar i bildörren rusar laddningarna blixtsnabbt tillbaka. Du känner detta som en elektrisk stöt eftersom laddningarna rör sig tillbaka genom din kropp. När det regnar kan regndroppar dra med sig negativa laddningar från ett moln ner till jorden. Molnet blir positivt och jorden under blir negativ. Till slut blir molnets laddning så stor att laddningarna börjar röra sig tillbaka i luftens fuktighet. När de väl har börjat röra sig rör de sig lättare och lättare vilket vi ser som ett blixtnerslag. Båda fenomenen är exempel på elektriska urladdningar. Positiva och negativa laddningar dras till varandra. All materia strävar efter att vara neutral. Det är bara inuti en spänningskälla som ett batteri eller en generator som denna naturlag inte gäller. 2008-09-24 7 I de båda urladdningsexemplen kan till en början inte laddningarna röra sig. En människokropp eller vattendroppar i luften leder inte laddningar särskilt bra. Till slut blir laddningsskillnaden och krafterna på laddningarna för stora och laddningar börjar flyga över. När väl laddningarna har börjat röra sig rör de sig lättare och lättare. Förloppet går blixtsnabbt. En koppartråd däremot leder laddningar nästan perfekt. Systemjordning. Det är viktigt att komma ihåg att man alltid har en elektrisk spänning mellan två punkter. Det är inte lämpligt att säga att man har en spänning i en punkt. Man brukar vilja ha en av polerna hos en spänningskälla som en elektrisk referenspunkt. Detta åstadkommer man genom att jorda en av polerna. En sådan 2008-09-24 8
jordpunkt i ett elektriskt system kallas för systemjord. En bra jordning får man om man ansluter ledningen som skall jordas till ett järnspett som är neddrivet i marken. En av ledningarna vi får in i våra hus och lägenheter är systemjordad av elleverantören. Denna ledning kallas för nolledningen eller nollan. Nolledningen är alltid blå. Vägguttag. Det finns ojordade och jordade vägguttag. Vi börjar titta på ledningarna till ett ojordat uttag. Läs igenom vad som står om ojordade vägguttag på sidorna 20 23 i elsäkerhetspocket. 2008-09-24 9 Den blå ledningen skall inte förväxlas med den extra ledning som finns i ett jordat vägguttag. Den andra ledningen i vägguttaget är svart. Denna kallas för fas. Spänningen mellan nollan och en fas kallas fasspänning. Fasspänningen är alltid 230 V i en bostad. I Sverige finns inga krav på vilket av hålen i ett vägguttag som skall vara nollan och och vilket som skall vara fasen. Med ett instrument som kallas spänningsprovare eller spänningsindikator kan man avgöra vilket hål som är fasen. Se sidan 73 i elsäkerhetspocket. Spänn skruvar som håller ledningar! Ibland kan man se att det är lite brunfärgat runt ett av hålen i ett vägguttag. Det beror med stor sannolikhet på att ledningen inte är ordentligt fastskruvad i uttaget. Om skruven som håller fast en elledning inte är ordentligt spänd blir det glapp. Glappet kan orsaka 2008-09-24 10 gnistbildning med brand som följd. Fenomenet brukar kallas varmgång. Elektrisk energi och ström. En spänningskälla används för att ge energi i form av 1. värme 2. ljus 3. rörelse (i en elmotor) Mängden energi som avges per sekund kallas effekt, vars storhet är 1Watt som förkortas 1W. Försök förstå skillnaden mellan energi och effekt. Vi har nämnt tidigare att positiva och negativa laddningar dras till varandra med en kraft. I en spänningskälla vill därför de positiva laddningarna som finns i överskott vid den positiva polen gärna flyga över till den negativa polen. Kemiska eller mekaniska fenomen gör att detta aldrig sker inne i en spänningskälla. 2008-09-24 11 Detta sker däremot utanför spänningskällan om man kopplar en värmetråd, en lampa eller en elmotor till spänningskällan med två kopparsladdar. Värmetråden, lampan och motorn kallas för elektriska belastningar. Läs om lampor på sidorna 10 och 11 i elsäkerhetspocket. Antalet laddningar som rör sig beror på belastningen som koppas till spänningskällan. En belastning är oftast avsedd för en viss storlek på spänningen (ett visst antal volt). Om en större spänning än den avsedda kopplas till belastningen är det stor sannolikhet att belastningen förstörs. Om laddningar på detta sätt rör sig genom en belastning återställs alltid laddningsskillnaden som finns i spänningskällan. Spänningen förblir konstant. I ett batteri kan man inte flytta över hur 2008-09-24 12
många laddningar som helst på detta sätt. Så småningom orkar inte de kemiska processerna i batteriet återställa laddningsskillnaden. Batteriet blir urladdat. En spänningskälla är värdelös om inte spänningen är konstant. Laddningar som rör sig genom en belastning kallas elektrisk ström. Storleken på strömmen (antal laddningar per sekund) kallas för strömstyrka. Enheten för strömstyrka är 1 Ampere som förkortas 1A. Man måste alltså ha en spänning för att få en ström. Multiplicerar man spänningen mellan de två anslutningarna till en belastning med strömstyrkan genom belastningen får man effekten. 2008-09-24 13 Det är strömmen som är farlig. Man kan bara få ström genom kroppen om två olika punkter, mellan vilka det finns en spänning, kommer i kontakt med kroppen. Två faktorer bestämmer då hur stor strömmen genom kroppen blir. Den ena är hur stor spänningen är mellan punkterna, ju högre spänning ju högre ström. Den andra beror på hur bra kroppen leder ström. En viktig faktor är hur fuktig man är vid kontaktställena. Därför finns speciella krav på elinstallationer i våtutrymmen. Eftersom nollan är jordad är den också i kontakt med alla byggnader som står på marken. Den elektriska kontakten finns där även om den kanske inte är så där jättebra överallt. Står man på ett golv är fötterna i kontakt med nollan. Skulle en hand komma i kontakt med något som är förbundet med en fas får man 230 V mellan fötterna och en hand. Det flyter då livsfarlig ström genom kroppen. 2008-09-24 14 Sverige är ett av de elsäkraste länderna i världen. I genomsnitt sker 4 olyckor per år där någon omkommer på grund av elektrisk ström genom kroppen. Det finns en rad olika sätt att skydda användaren mot elchock. Några gås igenom på nästa föreläsning. Strömbrytare. Fast installerade strömbrytare skall alltid bryta fasen, inte nollan. elrör kopplingsdosa lamputlopp apparatdosa med strömbrytare 2008-09-24 15 Från elcentralen kommer fasen och nollan i ett elrör till en kopplingsdosa som brukar sitta nära taket. Fasledningen fortsätter ner i elröret som går ner till strömbrytaren i en apparatdosa. Nolledningen fortsätter till lamputloppet (lamputtaget). Avslutningsvis dras en ledning mellan strömbrytaren och lamputtaget. Denna ledning kallas tändtråd. Tändtråden är oftast vit. Läs om strömbrytare i elsäkerhetspocket på sidorna 28 31. Kopplingsdosan. Låt oss följa ledningarna från ett ojordat vägguttag. Det troliga är att uttaget sitter i en likadan apparatdosa som en strömbrytare. Från apparatdosan går ledningarna i ett elrör till en kopplingsdosa. Kopplingsdosan fungerar som en samlingspunkt för ledningar från vägguttag, lamputlopp och strömbrytare. Ledningarna kopplas ihop med toppklämmor. 2008-09-24 16
doslock apparatdosa kopplingsdosa Änden på ledningarna som skall förbindas skalas ca 15 mm. Ändarna sticks in i toppklämman som sedan skruvas fast över ledningarna. Flera apparat- och kopplingsdosor kan kopplas ihop med elrör. Ledningarna kan också vara utanpåliggande. De finns då i en kabel. Dosor, vägguttag och strömbrytare är då också utanpåliggande. En av kopplingsdosorna som är ihopkopplade matas från elabonnentens gruppcentral Skyddsjord Ett vägguttag har oftast ytterligare en anslutning som kallas skyddsjord. Skyddsjord och systemjord har inget med varandra att göra. För att förstå hur SKYDDSJORDNING fungerar måste du först helst glömma bort att nollan är jordad. Tänk dig att endast två ledare kommer in till gruppcentralen och att det inte är någon skillnad mellan dem. Spänningen mellan dem är 230 V. Vi vill nu förebygga personskador om en av ledarna p g a isolationsfel skulle komma i kontakt med en UTSATT DEL. En utsatt del är: en för beröring åtkomlig del, som normalt inte är spänningsförande, men som vid fel kan bli det. Om alla utsatta delar förbindes med jord kan det aldrig flyta ström i en annan 'sämre' förbindning mellan en sådan del och jord. (säkringsskåp). 2008-09-24 17 2008-09-24 18 Den 'sämre' förbindningen kan utgöres av en människokropp, en hand i kontakt med utsatt del och fötterna i kontakt med ett golv som kan anses vara jord. Hur skall man då på ett bekvämt sätt kunna förbinda alla utsatta delar med jord? Eftersom två ledare (230 V) redan finns dragna från en punkt där matningen kommer in till gruppcentralen är det enkelt att inkludera ytterligare en ledare, en SKYDDSLEDARE. Denna skall vara gröngul-randig. Alla skyddsledarna kopplas sedan samman till en punkt. Observera att det nät som alla skyddsledarna utgör är fullständigt isolerat från elsystemet i övrigt. Om nu denna punkt ansluts till jord är alla utsatta delar jordade tillfredställande. Var och hur skall man jorda denna punkt? En lösning hade kunnat vara att elleverantören gör en bra jordning och förser abonnenten med ytterligare en ledning, en skyddsledare. 2008-09-24 19 Nollan är redan jordad så varför dra två parallella jordade ledare? Oftast kan elleverantören garantera att nollan är en bra jordpunkt där matningen kommer in även om det flyter ström genom den. Därför kopplas ofta skyddsjord och nolla ihop där matningen kommer in. Nolledning och jord får aldrig kopplas ihop på något annat ställe än där matningen kommer in. Ström får aldrig flyta i en skyddsjordsledare. De gemensamma ledningen skyddsjord/nolla till abonnentens gruppcentral kallas PENledare, Protective Earth and Neutral. Genom att skyddsjorda undviker man att få ström genom kroppen om man råkar röra vid en utsatt del som pga fel är i kontakt med en livsfarlig spänning i förhållande till jord t ex 230 V. 2008-09-24 20