Förord Denna lärobok/arbetsbok är avsedd för de två kurserna Ellära A och B för gymnasieskolan. Utbildningsmaterialet, som är kursrelaterat, skall efter genomgång ge eleven de kunskaper och färdigheter som uppställts för de två kurserna. Efter genomgången kurs A skall eleven kunna utföra mätningar i lik och växelströmskretsar med hjälp av analoga och digitala instrument kunna utföra beräkningar i likströmskretsar och resistiva växelströmskretsar med användning av formler ha kunskap om elektriska storheter och enheter samt förstå sambanden mellan storheterna ha kunskap om de material som används till ledare, halvledare och isolatorer ha kunskap om motor, generator och transformatorprinciperna Efter genomgången kurs B skall eleven dessutom kunna utföra mätningar i induktiva och kapacitiva kretsar med hjälp av analoga och digitala instrument samt med oscilloskop kunna utföra beräkningar i induktiva och kapacitiva kretsar med användning av formler och visardiagram ha kunskap om instrumentens inverkan på mätkretsarna ha kunskap om på vilka olika sätt elektrisk ström alstras ha kunskap om komponenters egenskaper och användningsområden ha kunskap om metallers elektriska egenskaper ha kunskap om den elektriska strömmens verkningar Läromedlet är huvudsakligen självinstruerande och ger lärare och elev hjälp i sin lektionsplanering. I bokens början finns underlag för denna planering. Där kan läraren tillsammans med eleven / eleverna göra en kursplan med utgångspunkt från den garanterade undervisningstiden. För att eleven skall lyckas med kursen är det viktigt att matematikläraren deltar i kursplaneringen. I avsnitt som eleverna finner svåra bör läraren ge kompletterande undervisning. Varje avsnitt börjar med en förklarande text som åtföljes av ett eller flera typexempel, där vi speciellt visar metod för lösning av exemplen. Vidare finns ett antal exempel som eleverna själva skall lösa. Grundläggande laborationer, utförs med hjälp av den till kompendiet hörande eltrainern och/eller datorprogrammet Electronics Workbench/multiSIM 10. Till varje kapitel hör också ett antal övningsexempel, att användas som hem eller inlämningsuppgifter eller i matematiken som tillämpningsövningar. All kopiering av delar eller hela boken förbjuds. Roger Andersson, Jerry Grahn, PerOla Johansson, OraSoft HB 2001 ISBN nummer 9163081695
Kapitel 1 Resistorer Ledare, isolatorer och halvledare I elektriska sammanhang indelas material i grupper. En sådan indelning är ledare och isolatorer. Som namnet anger är ledare material som har förmåga att leda ström, medan isolatorer har motsatt förmåga dvs förhindrar att ström flyter. Mellan dessa två ytterligheter finns halvledarna. De flesta metaller tillhör gruppen ledare. Vanligast förekommande material i ledare är koppar, aluminium och silver. Vanliga material i gruppen isolatorer är plast, glas och porslin. Bland halvledarna är germanium och kisel de vanligaste materialen. I synnerhet kisel har fått en enorm betydelse inom modern elektronikindustri genom att det används som råvara vid nästan all tillverkning av integrerade kretsar och halvledarkomponenter. Indelning av material: 1... 2.... 3.... Vanligaste ledarmetallerna: 1.... 2.... 3.... Vanligaste isolatorerna: 1.... 2.... 3.... Vanligaste halvledarna: 1.... 2.... Resistivitet Alla ledare och apparater som är avsedda att anslutas till en elektrisk spänning utövar motstånd (resistans) mot den elektriska strömmen. En ledare av koppar utgör dock mindre motstånd (resistans) än en motsvarande ledare av järn. Ledarens motstånd (resistans) är alltså beroende av ledarmaterialets egenskaper. Resistansens beroende av materialet kallas resistivitet och mäts i Ωmm 2 /m. Ledare med hög resistivitet kallas motståndsmaterial. Exempel på ett motståndsmaterial är volfram. Volfram utgör relativt stort motstånd (resistans) mot den elektriska strömmen vilket gör att det utvecklas värme i materialet. Volfram har mycket hög smälttemperatur, 3370 C (järn smälter vid 1540 C), och är därför lämpligt att använda till glödtrådar i glödlampor, i värmeelement, lödkolvar och spisplattor m.m. Ett annat användningsområde för motståndsmaterial är tillverkning av elektriska komponenter. Sådana komponenter kallas motstånd eller resistorer och är den vanligast förekommande komponenten i elektronikkretsar och används bl a till att begränsa strömmen i elektriska kretsar.
Kapitel 2 Ohms och Kirchoffs lagar Ett av de viktigaste sambanden i den grundläggande elläran är Ohms lag. Denna lag visar sambandet mellan ström, spänning och resistans. Ström Spänning Storhetsbeteckningen för ström är I och enheten är ampere. För ampere används enhetsbeteckningen A. Exempel: I = 1A Storhetsbeteckningen för spänning är U och enheten är volt. För volt används enhetsbeteckningen V. Exempel: U = 1V Ohms lag kan skrivas på olika sätt beroende på vilken storhet man söker. U = I * R I = U R R = U I Typexempel Till en resistor på 10 ohm ansluts en spänning av 6 volt. Hur stor ström flyter i kretsen? I=? U = 6 V I =? R = 10 ohm U=6V R=10Ω I = U R I = 6 10 I = 0,6 A För att illustrera strömmen och dess riktning ritar man en fylld pil på ledaren. Pilar för att illustrera spänningens riktning ritas, ofyllda eller öppna, parallellt med komponenten. Spänningspilen skall alltid vara riktad från plus till minus. Typexempel Genom en belastning som inkopplats till 120 volt flyter en ström 60 ma. Hur stor är belastningens resistans? U U = 120 V I=0,06A R = I I = 60 ma = 0,06 A R = 120 R =? U=120V R=? 0,06 R = 2000Ω (2k Ω)
Kapitel 3 Batterier Batterier indelas i primärbatterier (ej laddningsbara) och sekundärbatterier (ackumulatorer). Benämningarna kommer av att man förr laddade ett sekudärbatteri från ett primärbatteri. Ett batteri består av ett eller flera galvaniska element, som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Omvandlingen sker utan att någon yttre energi tillföres. Anm: Batteri = (inom fysiken) ett antal likartade sammankopplade enheter. I praktiken, flera galvaniska element. Primärbatterier Batterier består av två elektroder skilda åt av någon form av ledande vätska eller massa (elektrolyt). Vanligaste primärbatterier är brunstensbatterier, alkaliska batterier, magnesiumbatterier, kvicksilverbatterier, silveroxidbatterier och litiumbatterier. Brunstensbatteriet är det vanligaste och billigaste batteriet. Elektrolyten är salmiak och zinkklorid. Om elektrolyten läcker ut fräter den sönder batterihållare, mönsterkort och omgivande komponenter. Brunstensbatterier finns i olika utförande beroende på vad de är avsedda att användas till. Det finns brunstensbatterier som är gjorda för låga strömuttag under lång tid och de som är gjorda för stora strömuttag under kort tid (motorbatterier). Dessutom finns det sådana som är gjorda för universell användning (en kompromiss). Ett nytt brunstensbatteri ger 1,5 volt, men spänningen sjunker i takt med att man belastar batteriet. Kapaciteten minskar också kraftigt vid temperaturer under 0 C. Silveroxidbatteriets största fördel är att det håller utspänningen relativt konstant (1,5 volt) under förbrukningstiden för att sedan mot slutet sjunka mycket snabbt. De användes i kameror, kalkylatorer och klockor. Kvicksilverbatteriet ger 1,35 1,4 volt under förbrukningstiden för att därefter sjunka snabbt. Samma användningsområde som silveroxidbatteriet. Alkaliska batterier har högre kapacitet än motorbatteriet och tål högre strömuttag. Alkaliska batterier är därför lämpliga för att driva små bandspelare och blixtaggregat. Det alkaliska batteriet arbetar också effektivt inom temperaturområdet 30 till 70 C. Litiumbatteriet ger cellspänningen 3 volt (3,6 volt) och användes främst för minnesbackup, klockor, kameror och säkerhetsapparater med höga krav på kapacitet och tillförlitlighet. Litiumbatteriet fungerar bra även under extrema temperaturförhållanden och har mycket goda egenskaper för långtidslagring (10 år). Litiumbatterier finns numera i uppladdningsbara varianter.
Kapitel 4 Energi och effekt Energi Energi kan inte förstöras utan bara omvandlas till andra energiformer. För att uträtta ett arbete krävs energi. Arbetet pågår under en viss tidsperiod. Den energi som förbrukas (omvandlas) beror på vilken effekt som utvecklas per tidsenhet och man kan därför säga att effekten är ett mått på hur snabbt energin omvandlas (energi/tidsenhet). Den elektriska kretsens uppgift är att utföra någon form av arbete, energiomvandling. i ett elektriskt element omvandlas elenergi till värmeenergi i en motor omvandlas elenergi till mekanisk energi i en glödlampa omvandlas elenergi till strålningsenergi (ljus) i ett batteri omvandlas kemisk energi till elenergi Energi betecknas med W och mäts i wattsekunder (Ws), joule (J) och newtonmeter (Nm). 1Ws = 1J = 1Nm För el energi används enheten wattsekunder (Ws) För värme energi används enheten Joule (J) För mekanisk energi används enheten newtonmeter (Nm) Exempel W = 10Ws ( Energin är 10 wattsekunder ) W = 1200 J ( Energin är 1200 Joule ) W = 600 Nm ( Energin är 600 newtonmeter ) Effekt Effekt betecknas med P och mäts i watt. Exempel P = 15 W ( Effekten är 15 watt ) Wattsekunder är en liten enhet, så den energi vi förbrukar i lägenheter, villor och industrier registreras av sk. kilowatttidmätare, som mäter antalet förbrukade kilowattimmar. Energi Effekt 1 Ws wattsekund 1 Ws 1 W 1W 1 Wh wattimme 3600 Ws 1 kw 1000 W 1 kwh kilowattimme 1000 Wh 1 MW 1 000 000 W 1 MWh megawatttimme 1 000 000 Wh 1 TWh terawattimme 1 000 000 000 Wh
Kapitel 5 Kondensatorer Om två metallplattor placeras bredvid varandra kommer de att bilda en kondensator. Det innebär att de båda elektroderna (plattorna) får en förmåga att upptaga elektrisk laddning i stil med ett elektriskt batteri. Kondensatorplattorna har normalt lika antal negativa laddningar (elektroner) och är då elektriskt neutrala i förhållande till varandra. S Om ett batteri kopplas till kondensatorns elektroder (S = till) kommer elektroner att "dras" från den ena elektroden och via batteriet placeras i den andra, enligt figuren. S I Det flyter en elektrisk ström (laddningsström) i kretsen. Den övre elektroden får underskott på negativa elektroner (= plus) och den undre elektroden får överskott på elektroner (=minus). Det blir en spänningsskillnad mellan elektroderna, man säger att kondensatorn har laddats. Denna förmåga att upptaga laddning kallas kapacitans och betecknas med C. Enheten är Farad (F). Kapacitansen är 1 Farad om laddningen är 1 As (amperesekund) vid 1 volt: C = Q U Farad är ett mycket stort värde och därför inte så praktiskt att använda, därför är de mindre enheterna µf och pf mycket vanligare. 1 µf 0,000001 F 1*10 6 F 1 nf 0,000000001 F 1*10 9 F 1 pf 0,000000000001 F 1*10 12 F Det som avgör kapacitansens storlek är elektrodernas area och avståndet mellan dem. Isoleringen mellan elektroderna benämnes dielektrikum. Med glas som dielektrikum ökar kapacitansen 10 ggr i förhållande till luft. Vissa typer av keramik kan öka kapacitansen upp till 50.000 ggr.
Kapitel 6 Magnetism och induktion Magnetism är ett fysikaliskt fenomen som ger upphov till kraftfält kring föremål av vissa material samt kring elektriska strömmar. Magnetism förekommer dels naturligt i järnmineralerna magnetit och magnetkis, men kan även alstras konstgjort t ex i elektromagneter. Magnetism är en viktig del i den grundläggande elläran. Det finns ett nära samband mellan elektrisk ström och magnetism. Den elektriska strömmen ger upphov till ett magnetfält som utnyttjas i många elektriska apparater exempelvis kontaktorer, reläer, elmotorer och transformatorer. För att lära sig hur dessa apparater fungerar måste man ha kunskaper om magnetismen. I motsats till de elektriska storheterna ström, spänning och resistans är magnetiska storheter svåra att mäta. Magnetiska fält ( magnetiskt flöde ) Runt en magnet finns ett magnetiskt fält. Fältlinjerna som är slutna är utanför magneten riktade från magnetens nordpol till dess sydpol. Inuti magneten är fältlinjerna riktade från syd till nord. Fältlinjerna (magnetflödet) är tätast kring magnetens poler dvs flödestätheten är störst vid polerna. magnetiska fältlinjer S N Om två magneter placeras intill varandra med olika poler mot varandra, som figuren visar dras magneterna till varandra. S N S N Placeras magneterna med lika poler mot varandra stöter magneterna ifrån varandra. S N N S Beteckningen för det magnetiska flödet är φ (fi) och mäts i Weber (Wb). Exempel: φ = 2,5 Wb Den magnetiska flödestätheten betecknas med B och mäts i tesla (T). Exempel : B = 0,5 T Elektromagnetism En dansk fysiker (H.C. Örsted, 17771851) upptäckte att runt en strömförande ledare finns ett cirkulärt magnetfält. Det magnetiska fältets riktning är beroende av strömmens riktning. Se figuren nästa sida.
Kapitel 7 Växelström Likström (DCdirect current) är en ström som inte växlar riktning. Det vill säga strömmen har samma riktning hela tiden. Strömmens riktning är alltid från spänningskällans pluspol, genom belastningen och åter till minuspolen. Växelström (ACalternating current) däremot skiftar polaritet och storlek. Den elenergi vi nyttjar inom industri och i hemmen alstras i kraftverkens växelströmsgeneratorer. Växelspänning kan också alstas med hjälp av elektroniska komponenter. Den vanligaste kurvformen för växelspänning är sinusform. Även andra kurvformer förekommer ex.vis fyrkantform och sågtandform. Genererering av sinusformad spänning Figuren visar schematiskt en enfasgenerator. Den i ledaren inducerade växelspänningen (emk) "matas" ut via två roterande släpringar till belastningen som utgörs av en lampa. Då ledaren vrids runt i magnetfältet, som alstas av den permanenta magneten (N och S) kommer ledaren att "skära" det magnetiska fältet. Därvid alstras i ledaren en elektromotorisk kraft (emk) som i sin tur ger upphov till en ström i kretsen. När ledaren rör sig i magnetfältet induceras en sinusformad spänning. Den största spänningen induceras när ledaren skär fältet vinkelrätt. Detta sker vid 90º repektive 270º. Ledaren skär då största antalet fältlinjer per tidsenhet. När ledaren passerar 0º och 180º rör den sig parallellt med fältet varför ingen spänning alstras. N S Sinusformad ström Om en belastning ansluts till en sinusformad växelspänningskälla, kommer spänningen att driva fram en ström i den slutna kretsen. När spänningen ändrar storlek och riktning ändrar strömmen på samma sätt storlek och riktning periodiskt. Strömmen följer spänningens form och är därmed sinusformad.
Kapitel 8 Transformatorn En transformator består av en sluten järnkärna med en primärlindning och en sekundärlindning. För att minska virvelströmsförlusterna är järnkärnan sammanfogad av tunna isolerade järnplåtar. En transformators uppgift är att överföra och transformera (omvandla) en växelspänning från primärsidan till sekundärsidan. Om en sinusformad växelspänning ansluts till primärsidan ger strömmen upphov till ett sinusformat magnetflöde i järnkärnan. Eftersom sekundärlindningen befinner sig i detta föränderliga magnetflöde induceras i lindningen en sinusformad spänning. Om flödet vore konstant skulle ingen spänning induceras. Av detta följer att transformatorn inte kan överföra likström. Järnkärna Primär Sekundärlindning lindning Symbol I primärlindningen induceras också en spänning (motemk) som är motriktad den påtryckta spänningen. Motemk:n begränsar strömmen i lindningen till ett mycket lågt värde om ingen belastning är ansluten till sekundärlindningen. Strömmen är den s.k tomgångsströmmen (I 0 ). Till primärsidan som alltid är ansluten till den matande strömkällan (ofta nätet) tillförs energi. Sekundärsidan avger alltid energi till olika belastningar.