Kurs elektricitet

Info om sidan  Träna begrepp Stortest Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Deltest 3 Deltest 4

ENERGI

Energi finns omkring oss i allt som rör sig, lever, som lyser som är varmt och mycket annat. Energi är något som får saker att hända. Energi är ett viktigt begrepp inom fysiken, kanske det viktigaste.

All energi på jorden kommer från solsystemets skapelse (ursprungligen Big Bang). Det är inte bara ljus från solen utan även från jordens varma inre och grundämnen som man använder i kärnkraftverk (radioaktiva).

En viktig regel (princip) kring energi är: ”Energi kan inte förstöras eller skapas utan bara omvandlas”. Denna mening kallas energiprincipen. På grund av denna princip kommer du aldrig att kunna bygga en evighetsmaskin.

Prylen på bilden kallas Newtons vagga. När kulorna krockar kommer lite av rörelseenergin att omvandlas till värmeenergi. Därför stannar kulorna efter ett tag.

Vetenskapen har delat in energi i olika energityper beroende hur energin visar sig. De kallas för energiformer. Det finns olika varianter och namn på denna indelning men här är en vanlig indelning:

  • Strålningsenergi .Kallas även ljusenergi. Energi som strålar helt enkelt. t.ex. solen lampor
  • Ljudenergi. Det som låter innehåller energi.
  • Elektrisk energi. Elektricitet är energi som dessutom lätt kan omvandlas till andra energiformer.
  • Värmeenergi. Allt som är varmare än den absoluta nollpunkten (-273 grader Celsius) innehåller värmeenergi.
  • Kemisk energi. I kemiska ämnen finns det lagrad energi. T. ex. mat, bensin, batterier.
  • Kärnenergi. Kallas ibland atomenergi. Det är energi som kan fås från speciella radioaktiva ämnen.
  • Rörelseenergi. Allt som rör sig har denna energi. Rörelse (på jorden) kräver energi, helt enkelt.
  • Lägesenergi. Ett föremål som har möjlighet att falla ner har en form av lagrad energi som kallas lägesenergi. Denna energityp hänger väldigt mycket ihop med rörelseenergi eftersom lägesenergi alltid omvandlas till rörelseenergi. Ett föremål som rör sig uppåt får också alltid lägesenergi.
  • Mekanisk energi. Det är ett gemensamt namn för rörelseenergi och lägesenergi. Här hittas också elastisk energi som är en form av lagrad energi i utdragna gummisnoddar och liknande.

Fördjupning

ENERGIÖVERGÅNGAR

Energiprincipen säger att energi kan inte skapas eller förstöras utan bara omvandlas. Det innebär att om någon form av energi används så försvinner den inte utan omvandlas bara till något annat.

Exempel 1. Du gnuggar dina händer så det blir varmt.

Exempel 2. En lampa tänds.

 

 

Kommentar: Ljusets studsar runt och omvandlas slutligen till värmeenergi.

Exempel 3. Du använder din mobil

Kommentar: Batteriet innehåller kemisk energi som omvandlas till elektricitet. Elektriciteten omvandlas sedan till flera andra energier.

 

Exempel 4. Du tappar din mobil i golvet.

Kommentar: Alla föremål som har möjlighet att falla har lägesenergi. Lägesenergin omvandlas alltid först till rörelseenergi. När mobilens skärm går i tusen bitar omvandlas rörelseenergin till ljudenergi.

Exempel 5 Du kör bil.

Bilens bensin är den kemiska energin. Bilen rör sig. Bilens generator ger elektricitet som sedan ger flera andra energier. Om bilen åker upp för en backe får den lägesenergi.

Energi har olika kvalité. Kvalitén beror på hur användbar energiformen är för människan. Eller mer korrekt: hur lätt man kan omvandla energin till önskade energiformer. Elektrisk energi har hög kvalité eftersom den lätt kan omvandlas till andra energiformer. Värmeenergi har lägst kvalité eftersom den svår att omvandla till något annat än just värme. Som du ser i alla exempel så slutar det alltid med värmeenergi.

Fördjupning:

STATISK ELEKTRICITET

Statisk elektricitet är en naturlig form av elektricitet. För att förstå den måste man först titta på atomen.

I atomen finns negativt laddade partiklar (elektroner) och positivt laddade partiklar (protoner) I atomkärnan (nukleon på vetenskaplig svenska) finns också neutroner men de är oladdade och saknar betydelse i detta fall.

Normalt är atomen oladdad men ibland gnider/gnuggar man bort de negativa laddningarna och då blir atomen elektriskt laddad, alltså positivt laddad, eftersom de negativa elektronerna försvinner. Eftersom naturen alltid har en drivkraft att jämna ut skillnader, vad det än må vara, så kommer förr eller senare atomen fånga upp en negativ laddning och bli oladdad.

Alla människor har någon gång drabbats av statisk elektricitet. Om du går runt på en heltäckningsmatta så kommer du att gnida bort en massa negativa laddningar. Du blir positivt laddad. Den ”elektriska stöten” som du så förr eller senare får är ett snabbt sätt att få tillbaka de förlorade negativa laddningarna. Snabbt och effektivt men inte så skönt.

En ballong kan bli elektriskt laddad av statisk elektricitet. Det är bara att gnugga den mot håret. Du gnuggar av elektroner på ballongen som blir negativt laddad. Så laddad att den kan sättas fast i taket.

En laddad ballong kan också böja av en vattenstråle eftersom vattenmolekylen har en negativ och en positiv sida.

Åska är ett exempel på statisk elektricitet. Åskmolnen är positivt laddad upptill och negativt laddade på undersidan, närmast jorden. Eftersom naturen vill utjämna skillnader så blir det en urladdning. Vi ser det som en blixt.

Fördjupning:

SPÄNNING OCH STRÖM

Elektricitet är en ström eller ett flöde av elektroner. En elektron är den negativt laddade partikeln i en atom. En atom innehåller dessutom proton (positiv) och neutron (neutral)

Spänning

 

Bilden är en extrem förenkling av ett batteri men den underlättar förklaringen av ström och spänning. I botten finns ett minustecken som kallas minuspol och på toppen finns det ett plustecken som är en pluspol. Vid minuspolen finns det väldigt många elektroner  (överskott) och vid pluspolen finns inga. I batteriet har plus och minuspol ingen kontakt med varandra så elektroner vid minuspolen kan inte åka över till pluspolen genom batteriet.

Spänningen är skillnaden i laddning mellan pluspol och minuspol. Det kan också kallas elektrisk potential. Ett mått på hur mycket elektrisk kraft som är möjlig att använda.

Spänning mäts i volt (V). Det är spänning som får elektroner att röra sig. Ju högre spänning desto mer elektroner  vill röra sig.

Vanliga batterier (AA och AAA) brukar ha spänningen 1,5 V. I vägguttaget är det, i Europa, 230 Volt och USA 110 Volt.

Ström

Strömmen är just en ström med elektroner. Elektroner som rör sig i ledning. Tänk att  du gör dig pytteliten och trollar in dig inuti elledningen. Då kan du  räkna hur många elektroner som åker förbi dig. Ju fler elektroner som passerar desto högre ström. Jämför det med att stå vid en väg och räkna bilar.

Åter till bilden med batteriet. Naturen vill utjämna skillnaden mellan polerna så om jag sätter en ståltråd mellan polerna så kommer elektronerna rusa från minuspol till pluspol. Om en elektrisk apparat placeras i trådens väg så kommer den kunna drivas av strömmen. När det finns lika mycket elektroner vid plus- och minuspol kommer flödet/strömmen att sluta. Batteriet är slut (eller urladdat).

Det är strömmen som driver elektriska produkter. Det är spänningen (skillnaden mellan polerna) som gör det möjligt för strömmen att existera.

Det finns två typer av ström. Likström åker alltid i samma riktning. Likström finns i batterier bland annat. I våra vägguttag finns växelström. Då byter strömmen riktning 50 gånger per sekund.

Fördjupning: 

LEDARE OCH RESISTANS

Ledare/isolatorer

En elektrisk ledare är något som gör det möjligt för strömmen att röra sig från minuspol till pluspol. Vanligtvis är det en metalltråd inuti ett plastskal.

En elektrisk ledare måste vara bra på att leda elektricitet och därför är metaller bäst. De metaller som leder bäst är silver, koppar och guld.  I vanliga elledningar används koppar.

När en ledare används är det viktigt att det inte blir stora förluster av ström. Med förluster menas att den elektriska energin omvandlas till värmeenergi. Det sker alltid en omvandlig men den bör vara så liten som möjligt.

De saker som påverkar hur bra en ledare är:

  • Materialet. Ledaren ska helst vara av metallerna silver, koppar eller guld.
  • Tjockleken. Stor diameter på ledaren är bättre än en tunn ledare.
  • Längden. Kort ledare ger lägre förluster.
  • Temperaturen. Lägre temperatur ger bättre ledningsförmåga.

Ett ämne som inte leder ström kallas för en isolator. Exempel på isolatorer är plast, glas, gummi och porslin. De finns runt ledningar för att skydda sig dig från elektriciteten.

En halvledare är ett ämne som leder ström litegrann. De är viktiga delar i elektronik t.ex. mobiler, datorer och mycket annat.

Resistans

Ett annat ord för resistans är motstånd. Ström som rör sig i en ledare möter på motstånd. De sakerna i punktlistan till vänster påverkar motståndet.

I en ledare med stort motstånd har elektronerna svårt att ta sig fram. Elektronernas rörelseenergi omvandlas till värme energi istället. En bra ledare har lågt motstånd. Då kommer fler elektroner fram. En dålig ledare har högt motstånd och färre elektroner kommer fram och detta ger en lägre ström.

En liknelse: Tänk dig att din klass ska gå igenom en korridor (ni är elektroner). Är korridoren tom så kommer alla fram till klassrummet på andra sidan. Är korridoren full med annat folk (högt motstånd) kommer inte alla komma fram till klassrummet (några stannar och snackar o. s. v.).

En av vetenskapens önskedrömmar är att kunna göra ledare som inte ger några förluster när det transporteras ström i dem. Denna typ av ledare kallas supraledare.

Resistans mäts med Ohm (Ω)

Fördjupning:

OHMS LAG

År 1827 kom den tyska fysikern Georg Simon Ohm på det viktiga sambandet mellan spänning, ström och resistans. Detta samband fick namnet ”Ohms lag”. Lagen säger att spänningen är lika med strömstyrkan i en ledare, multiplicerat med resistansen.

Bilden ovan visar att spänningen (Volt) är den elektriska kraften som gör att strömmen vill åka i en ledare. Strömmen (Amp = Ampere) är elektronerna som åker från minuspol till pluspol. Motståndet är det som gör det svårare för strömmen att ta sig fram. Det finns alltid ett motstånd i en ledare. Det gör att strömmen omvandlas till värme eller mer korrekt beskrivet elektrisk energi omvandlas till värmeenergi. Oftast är det något dåligt eftersom det är svårt att ta vara på värmeenergin. Ibland vill man få värme t.ex. i elelement.

Att räkna med Ohms lag

Ohms lag är en viktig formel när det gäller att kunna räkna ut ström och spänning.

Ohms lag kan skrivas på följande sätt:

U = R * I

De olika bokstäverna betyder:

  • U = spänningen i Volt (V)
  • R = Motstånd (resistans) i Ohm (Ω)
  • I = ström i Ampere (A)

Håll tummen över det som du vill räkna ut.

  • Om du håller tummen på spänning, som på bilden längst till vänster. Kvar blir: I * R

Spänning = Ström * Motstånd

  • Om du ska räkna ut ström så håll tummen på I, som på bilden i mitten. Kvar blir: V/R

Spänning delat på Motstånd.

  • Om du ska räkna ut motstånd så håll tummen på R, som på bilden till höger. Kvar blir V/I:

Spänning delat på Ström.

Fördjupning:

ELEKTRISKT EFFEKT

Enheten för effekt är Watt (W). Varje elektrisk apparat har lite olika effekt. Ju mer elektricitet den behöver för att fungera desto högre effekt. En hårtork har hög effekt.

För att ta reda på hur mycket elektrisk energi som en apparat totalt använder,  multiplicerar man effekten med tiden. Energi = effekt * tid

Om effekten mäts i watt och tiden i sekunder blir enheten wattsekunder (Ws). Denna enhet kallas även för Joule (J)

När det gäller att mäta energiförbrukningen i hemmet, så mäts tiden i timmar och energin som används är wattimmar Wh. Vanligtvis används så mycket energi att en större enhet används, kilowattimmar. Det är tusen gånger mer eftersom kilo betyder tusen. Jämför meter och kilometer eller gram och kilogram.

  • 1000 wh = 1 Kwh
  • 1 wh = 0,001 Kwh

En vanlig, modern TV har ungefär effekten 100 W.  Tittar du en timme så förbrukar den 100 Wh eller 0,1 KWh. En kilowattimme kostar runt 1 kr per kilowatttimme. .

  • 1 timme =  0,1 KWh = 10 öre
  • 5 timmar = 0,5 KWh = 50 öre
  • 10 timmar = 1 KWh = 1 kr

Effekt hos några vanliga apparater:

För att räkna på effekt används detta samband:

Fördjupning:

KOPPLINGSSCHEMA

För att elektriska apparater ska fungera måste strömmen (elektronerna) ha möjlighet att åka från minuspol till pluspol. Det får inte vara trasigt eller glapp någonstans på vägen för då fungerar det inte. När det fungerar kallas det för ”sluten krets”. Elektroner kan ta sig runt.

De som arbetar med elektricitet, oavsett om det är i skolan eller som elektriker, måste på ett tydligt sätt visa vad de gör. En skiss eller teckning ritat på ett speciellt sätt visar detta. Denna elektriska beskrivning kallas kopplingsschema.

Elektriska ”prylar ” eller delar kallas komponenter. Vanliga och viktiga symboler är dessa:

Här är ett exempel på en lampa som är inkopplad till ett batteri. Till vänster en teckning och till höger ett kopplingsschema.

För att kunna dra slutsatser kring kopplingar så behövs det mätas. För att mäta volt (spänning) används en voltmeter. För att mäta ampere (ström) används en amperemeter.

Vanligtvis används en multimeter som kan mäta både ampere och ström (och fler andra saker).

I en krets går strömmen från minuspol till pluspol. Tyvärr visste ingen det när elektricitet upptäcktes utan vetenskapsmännen trodde att den gick från plus till minus. Ännu mer tyvärr är att ingen rättat till detta misstag utan att man ritar fortfarande strömmen från plus till minus i kopplingsscheman. Alltså felaktigt, men enligt konstens regler, ska man göra så.

Fördjupning: 

SERIE OCH PARALLELLKOPPLING

Seriekoppling

Seriekoppling innebär att komponenter är kopplade i serie eller i en rad. Det är vanligt att batterier eller lampor är seriekopplade. Bilden nedan visar exempel på seriekoppling med tillhörande kopplingsschema

I det högra exemplet med två seriekopplade batterier så kommer den lampan lysa dubbelt så starkt.

Om  man seriekopplar batterier kan man addera deras volt. T. ex. två batterier med 1,5 V ger totalt en spänning på 1,5+1,5 = 3 V.

På bilden nedan har man seriekopplat lamporna istället. Om den ena lampan går sönder blir det inte en sluten krets, strömmen kan inte gå runt och den andra lampan slocknar också.

 

Tänk på gamla adventsljusstakar när man måste skruva på alla lampor för att få den att fungera.

De två seriekopplade lamporna lyser svagare än den lampa till vänster som är ensam. Detta beror på att motståndet i kretsen blir större med två lampor och då blir strömmen svagare.

Parallellkoppling

Denna koppling nedan kallas parallellkoppling eftersom lamporna sitter parallellt med varandra. Här kommer alla tre lamporna, i de 2 exemplen, att lysa lika starkt. Däremot kommer batteriet i det högra fallet ta slut dubbelt så snabbt. Om en lampa i en parallellkoppling går sönder kommer den andra att fortsätta att lysa. Precis som med seriekoppling kan man parallellkoppla både batterier, lampor och strömbrytare.

Om man parallellkopplar två batterier så ökar inte antal volt, det totala är fortfarande 1,5 V. Däremot så räcker batterierna dubbelt så länge.

Fördjupning:

SÄKERHET ELEKTRICITET

Elektricitet i form av stark ström eller spänning är farligt. Det kan ge stötar och brännskador. Du kan till och med dö om du har otur. Ditt nervsystem inklusive hjärnan sänder sina signaler med hjälp av elektricitet så du blir kortsluten helt enkelt. Elektricitet i hemmen kan orsaka brand om man inte är försiktig och skyddar sig. Vanliga faror:

Kortslutning.  Elektricitet tar vägen med minst motstånd mellan minuspol och pluspol. Om din elektriska apparat eller en sladd har blivit skadad, är det en stor risk för att det blir kortslutning (elektriciteten tar en genväg) och apparaten börjar brinna.

Överbelastning. Om väldigt många elektriska apparater kopplas in på samma vägguttag, kanske med hjälp av ett grenuttag, kommer det passera hög ström i ledningen till vägguttaget för att driva alla prylar. Då finns det en risk att det blir så varmt att det börjar brinna på grund av motståndet i ledningen.

För att förhindra detta använd:

Proppar /säkringar.  I gamla hus (eller där man inte gjort om elen på länge) har man vita porslinsproppar. Proppen klarar att en viss strömstyrka, en viss ampere. En modernare variant är automatsäkringar. Dessa fungerar på samma sätt. Elen i huset är kopplad så att den alltid passerar genom proppskåpet där dessa finns. Olika proppar/säkringar går till olika delar i huset. Om strömmen blir för hög så brinner en tråd i proppen upp alternativt en brytare slår ifrån i automatsäkringen. Resultatet blir detsamma. Strömmen slutar fungera och man riskerar inte att det börjar brinna.

Jordade sladdar. I vanliga kablar finns det två sladdar, eftersom det måste vara en sluten krets och strömmen behöver gå från minuspol till pluspol. I jordade kablar finns det ytterligare en sladd. Den är alltid gul/grön-randig. Om din elektriska apparat skulle gå sönder och bli strömförande så försvinner strömmen i denna jordade sladd istället för att du får en stöt. För att det ska fungera måste både kontakten och uttaget vara jordat.

Jordfelsbrytare – Fungerar som en automatsäkring men är mycket snabbare.

De elektriska apparaterna ska också ha rätt säkerhetssymboler. Då är de kontrollerade. Exempel på säkerhetssymboler är t.ex. CE-märket. (EU:s säkerhetsmärke)

Fördjupning: 

MAGNETISM

Människan har känt till magnetism sedan länge. Det är möjligt att hitta magnetiska stenar i naturen. Magneter har en förmåga att dra till sig vissa metallföremål. De metaller som är magnetiska är järn (Fe), nickel (Ni) och kobolt (Co). De magneter som är vanliga i skolan kallas stavmagneter. De är målade i rött och vitt. Den röda änden kallas nordpol och den vitasydpol.

Har du två magneter och experimenterar lite så märker du att två nordpoler eller sydpoler vill stöta bort varandra (repellera) medan en sydpol och nordpol dras mot varandra (attrahera)

Om du delar en magnet på mitten får du två nya magneter med både nordpol och sydpol.

Kring magneter finns alltid ett magnetfält. Det är osynligt men påverkar tydligt en kompass om den förs mot magneten. Rör du kompassen i närheten av magnetfältet börjar kompassnålen att snurra. På bilden används järnfilsspån för att se magnetfältets fältlinjer.

I planeten jordens inre finns stora mängder järn och nickel vilket gör hela planeten till en gigantisk magnet. Därför har även jorden ett magnetfält som gör att du använda en kompass. Den ställer alltid in sig till jordens magnetfält. Dock kan kompassen bli påverkad av andra starka magnetfält samt elledningar i närheten.

Jorden har en geografisk nordpol/sydpol som är en bestämd plats. Den har också en magnetisk nordpol/sydpol som flyttar runt lite. Därför ligger de geografiska och magnetiska polerna inte på samma ställe. Jordens magnetfält skyddar hos mot strålning/partiklar från rymden och solen t ex solvind.

Fördjupning:

ELEKTROMAGNETER

I början av 1800-talet upptäckte den danske fysikern Hans Christian Ørstedt att en kompassnål påverkades av en strömledning i närheten. Han såg att elektricitet och magnetism hänger ihop på något sätt. Detta var en stor och viktigt upptäckt som har lett till uppfinningar som är mycket användbara för människor t.ex. elektromagneten, elmotorn och generatorn.

Ørstedt upptäckte att runt en sladd där det går ström uppstår det alltid ett magnetfält. Magnetfältet rör sig i en cirkel runt ledaren. Om du håller högra handens tumme i strömmens riktning visar fingrarna magnetfältets riktning. Sambandet fungerar också åt andra hållet. Om du rör en elektrisk sladd i ett magnetfält så uppstår en liten ström i den.

En av uppfinningarna som upptäckten ledde till var elektromagneter. Det är magneter som kan styras med elektricitet.

Du behöver ett batteri, en ledare (metalltråd) och en järnspik.

  1. Snurra metalltråden många varv runt spiken. Snurrad tråd kallas spole och ju fler varv desto starkare blir elektromagneten. Ledaren måste vara isolerad annars fungerar det inte.
  2. Anslut metalltrådens ändar till ett batteri så du får en sluten krets. Det magnetfält som uppstår runt ledaren blir starkare på grund av att tråden är snurrad som en spole. Magnetismen kommer att smitta av sig på spiken som också blir magnetisk.
  3. När strömmen kopplas ur så försvinner magnetismen.

Det som påverkar elektromagnetens styrka är strömmens styrka, antal varv på spolen och spolens form (lång spole ger bättre resultat). Järn i mitten av spolen förstärker magnetfältet.

Elektromagneter har så många funktioner idag så det skulle knappt gå att klara sig utan dem. Några av användningsområden är: högtalare, kranar på skroten, MRT-undersökning på sjukhuset, Maglevtåg, elmotorer, bildskärmar och tv-apparater.

Fördjupning:

ELMOTORN OCH GENERATORN

Elmotorer omvandlar elektrisk energi till rörelseenergi. De är så små så att de finns i armbandsur till så stora att de kan driva tåg eller ubåtar. Många verktyg och köksredskap drivs av elmotorer. De finns överallt i vår vardag.

Hur fungerar en elmotor?

1)Tänk att du har en hästskomagnet. I glappet placerar du en elektromagnet d.v.s. en spole som det går ström i.

2)Elektromagnet kommer att ställa in sig så att dess nordände riktar in sig på hästskomagnetens sydände.

3)När strömmens riktning i spolen/elektromagneten ändras kommer också att ändra riktningen i elektromagnets magnetfält.

4) Nu kommer elektromagneten/spole att vrida sig eftersom två lika magnetpoler repellerar varandra. Elektromagneten ställer in sig så att elektromagnets sydände står mot hästskomagnetens nordände.

5)Så fort strömmens riktning ändras kommer spolen att röra sig. Byts riktning väldig snabbt kommer spolen snurra snabbt. I riktiga elmotorer sker detta automatiskt. När spolen snurrat ett halvt varv byts strömriktningen. Ju snabbare spolen snurrar, desto snabbare växlar strömriktningen.

En generator är elmotorns motsats. Den omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi. Nästan all elektricitet som produceras i Sverige tar hjälp av generatorer. Det finns generatorer i vattenkraftverk, vindkraftverk och kärnkraftverk. Elektriciteten i bilen alstras av bilens generator.

Elektriciteten uppkommer genom att en magnet snurrar snabbt inuti en spole. Då uppstår en ström i spolen. Fenomenet kallas induktion. Ju mer varv på spolen desto starkare ström. Ju snabbare magneten snurrar desto starkare ström.

På en del gamla cyklar sitter ibland en generator som ger ström åt cykelbelysningen.

Fördjupning:

Info om sidan  Träna begrepp Stortest Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Deltest 3 Deltest 4