Elektriske kretser

Vi slår av og på elektriske brytere mange ganger i løpet av en dag – blant annet bryteren til lyset, pc-en, ovnen og kjøkkenmaskinen. Når du slår av lyset, fjerner du verken spenningskilden, ledningene eller lyspæra, så hvorfor slukker lyset? Jo, fordi bryteren lager et brudd i den elektriske kretsen, slik at den ikke lenger er lukket. Vi sier at den elektriske kretsen er brutt, og da slutter strømmen å gå. Når bryteren slås på, lukkes kretsen, og det går igjen strøm gjennom den.

Vi kan ha kretser der noen apparater er på mens andre er av, og kretser der alle apparatene er på eller av samtidig. Ulike formål krever ulike typer kretser. Dette skal vi se nærmere på.

I en bolig er flere ulike kretser koblet sammen til én stor krets. Vurderingseksemplar

Elektriske komponenter

Leder

Spenningskilde Åpen bryter

Lukket bryter

Lyspære

Motstand

A Amperemeter

Koblingsskjemaer – tegnede modeller

Vi bruker modeller for å vise og forstå hvordan ulike kretser er bygd opp og virker. På laben der vi kan koble og teste, kan vi lage enkle kretser som modeller av større kretser i hus og elektriske apparater. Vi kan også tegne modeller av kretser – dette kaller vi koblingsskjemaer. De ulike delene i en elektrisk krets kaller vi elektriske komponenter, og disse har egne symboler i koblingsskjemaet. Til venstre finner du symbolene for noen vanlige elektriske komponenter.

Finn ut – av eller på? Se på koblingsskjemaet i figuren. Er bryteren av eller på? Vil lampa lyse eller ikke dersom vi lager en slik krets? Forklar.

Når vi utforsker elektriske kretser, bruker vi ikke elektriske apparater, men det vi kaller motstander for å vise om det går strøm eller ikke. På naturfagslaben er motstandene vi kobler inn i kretsen, ofte små lyspærer, kalt glødepærer. Tråden som gløder i disse pærene, er tynn og lang og laget av et materiale med stor indre resistans. Når elektronene beveger seg gjennom tråden, blir det derfor utviklet så mye varme at den begynner å gløde.

Seriekobling og parallellkobling

I gammeldags juletrebelysning sluttet alle lyspærene å lyse hvis én pære gikk i stykker. I moderne lyslenker lyser de andre lyspærene fortsatt selv om en av dem går. Dette er fordi de to elektriske kretsene fungerer på forskjellig måte – i den ene er lyspærene koblet i serie, i den andre i parallell. Serie- og parallellkoblinger har ulike egenskaper, fordeler og ulemper som vi skal undersøke litt nærmere. Diskuter Her er det samme utstyret brukt til å koble to ulike kretser. I hvilken krets tror du begge lysene slukker om den ene slutter å virke? Diskuter svaret ditt med en medelev.

Glødetråden i en lyspæreVurderingseksemplar

Seriekobling – når elektronene kun har én vei å gå I en seriekobling er komponentene koblet etter hverandre i en lukket krets. En av fordelene er at kretsen er lett å bygge. En ulempe er at dersom det blir brudd i kretsen, så vil alle apparatene slutte å virke fordi det ikke lenger går en strøm.

I en seriekoblet krets er strømstyrken lik overalt i kretsen. Det er fordi elektronene kun har én mulig vei å gå, de beveger seg med samme fart, og de verken hoper seg opp eller forsvinner. Dermed vil amperemeteret gi lik måling uansett hvor i kretsen vi måler strømstyrken.

Når vi kobler flere komponenter i serie, for eksempel flere lyspærer, så øker den totale resistansen i kretsen. Konsekvensen er at alle lyspærene vil lyse svakere for hver lyspære vi kobler inn. Dette kan vi forklare ved å se på sammenhengen mellom strøm, spenning og resistans: Når resistansen øker som følge av flere lyspærer i kretsen og spenningen fra spenningskilden er konstant, vil strømstyrken reduseres og lyspærene lyse svakere fordi energien fra spenningskilden fordeles på flere lyspærer. For å kompensere for dette kan vi øke spenningen ved å koble til enda et batteri. Da vil strømmen bli større og lyspærene lyse sterkere igjen.

I en seriekopling er strømstyrken lik i hele kretsen, mens spenningen fordeler seg på lyspærene. V 2,25 A 0,1 0,1 A 0,1 A Vurderingseksemplar _ V 4,5 + V 2,25

Når vi kobler batterier i serie, finner vi den totale spenningen ved å legge sammen spenningen til hvert av batteriene. For eksempel gir to 4,5 V-batterier i serie en total spenning på 9 V. Hvis vi kobler inn en lampe i denne kretsen, vil den lyse sterkere enn om det bare var ett 4,5 V-batteri.

Parallellkobling – når elektronene går ulike veier I en parallellkobling er komponentene koblet parallelt i hver sin grein i kretsen. Fordelen med parallellkobling er at om det blir brudd i en av de parallelle greinene, vil de andre fortsatt ha strøm. Alle parallellene får like mye spenning, slik at uansett hvor mange like lyspærer vi kobler i parallell, vil strømmen være lik i alle greinene, og dermed er lysstyrken den samme i alle pærene.

I en parallellkobling fordeler altså strømmen seg på de ulike greinene. Dersom to like lyspærer er koblet i parallell, vil elektronene fordele seg likt på de to greinene. Det betyr at det går halvparten så stor strøm i greinene som ut fra og inn til spenningskilden. Dersom parallellene har elektriske komponenter med ulik resistans, for eksempel to ulike lyspærer, vil det gå mest strøm i greinen med lyspæra som har minst resistans. Det går alltid mest strøm der det er minst resistans.

0,1 A 0,1 0,2 A

_ + _ +

En ulempe med parallellkobling er at batteriet varer kortere for hver lyspære som kobles inn i kretsen. Det er fordi det trengs V 4,5 mer strøm totalt i kretsen når fire lyspærer skal lyse like sterkt som tre. Når flere lyspærer skal lyse like sterkt, må det overføres mer energi, den kjemiske reaksjonen i 4,5 batteriet må da gå raskere, og batteriet blir V raskere utladd.

I en parallellkopling fordeler strømmen seg på greinene i kretsen, mens spenningen er lik over batteriet og begge lyspærene. Det er altså for skjellig fra slik det er i seriekoblinger. A Vurderingseksemplar

Reflekter Når vi kobler fire lyspærer i parallell, blir batteriet fortere utladet enn hvis det kun er to lyspærer. Men hvis spenningskilden er en stikkontakt, så går den jo ikke tom for energi på samme måte som batteriet. Vil vi likevel merke at kretsen trenger mer energi?

4,5 V

Parallellkoblede batterier Når vi kobler spenningskilder i parallell, øker ikke spenningen i kretsen. To 4,5 V-batterier i parallell gir 4,5 V. En lampe som kobles inn i denne kretsen, vil derfor ikke lyse sterkere enn om det bare var ett batteri, men den vil lyse dobbelt så lenge. Ved å koble batterier i parallell får vi flere elektroner tilgjengelig, og dermed varer batteriene lenger.

_ + + Måling i ulike kretser

Når du skal utforske ulike elektriske kretser, må du vite hvordan du måler ulike størrelser. I tillegg til amperemetre og voltmetre finnes det multimetre som kan måle strøm, spenning og resistans i ett og samme apparat.

Amperemeter

A

Voltmeter V _ Vurderingseksemplar

Et multimeter kan måle både strømstyrke, spenning og resistans. Amperemeter kobles i serie. Strømstyrke måles i ampere (A) Voltmeter kobles i parallell. Spenning måles i volt (V)

Det er viktig å koble inn måleinstrumentene på riktig måte for at de skal gi riktig resultat. Amperemeteret som måler strømmen i en krets, kobles alltid i serie slik at hele strømmen som skal måles, går gjennom det. Amperemeteret må ha liten resistans for at det ikke skal endre strømmen i kretsen.

Voltmeteret måler spenningen over en komponent i kretsen, altså hvor stor spenningsforskjellen er mellom to punkter, ett på hver side av komponenten. Voltmeteret må kobles parallelt med komponenten og ha stor resistans for at så mye strøm som mulig skal gå gjennom komponenten og ikke gjennom voltmeteret. Reflekter Et amperemeter har nesten ingen resistans. Hva tror du skjer om du kobler et amperemeter i parallell med kretsen du skal måle strømmen i? Voltmeteret har derimot stor resistans. Hva tror du skjer om du kobler et voltmeter i serie i kretsen du vil måle spenningen i? Hva leste du nå? 1 Hva mener vi med at en krets er brutt? 2 Hva er hensikten med koblingsskjemaer? 3 Hva er forskjellen på en seriekobling og en parallellkobling? 4 Hvorfor kobler vi spenningskilder noen ganger i parallell og noen ganger i serie? 5 Hvordan skal vi koble et amperemeter i en krets? 6 Hvordan skal vi koble et voltmeter i en krets?Vurderingseksemplar