Strøm, spenning og resistans

Når du har jobbet med dette kapitlet, skal du kunne

– forklare og bruke begrepene elektrisk strøm, spenning og resistans – gjøre rede for overføring av elektrisk energi i elektriske kretser – utforske og beskrive elektriske kretser – gjøre rede for hvordan elektrisk energi blir transportert fra energiverk til forbruker

Før du leser Hvilke elektriske apparater bruker du fra du står opp om morgenen til du legger deg om kvelden? Hvordan ville det vært å være uten strøm en hel uke? Strøm, spenning og resistans Hverdagen vår er elektrisk. Vi bruker elektrisk energi til nesten alt – fra å lade mobilen, pc-en og elbilen til å holde kjøleskapet kaldt, til lys og varme i hjemmet og mye, mye mer. For at dette skal være mulig, må vi transportere elektrisk energi fra energiverket til der vi trenger den – altså til laderne, kjøleskapet og alle de andre elektriske apparatene. Men hva er egentlig elektrisk energi, og hvorfor virker elektriske apparater når vi slår på bryteren? Dette skal vi undersøke for å forstå vår elektriske Vurderingseksemplar verden bedre. Finn ut – få lys i pæra Du skal prøve å få lys i en lyspære. Hvilke av gjenstandene nedenfor kan du da få bruk for, og hvilke vil ikke være til nytte? Begrunn svarene dine. Lyspære, binders, viskelær, sytråd, batteri, plastlinjal, metallpenn, blyantbly

Hva skal til for at en lyspære skal lyse?

Energi er det som kan få noe til å skje. For at en lyspære skal lyse, kjøleskapet holde maten kald eller vaskemaskinen starte, trengs det elektrisk energi. Siden svært mye av det vi omgir oss med til daglig, trenger elektrisk energi for å fungere, er faktisk mesteparten av energien vi bruker, elektrisk. Den elektriske energien vi bruker, blir produsert i batterier eller i energiverk slik at vi kan hente den via stikkontakten i veggen.

Energien transporteres fra batteriet eller stikkontakten til det elektriske apparatet i ledninger. Har du åpnet opp en ledning og sett inni? Innenfor plasten finner du mange tynne tråder av kobber – et metall som leder strøm godt og derfor egner seg til å transportere elektrisk energi.

Men for at det skal gå en elektrisk strøm i kobberledningen, slik at skrivebordslampa lyser, må lampe, ledninger og stikkontakt kobles sammen på riktig måte. De må danne en sammenhengende elektrisk krets. Lampa lyser så lenge det går strøm i kretsen, og det gjør det så lenge den får tilført energi fra energiverket. Når den elektriske kretsen er sammenhengende, sier vi at vi har en lukket krets. Hvis vi bryter kretsen, stopper strømmen. Det er det som skjer når vi slår av lyset med lysbryteren.

Det er nyttig å koble enkle kretser for bedre å forstå hva som skjer. Her kan du teste deg selv litt før du leser videre om hva elektrisk energi er, hva som driver den elektriske strømmen, og hvordan elektriske kretser virker.

Vurderingseksemplar

Finn svar – hva skal til for å transportere elektrisk energi? Figuren viser ulike måter å koble sammen et batteri, noen ledninger og en lyspære på til elektriske kretser. Lag kretsene eller studer figurene, og finn ut i hvilke kretser lyspæra lyser. Reflekter over hva som skal til for at energien skal bli overført fra batteriet, slik at lyspæra lyser.

+ _+ _+ _+ A B C D E F G H _+ _+ _+ Elektrisk strøm – elektroner i bevegelse _ Vurderingseksemplar

Elektrisk strøm er ladninger som beveger seg i samme retning, og i kretsene vi skal utforske, er ladningene alltid elektroner. Årsaken til at det blir brukt metaller som kobber i ledninger, er at ytterelektronene i metaller kan bevege seg nokså fritt mellom atomene. Til vanlig vil ytterelektronene i metaller bevege seg i tilfeldige retninger, men i en lukket krets vil det være en elektrisk kraft som driver elektronene i samme retning slik at vi får elektrisk strøm.

I metaller deler atomene på ytterelektronene som danner en felles «sjø» av elektroner. Det gjør at elektronene kan bevege seg nokså fritt.

Når vi i hverdagen sier at vi «bruker strøm», kan det høres ut som om vi bruker opp elektronene. Men slik er det ikke – elektronene forsvinner ikke. Elektronene bærer imidlertid med seg elektrisk energi som blir overført til de elektriske apparatene i kretsen, for eksempel en lyspære. Det vi bruker, er altså energien, og ikke strømmen – den elektriske strømmen transporterer elektrisk energi.

Noen ganger trenger vi å vite hvor sterk strøm det er i en krets. Da bruker vi et måleinstrument som teller hvor mange elektroner som passerer et gitt punkt i kretsen hvert sekund. Jo flere elektroner per sekund, jo mer strøm. Måleinstrumentet kalles et amperemeter, og måleenheten for strømstyrke er ampere (A). Med en strøm på 1 A passerer det omtrent 6,25 milliarder milliarder elektroner per sekund. 1 A er en relativt sterk strøm – når du jobber med strøm på laben, vil du sjelden måle så store strømstyrker.

Spenningskilder – setter elektronene i bevegelse Stikkontakter og batterier kaller vi spenningskilder. Vi trenger alltid en spenningskilde for at det skal gå strøm i en elektrisk krets. Spenningskilden tilfører energi og sørger dermed for at det er elektriske krefter som driver elektronene i samme retning i kretsen. Kreftene oppstår fordi spenningskilden har en positiv og en negativ pol. Den negative polen har et overskudd av elektroner i forhold til den positive polen, slik at det er en ladningsforskjell mellom dem. Fordi alle elektronene i hele kretsen blir frastøtt av den negative polen og trukket mot den positive polen, vil alle bevege seg i samme retning, slik at det går en strøm. Amperemeter Den elektriske energien vi får via stikkontakten i veggen, blir produsert i et energiverk. Vurderingseksemplar

Metallion Fritt elektron

I et metall beveger ytterelektronene seg tilfeldig mellom atomene, men i en lukket krets vil det være en elektrisk kraft som driver elektronene i metalledningen i samme retning. Når elektroner beveger seg i samme retning, har vi en elektrisk strøm.

Spenningskilde

Når det er en ladningsforskjell mellom to poler, er det også en energiforskjell – elektronene ved den negative polen har mer energi enn elektronene ved den positive polen. Det er dette vi kaller elektrisk energi, og spenningen i spenningskilden sier noe om hvor stor denne energien er. Det er spenningen som driver strømmen i kretsen.

Vi snakker ikke bare om spenningen i en spenningskilde, men også om spenningsforskjellen mellom to punkter i kretsen, for eksempel før og etter en lyspære eller et annet elektrisk apparat. Dette kan si oss noe om hvor mye energi apparatet trenger for å fungere.

Batteriet som spenningskilde Batterier er merket med pluss- og minustegn for positiv og negativ pol, og elektronene går alltid fra minus til pluss. Batterier utnytter at atomene i ulike stoffer trekker ulikt på elektroner. Atomene i positiv pol trekker mer på elektronene enn atomene i negativ pol, og de to polene er atskilt og ikke i kontakt med hverandre i batteriet. Når batteripolene kobles sammen med ledninger til en krets, vil derfor elektroner bevege seg fra negativ mot positiv pol, og det går strøm i kretsen.

Hva er spenning? Spenning er en litt komplisert størrelse, men det handler altså om energiforskjeller og ladninger. Når de elektriske kreftene fra spenningskilden flytter elektronene i kretsen, gjør de et arbeid på elektronene. Det totale arbeidet kreftene gjør, svarer til energiforskjellen mellom positiv og negativ pol. Spenningen er arbeidet som blir gjort per ladning.Vurderingseksemplar

De fleste batterier er merket tydelig med en positiv og en negativ pol.

I batteriet skjer det en kjemisk reaksjon som gjør at det stadig blir frigjort elektroner ved den negative polen og tatt opp elektroner ved den positive polen. Derfor kan vi si at batteriet omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. Når det ikke er mer stoff som kan reagere i batteriet, gir ikke batteriet lenger en elektrisk spenning som kan drive elektronene i kretsen. Vi sier at batteriet er utladd. Noen batterier kan lades ved å reversere den kjemiske reaksjonen.

Voltmeter

Tenk etter ...

Må det alltid være negativt ladde partikler som er i bevegelse for å få elektrisk strøm? Vi måler den elektriske spenningen i en krets med et voltmeter. Måleenheten for elektrisk spenning er volt (V). Vanlige spenninger for batterier er 1,5 V, 4,5 V og 9 V. Bilbatterier gir vanligvis en spenning på 12 V, mens stikkontakten gir en spenning på 230 V. Spenningen i stikkontakter er mye høyere enn i batterier fordi stikkontakten er koblet til et stort energiverk som kan produsere nok energi til de elektriske apparatene i hjemmet. Høyere spenning fører både til at hvert elektron bærer med seg mer energi, og at elektronene kan bevege seg raskere gjennom kretsen – altså at det kan gå mer strøm. Spenning, strøm og energioverføring Strømstyrken i en krets er altså et mål på hvor mange elektroner som passerer et bestemt punkt per sekund. Det betyr at jo flere elektroner som passerer, jo større strøm. Spenningen påvirker hvor raskt elektronene beveger seg i kretsen, og dermed hvor mye energi som over-Vurderingseksemplar føres. Lavere spenning betyr lavere fart, og vi får mindre strøm. Høyere spenning betyr større fart og større strøm. I mange kretser vil forholdet mellom strøm og spenning være konstant – det betyr at hvis spenningen dobles, så dobles strømmen, og hvis spenningen reduseres med en tredel, så blir også strømmen redusert med en tredel. Regn ut I en krets er spenningen 4 V og strømmen 0,2 A. a Vi øker spenningen til 8 V. Hvor stor blir strømmen da? b Strømmen blir senere målt til 0,15 A. Hvor stor er spenningen da?

Selv om vi sier at spenningen påvirker farten til elektronene, beveger de seg ikke spesielt raskt i kretsen. Hvert elektron beveger seg kanskje en millimeter per minutt. Så hvorfor blir det lys i lampa med en gang vi slår på bryteren for å koble inn spenningskilden?

For å forklare dette er det vanlig å bruke en modell. Vi sammenlikner en elektrisk krets med et rør fylt med klinkekuler. Om du dytter en ny kule inn i røret, vil alle kulene dytte på hverandre, slik at det faller en kule ut av røret på motsatt side omtrent samtidig. Men du må dytte mange kuler inn i røret før den første du dyttet inn, faller ut. Hver kule beveger seg altså sakte, men dyttingen – energioverføringen – går raskt.

Modellen med klinkekuler i et rør kan brukes til å forklare hvorfor det elektriske signalet går raskt i en elektrisk krets, selv om hvert elektron i kretsen beveger Å koble inn en spenningskilde i en krets er som å dytte en seg sakte. ny klinkekule inn i røret. Elektronene svarer til klinkekulene, og siden hele kretsen er full av elektroner, vil dyttingen fra spenningskilden bre seg gjennom hele kretsen med en gang. Elektronene dytter på hverandre så de begynner å bevege seg i samme retning omtrent samtidig. Dyttingen er et elektrisk signal – energioverføring – som beveger seg mye, mye raskere enn elektronene selv – faktisk nærmere lysets hastighet. Det gjør at det går strøm i hele kretsen med en gang du kobler inn spenningskilden – og du får lys i lampa. Reflekter På hvilken måte er klinkekulemodellen en god måte å beskrive det som skjer i en elektrisk krets? Ser du noen svakheter ved modellen? I så fall hvilke?

Vurderingseksemplar

Resistans – motstand i kretsen

Når det går strøm i en elektrisk krets, vil elektronene treffe på metallioner i ledningen. Dette hindrer bevegelsen til elektronene og dermed strømmen. Vi kaller denne motstanden for resistans.

Metallion Fritt elektron På veien gjennom kretsen støter elektronene hele tiden på hindringer, som gjør at de går saktere, og dermed blir strømstyrken lavere. De aller fleste materialer, også metaller, har en viss resistans

Ω er den greske bokstaven omega, og den blir brukt som symbol for enheten ohm. Alle stoffer har en viss indre resistans – noen stoffer har stor og andre liten. Resistansen i en krets og i apparatene i kretsen måles i ohm (Ω).

Det er ofte nødvendig å begrense mengden strøm som går gjennom et elektrisk apparat, for at det ikke skal bli ødelagt. Hårføneren, for eksempel, trenger og tåler mindre strøm enn oppvaskmaskinen, men begge kobles til den samme stikkontakten som gir en spenning på 230 V. Vi må derfor redusere strømmen i hårføneren ved å øke resistansen i kretsen. Kretsen i hårføneren, i likhet med kretsene i de aller fleste elektriske apparater, inneholder derfor noen deler med høy resistans som regulerer strømmen i kretsen. Slike deler er laget av materialer som leder strøm dårlig, og vi kaller dem motstander.

Diskuter – motstander i kretsen Diskuter med en medelev: I hvilken av de to kretsene går elektronene raskest?

+ + _

Leder og isolator

Stoffer med mange frie elektroner, som de fleste metaller, har lav resistans og leder derfor strømmen godt. Vi kaller dem elektriske ledere. Kobber finnes det mye av, og det er i tillegg lett å forme, så det er ikke uten grunn at nesten alle elektriske ledninger er laget av kobber. Stoffer som leder elektrisk strøm dårlig, som regel ikke i det hele tatt, kaller vi isolatorer. Det gjelder de fleste ikke-metaller, og stoffer som for eksempel glass og plast. Plasten rundt kobbertrådene i en strømledning hindrer dermed at strømmen går andre steder enn i metallet. Finn ut mer Finn flere eksempler på stoffer som er ledere og isolatorer, enn de som er nevnt i teksten.

_ Vurderingseksemplar

Metallet kobber er en god elektrisk leder, mens plast er en god isolator.

Sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans

Det er en sammenheng mellom strøm, spenning og resistans. Sammenhengen kan vi beskrive med en matematisk formel:

spenning = strøm · resistans U = R · I Hvis du kjenner to av størrelsene, kan du bruke formelen til å regne ut den tredje størrelsen.

Tidligere leste du at forholdet mellom strøm og spenning ofte er konstant. Det betyr at hvis spenningen dobles, så dobles også strømmen så lenge resistansen er uforandret. Det samme gjelder i motsatt tilfelle – dersom spenningen halveres, vil også strømmen halveres. Formelen ovenfor brukes til å regne ut spenning, strøm eller resistans når du kjenner de andre størrelsene. Her er noen eksempler på hvordan regne ut spenningen:

Eksempel R=2Ω I=6A

U=?

A B C

R=2Ω I=9A

U=?

R=2Ω I=0,1A U=? Resistansen i de tre kretsene er 2 Ω, mens strømstyrken er for skjellig. Regn ut spenningen i hver krets. U = R · I Vurderingseksemplar Spenning i krets A: U = R · I = 2 Ω · 6 A Spenning i krets B: U = R · I = 2 Ω · 9 A Spenning i krets C: U = R · I = 2 Ω · 0,1 A

Hva leste du nå? 1 Hva er strøm? 2 Gi to eksempler på spenningskilder. 3 Hva gjør en spenningskilde? 4 Hvor raskt beveger elektronene seg i en krets? 5 Hva mener vi med resistans? 6 Hva er forskjellen på en leder og en isolator? 7 Hva er sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans?