Strøm, spenning og Ohms lov
/
Vi har i det siste lært om strøm og spenning, mye på grunn av mine medelevers fremtidige utdanning innen bilmekanikk. Elektrisitet er ikke ukjent for meg, ettersom jeg allerede har fullført 2 år med elektroutdanning på den samme skolen jeg nå omutdanner meg på. Men det skader ikke med litt repetisjon.
De fleste har vel en viss anelse om hva elektrisitet er og hvordan det fungerer. Det er allikevel enkelt å ta det for gitt at det kommer energi ut av veggen din hjemme, men for den som hvis kunnskap stopper der kan man like gjerne kalle det magi. Men mye er jo akkurat det i dagens samfunn.
Det er mye jeg ikke kan noe om, men jeg kan prøve å forklare hvordan elektrisitet fungerer.
Elektrisitet er i bunn og grunn elektroner som flytter seg, det vil si hopper, med forskjellig "hastighet" og "styrke", fra atom til atom gjennom forskjellige materialer i en kjedereaksjon.
Gode ledere av elektrisitet er for eksempel kobber, aluminium, gull og sølv. De fleste metaller leder strøm siden de ligger ganske midt i det periodiske system, som betyr at de har et antall elektroner som gjør at det ikke skal så mye til at de gir fra seg eller mottar elektroner. Men atomene vil selvfølgelig opprettholde sitt korrekte antall elektroner så når de mottar ett ekstra elektron på den ene siden, spytter de ut et på den andre siden til neste atom.
Metaller er snille grunnstoffer når det kommer til å lede strøm, i motsetning til alkaliske stoffer helt til venstre som har få elektroner og er veldig gjerrige, og edle stoffer helt til høyre som har akkurat riktig mengde elektroner og vil ikke motta noen fler.
Det finnes unntak selvsagt, som Neon som blir brukt mye i lys, og Lithium som blir mye brukt i batterier. Ikke nødvendigvis fordi de er gode ledere, men de har sin plass i elektrisitetens verden de også.
Strøm
Elektrisitet er et produkt av to essensielle faktorer; strøm og spenning. Strøm er bokstavelig talt flyten av elektroner i en leder målt i Ampere.
Flere elektroner = mer strøm. Ampere (A), oppkalt etter André-Marie Ampère og defineres matematisk med bokstaven "I", er hvor mange elektroner som passerer et punkt på ett sekund. Må ikke forveksles med Coloumb, som er mengden ladning(et antall elektroner) som befinner seg på et punkt på hvilket som helst tidspunkt .
Den offisielle definisjonen er: «To parallelle og uendelig lange, rette, tynne ledere er plassert i vakuum med innbyrdes avstand én meter. Det går samme strøm i begge lederne. Dersom de påvirker hverandre med en lineær kraft på 2 × 10−7 newton per meter leder, er strømmen én ampere».
Siden elektroner er negativt ladede partikler går de fra minus til pluss, men strømmen beveger seg fra pluss til minus.
Det har vært mye frem og tilbake opp gjennom historien om hvilken vei strømmen egentlig går, men det har praktisk talt svært lite å si. Det er absolutt betydelig, men for dagligdags bruk er det helt irrelevant.
Spenning
Spenning er på sett og vis hvor "kraftig" strømmen flyter. Det er feil å si "fort" ettersom elektrisitet beveger seg med tilnærmet lik lysets hastighet, men for å forklare det enkelt er det "trykket". Spenning måles i Volt (V), oppkalt etter Alessandro Volta og defineres matematisk med bokstaven "U", og den offisielle definisjonen av en volt er: «Det elektriske potensialet (spenningen) over en leder når denne avgir 1 watt (W) effekt og fører en strøm på 1 ampere (A)».
I motsetning til strøm er spenning noe vi kan generere og kontrollere. Det vil si, når man genererer "strøm" så genererer man egentlig spenning, evnen til å flytte strøm. Ved å øke forskjellen på den positive og negative ladningen i kretsen kan man øke strømmens "vilje" til å flyte gjennom materialer.
Strømmen i seg selv beveger seg kun når kretsen sluttes og kan kun kontrolleres med motstander og forbruk.
Derav lynnedslag. Luft leder ikke strøm veldig godt. Tordenvær oppstår når spenningen i skyene blir så stor og elektronene vil ned til bakken så kraftig at de overkommer motstanden i luften og lager en lysbue for å frigjøre ladningen sin. Her snakker vi om flere hundre millioner volt og titusener av ampere.
Det er en vanlig misoppfatning at høy spenning dreper deg, eller at mye strøm dreper deg, men det er kombinasjonen av de to som dreper. Høyspenningssjokk opplever man på en daglig basis, når man får støt av statisk elektrisitet og lignende. Høy spenning, nok til å lage små lysbuer, men svært få elektroner som blir flyttet. Man kan også ta på en strømkilde som kan levere store mengder strøm, nok til å forkulle en på kort tid, men hvis kretsen man lager ikke har nok spenning (stort sett under 50 volt) til å overkomme motsanden i kroppen blir ikke kretsen sluttet og ingen strøm vil gå gjennom deg. Det er derfor lynnedslag er så farlig, for de har mer enn nok av begge.
Som bringer oss til motstand.
Motstand
Motstand er det som hindrer flyten av strøm og man trenger høyere spenning for å flytte mer strøm gjennom materialer med høy motstand. Motstand måles i Ohm (Ω), oppkalt etter Georg Ohm og defineres matematisk med bokstaven "R", og brukes får å definere resistansen i en leder.
Det er vanlig å trekke paraleller til vann når man skal forklare elektrisitet. Voltage er spenning og mer vann i magasinet gir mer trykk. Amperage er strøm og større rør (mindre motstand) gir muligheten for større flyt under samme trykk. Resistance er motstand og tynnere rør har mer motstand enn tykkere rør under samme trykk.
Effekt
Effekt er produktet av spenning og strøm når det utfører arbeid i en forbruker, for eksempel en støvsuger. Effekt måles i Watt (W), oppkalt etter James Watt og defineres matematisk med bokstaven "P". Offisielt er enheten definert som 1 joule per sekund (1 J/s), og er altså et mål på hastigheten energi omformes med fra en form til en annen.
Ofte ser man watt oppført på elektriske artikler og generelt sett så er mer watt = mer bra, men det sier egentlig kun noe om hvor mange ampere apparatet trekker fra kursen den kobles til.
Du har sikkert lagt merke til at du har et sikringsskap hjemme. Det er der for å hindre brann og kun derfor. Vel, for å måle strømforbruk også, men først og fremst for å hindre brann. Som nevnt tidligere så er strøm ikke noe vi produserer, vi bare fasiliterer mulighten for strøm å flyte i en leder ved å tilføre spenning. I husene våre har vi 230V og det er nok spenning til å drive en god del strøm. Mer enn det du trenger og mer enn det som er bra for ledningene i veggene dine.
Hvis du tenker på at strøm er som vann i en ledning som på tengningen under så kan man forstå at hvis man prøver å bruke mer vann enn det er plass til så må vannet gå fortere for å levere samme mengden vann som om det hadde gått gjennom et større rør. Strøm slutter ikke, strøm gir seg ikke. Det fortsetter å presse seg på hvis du lar det, og farten og friksjonen vil bli så stor at røret vil bli veldig varmt. Akkurat som ledningene i huset ditt. Og de vil bli så varme at de smelter og starter brann. Derfor har vi sikringer som beskytter mot at det går for mye strøm i en kurs. Irriterende når sikringen går, men mye bedre enn at huset brenner ned.
Ohms lov
Ohm var en glup kar. Han fant ut hvordan alle disse enhetene hører sammen og fant opp en lov som gjør det svært enkelt å finne ut av hvordan de relaterer til hverandre.
Engelsk versjon av Ohms lov. V her er U for spenning, resten er som det pleier med R for resistanse og I for strøm.
Her kan vi se hvordan det alt henger sammen.
Vet du hvor mange ampere du har i et punkt og motstanden så kan du finne ut hvor mange volt som trengs for å drive så og så mye strøm gjennom så og så mye motstand.
Vet du hvor mange volt du har og strømmen som går gjennom et punkt kan du finne ut hvor mange ohm som skal til for å hindre så og så mye strøm i å flyte med så og så mye spenning.
Vet du hvor mange ohm du har og hvor mange volt som er i kretsen kan du finne ut hvor mange ampere som klarer å flyte gjennom så og så mye motsand med så og så mye spenning.
Måling av spenning gjøres i parallell, siden det er forskjellen i ladning man måler.
Måling av motstand gjøres også i parallell, men det er viktig at det ikke går noe strøm i kretsen når målingen blir utført, ellers vil du få feil mål.
Måling av strøm gjøres i serie, siden det er flyten av elektroner man måler, altså må de flyte gjennom måleinstrumentet.
Ohms lov, her med effekt også, og alle de forskjellige formlene man kan bruke, siden alt relaterer til hverandre.
Vekselstrøm og likestrøm
Likestrøm, som ble oppfunnet av Thomas Edison, også kjent for oppfinnelsen av lyspæren, er strøm som bare beveger seg en retning og er vanligvis brukt i lavspenningsapplikasjoner som finelektronikk og datasystemer. Det egner seg ikke til å føre strøm over lange distanser, i motsetning til vekselstrøm som førte til den store "strømkrigen" på slutten av 1800-tallet.
Vekselstrøm, oppfunnet av Nikola Tesla, Edisons største rival og som vi kan takke for mye av dagens teknologi, er strøm som endrer retning. Nærmere sagt endrer strømmen retning 50 ganger i sekundet, også kalt 50 Hertz (Hz).
Rettere kalt likespenning og vekselspenning, ettersom det er spenningens adferd som beskrives, men i dagligtale kalt likestrøm og vekselstrøm.
Tenk deg at du skal sage over en bit med treverk. Hvis du har en sag som bare kan sage en vei må du ha en veldig lang sag og løpe mot treverket mens du sager for å sage det over i en omgang. Dette er likespenning.
Hvis du har en sag som kan sage begge veier, da kan du stå på stedet hvil og sage frem og tilbake med en kort sag. Dette er vekselspenning.
Det er mye mer arbeid og ha en lang sag og løpe mot treverket enn å stå stille og sage. Man kan til å med stå stille og sage langt unna hvis man har langt nok håndtak (høy spenning).
Man kan selvsagt også bruke en motorsag (likespenning) og det har sine fordeler i og med at strømmen alltid beveger seg samme vei, noe som gjør det mulig med f.eks. transistorer, batterier, eller LEDer, ting som ikke ville fungert på vekselspenning.
Generering av vekseltrøm.
Vekselstrøm er enkelt å produsere og enkelt å transformere opp og ned (mer og mindre spenning). Likestrøm lar seg ikke transformere så enkelt og må omformes til vekselstrøm før det kan transformeres. Dette gjør at, som hovedregel, vekselstrøm blir brukt til å frakte strøm over lange distanser og å drive større maskiner og bygninger, mens likestrøm blir brukt til finelektronikk og lavspenningsapplikasjoner som krever batterier slik som fjernkontrollere, mobiltelefoner og biler.
Over ser vi en graf som viser hvordan vekselstrøm ser ut i et oscilloskop. Som man ser er den effektive spenningen i en fase (en parabola (kurve) opp eller ned) ca. 115 volt oppe og nede, som til sammen blir en total spenningsforskjell på 230 volt!
Det er derfor det går ca 110V mellom en fase og jord.
Det er mer eller mindre det jeg har å si om strøm så langt. Det er et veldig stort tema og alt for bredt til å forklare alt her, men jeg håper dette var en grei oppsummering.