Logga in Login-hjälp? Gå med?

Ellära

Strömstyrka

Strömmen i en ledning har två delar som samverkar - elektrisk ström och elektrisk spänning. Den elektriska strömmen kan sägas vara den laddningsmängd som förflyttar sig i ledningen under en viss tid, dvs. den mängd elektroner som rör sig i ledningen. Elektrisk ström betecknas med stort I och dess enhet är ampere som betecknas med ett stort A.

Spänning
Den kraft som skjuter på elektronerna i den elektriska ledningen kallas för spänning.

Motstånd - resistans
När elektrisk ström går genom en ledning inser man att det finns ett motstånd i ledningen. Motståndet (resistansen) är olika i olika metaller. Kopparmetall leder ström bra medan kromnickelmetall leder ström sämre. Kromnickelmetallen erbjuder ett större motstånd, och kromnickeltråden sägs alltså ha större resistans än koppartråd. Material som leder ström kallas ledare.

Många material leder inte ström alls. Dessa kallas isolatorer ex glas, trä, plast och många andra icke-metaller.

Ett material som leder ström halvbra kallas halvledare ex grafit dvs. kol. Halvledare leder ström dåligt och de erbjuder ett stort motstånd. Detta utnyttjar man i elektriska kretsar.

En vanlig glödlampa har en metalltråd av volfram. När strömmen går genom volframmetalltråden utvecklas stor friktionsvärme eftersom många elektroner skall igenom. Friktionsvärmen gör att tråden glöder - lampan lyser. Volframmetall tillåter ett ganska stort strömflöde utan att tråden brinner av - det är därför just volfram används i glödlampor.

En tjock och kort metalltråd leder ström bättre än en lång och smal. På samma sätt går det snabbt och lätt att köra bil på en kort trefilig motorväg (koppartråd) jämfört med att köra bil på en lång och smal grusstig (kromnickeltråd) i skogen.

Örstedt, Colladon, Faraday
Örstedt upptäckte fenomenet elektromagnetism. Genom att koppla ström till en ledning som låg vid eller över en kompass såg han att kompassnålen ändrade läge - och höll sig kvar i detta läget hela tiden medan ström fanns i ledningen.

William Sturgeon förfinade tekniken och skapade en elektromagnet genom att vira metalltråd runt ett järnföremål. Järnföremålet blev magnetiskt på samma sätt som en stavmagnet.

Colladon försökte skapa elektricitet genom att röra en magnet i en metallspole. Metallspolens ändar leddes in till ett annat rum där tråden var virad runt en kompass. Han flyttade magneten i spolen och gick till sin mätapparatur i andra rummet för att se om kompassnålen ändrats - när han tittade på kompassnålen såg han att den inte hade ändrats. Colladon var nära att först ha alstrat ström genom induktion men skulle ha tittat på mätapparaturen samtidigt som magneten rördes i spolen. Då hade han sett att ström alstras. Ström alstras alltså bara samtidigt som magneten rör sig i spolen.

Faraday fortsatte med experimenten och kunde se att ström alstrades precis då magnetens rör sig i spolen. Faraday hade gjort en annorlunda uppställning. Han hade virat metalltråd runt en järnring. Därefter förde han en magnet in och ut ur järnringen och fick på så sätt fram ström.

Förutom att upptäcka induktionen upptäckte och uppfann Faraday bl.a. följande: Faradays bur - dvs att en metallbur skyddar mot åskan. Om en åskblixt slår ner i buren, kommer åskans ström, elektroner att hålla sig så långt ifrån varandra som möjligt. Elektronerna kommer på så sätt att hålla sig på utsidan av burens väggar och inte påverka en person som sitter inuti.

Elektrisk induktion
Hur fungerar då elektrisk induktion? Se bild nedan - när magneten rör sig i metallspolen kommer elektronerna i metallspolen - dvs metalledningen att anpassa sig efter det nya magnetfältet. Anpassningen gör att elektronerna rör sig. När magnetfältet inte rör sig längre kommer elektronerna att ha anpassat sig klart. Detta gör att elektronerna inte flyttar sig i ledningen och således flyter ingen ström i ledningen. Ström alstras alltså precis när magnetfältet ändrar sig, för just då anpassar sig elektronerna.


(Ovan) Konstant magnetfält - ingen ström


Magnetfältet ändars - ström flyter i spolarna. I den andra spolen indikerar en galvanometer att det finns ström. Fastsatt till visaren i galvanometern finns en liten magnet som strävar efter att ställa in sig efter den inducerade strömmens magnetfält.


Likström leds genom den första spolen (primärspolen). Vid likström förflyttas elektroner från minuspol till pluspol i ett konstant flöde. Inget magnetfält varieras - och således induceras ingen ström i den andra spolen (sekundärspolen).


Växelström leds genom primärspolen. I detta fall induceras ström i den andra spolen (sekundärspolen). Vid växelström flyttas elektroner fram och tillbaka i ledningen hela tiden. Detta gör att det resulterande magnetfältet från primärspolen ändras hela tiden. Elektronerna som befinner sig i sekundärspolen kommer då att hela tiden anpassa sig efter det varierade magnetfältet. Detta gör att en ström flyter även i sekundärspolen. Voltmetern visar att en växelström på 5 volt (V) flyter igenom sekundärspolen. För att magnetfältet skall kunna överföras till sekundärspolen till stor grad som möjligt så används en järnkärna (grön på bilden).

Generator
Genom att rotera spolar av metalltråd som sitter på järnkärnor intill magneter kan man inducera ström i tråden - elektrisk ström. En generator kan se ut som en elmotor - även invändigt. Men istället för att skicka in ström - som man gör i en elmotor - så roterar man istället motorns axel, där metalltråden sitter som spolar på järnkärnor. Runt den roterande axeln sitter på elmotorns innerväggar magneter som inducerar ström i metalltråden. Så en liten elmotor kan användas till två saker - den kan fungera som en elmotor - och den kan fungera som en generator, som genererar ström.

Växelström
Man skiljer mellan likström och växelström. Likström går från pluspolen (anod) till minuspolen (katod) i ett jämnt flöde. Man säger sedan lång tid tillbaka att strömmen går från anod till katod, fast egentligen är det elektronerna som flyttas i ledningen. Elektronerna flyttar sig i själva verket från minuspolen (katoden) till pluspolen (anoden).

Växelström går från pluspolen till minuspolen, men strömmen går sedan i andra riktningen. Detta eftersom pluspolen helt plötsligt blir minuspol. Polerna kastas om ett visst antal gånger i sekunden. I våra 220-230 volts kontaktuttag kastas strömmen om ca 100 ggr per sekund. Man säger att strömmen har frekvensen 50 Hertz (Hz). 50 Hz innebär att strömmen kastas om 50 hela svängningar per sekund. En hel svängning är från ena sidan till andra och tillbaka igen. Nedan visas en växelström.



Transformator - Transformering (primärspole - sekundärspole)


Bilden ovan visar en transformering. I spolen till vänster (primärspolen) skickas växelström in. Växelströmmen har en viss spänning och strömstyrka. Primärspolen har även ett visst antal lindade varv - säg 300 varv. Ström induceras in i spolen till höger (sekundärspolen). Om sekundärspolen har 600 varv, så kommer spänningen att bli den dubbla och strömstyrkan kommer att bli halverad. Om voltmetern visar 10 volt så kommer den spänning som har skickats in i primärspolen att vara 5 volt. Med hjälp av en transformator (bilden ovan) så "gör man om" strömmen. Viktigt att påpeka är att någon energivinst inte görs. Detta åskådliggörs under nästa rubrik.

Effekt (Watt - W)
Effekt innebär "energi per tidsenhet". Enheten är Joule per sekund (J/s) eller vanligare Watt (W).

Effekten bör vara densamma i båda spolarna.
Effekt P
Spänning U
Strömstyrka I

Samband: P = U * I

Effekten (P) i primärspolen kommer att bli lika med effekten (P) i sekundärspolen.
P1 = P2

Om strömmen i primärspolen var 0,5 A och 10 V så räknar vi ut hur stor strömmen blir i sekundärspolen där spänningen är 5V. Den okända variabeln betecknas med "x".

10 V * 0,5 A = 5 V * x.

Löser vi ut x ser vi att strömstyrkan på sekundärsidan blir 1 Ampere. Sätt upp laborationsutrustningen och testa. Är man noggrann när man utför laborationen så ser man att strömmen eller spänningen inte riktigt är så stor som man har hoppats. Detta beror på att lite energi förloras i transformeringen.

Varför transformeras spänningen upp då strömmen transporteras ex Från ett kärnkraftverk till ett villaområde?
När elektroner rör sig i en ledning kommer elektronerna att möta på hinder bl.a. beroende vilken metall ledningen är gjord av. Vanligen är elektriska ledningar gjorda av koppartråd. Motståndet beror på att elektronerna skall flytta sig genom ledningen - det är som om ett elektronmoln skall röra sig åt ena eller andra hållet i ledningen. Givetvis så innebär flyttningen ett hinder och friktionsvärme utvecklas. Om spänningen transformeras upp, så att strömstyrkan blir mindre, kommer antalet elektroner som skall flytta sig i ledningen att bli färre och den påtryckande kraften blir istället större. Detta gör att friktionsvärmen blir mindre, och energiförlusten till omgivningen blir mindre.

Om man leder tillräckligt mycket ström (strömstyrka - hög Ampere) genom en ledning, så kommer denna att börja glöda, och slutligen kan den brinna av. En annan effekt som syns är att ledningen blir längre, eftersom ett varmt material tar mer plats.

Med tanke på att man vill ha en minimal energiförlust i kraftledningen och ej heller hängande ledningar så transformerar man alltså upp spänningen ofta till 20 000 eller 50 000 V. Närmare hushållen finns ytterligare transformatorstationer som transformerar ner spänningen till den spänningen som skall vara i hushållen. Därefter kommer strömmen in till huset.

Säkringar eller proppar i ex hemmets proppskåp - hur fungerar de samt varför används dem?


På bilden ovan visas ett proppskåp. Hit kommer strömmen in från närliggande transformatorstation. För att överbelastning ej skall ske i husets ledningar med brand som följd, begränsas det maximala energiuttaget med proppar, som sitter i ett proppskåp.

Propparna tål olika strömstyrka:
Röd: 10 A
Blå: 20 A
Färglös: 16 A

I proppen finns det en metalltråd som kommer att brinna av om för mycket ström går igenom.


En propp är kopplad till exempelvis ett kontaktuttag i hushållet. Till detta kontaktuttag kopplar vi en dammsugare 1000 W, dator 200 W, glödlampa 60 W och en stereo 150 W. Kommer en 10 A propp att hålla? Vi testar:
Sammanlagt effekt: 1000+200+60+150 W = 1410 W
Spänningen till hushållet är 220 V.

Hur mycket ström tas ut ur ledningen:
P = U * I
I = P/U = 1410/220 A = 6,4 A, dvs proppen håller. Röda proppar är vanliga till vanliga kontaktuttag i ett hushåll.

Ohms lag
Ohms lag säger att resistansen (R) är lika med spänningen genom strömstyrkan. Med resistansen menas det motstånd som finns i en elledning. Formeln visar bl.a. att när spänningen höjs till det dubbla, så kommer även dubbelt så mycket ström att gå genom ledningen. När man ser formeln - kan man se att föregående påstående är sant?


Koppla upp enligt följande. Notera vad voltmetern och amperemetern visar. Koppla in ett batteri i serie med det första batteriet. Notera återigen vad vad voltmetern och amperemetern visar.


Prefix: kilo (k), milli (m), mega (M) omvandla enheter. Ex: 1A=1000mA
kilo (k) betyder tusen
milli (m) betyder tusendel
Mega (M) betyder miljon

Se exemplet ovan där det står att 1 A = 1000 mA. Det står att 1 A är lika mycket som tusen tusendelar ampere - med siffror 1 A = 1000 * 1/1000 A dvs 1000/1000 A dvs 1 A. Det går alldeles utmärkt att byta ut m (milli) med siffror: m = 1/1000 eller 0,001. Gör följande uträkningar...

1 MA =                              A
1 kV =                               V
30 kV =                             V
30 mV =                            V
20 V =                               mV
1 MV =                              mV (ingen vanlig omvandling)

Frågor på texten ovan - enkla räkneövningar - elektricitet - effekt:

1. Vad är strömstyrka
2. Vad är spänning
3. Vad är Ohms lag?
4. Vilken är skillnaden mellan likström och växelström?
5. Vilket samband finns mellan spänningen och strömstyrkan?
6. Vilka tre saker beror en metalltråds resistans på?
7. Berätta om Örstedt?
8. Berätta om Jean Daniel Colladon?
9. Berätta om Faraday?
10. Vad är induktion?
11. Vad är transformering?
12. Går det att transformera likström - varför?
13. Går det att transformera växelström - varför?
14. Förklara för dig själv hur en generator fungerar?
15. Slå i en bok upp hur en elmotor ser ut inuti - hur fungerar den?
16. En dammsugare 1000W, mikrovågsugn 500W och ett solarium på 200W kopplas in på ett kontaktuttag. Proppen till kontaktuttaget klarar av att släppa igenom 10A. Kommer proppen att hålla?
17. Vad är primärspole?
18. Vad är sekundärspole?
19. En transformator skall kopplas in i kontaktuttaget och leverera ström till en bärbar CD-spelare. Strömmen i kontaktuttaget är 220V och CD-spelaren behöver en spänning på 3V. Förklara hur du skall transformera ner spänningen till 3V?
20. Vilken är effekten om spänning i en elektrisk krets är 20V och strömstyrkan är 1A?

 

Få Gratis NGU-medlemskap Nu

 

  • NGU naturvetenskap
  • FEB 7, 2007
  • JAN 27, 2012
  • Admin
Kursen är sammanfattad av Admin

De naturvetenskapliga grundkurserna för högstadiet är skrivna av Lars Helge Swahn. Kurserna är utvecklade under 9 års tid och har använts för höstadiets åk 8 och 9. De är ämnade att ge snabbt eleven en övergripande bild om respektive arbetsområde. För LPO 94 täcker kurserna nivån G och ger även viss information för betyget VG.

Copywrite NGU, Northern Pontifical Academy 2015 (A.I.C.)