Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4J Elektrisitet og magnetisme

1 Elektrisk ladning

Helt siden oldtiden har menneskene kjent til at man kunne gni rav, og dermed få det til å tiltrekke seg lette gjenstander, som biter av tørt løv, gressfrø og lignende. Det greske ordet for rav er "elektron". Ordet "elektrisitet" betydde altså opprinnelig "rav-aktig". I middelalderen, da tilgangen på ulike materialer økte, oppdaget man at også glass, svovel og gummi hadde samme egenskapen. Men det var først på 1700-tallet at det ble oppdaget at det fantes to typer elektrisitet: én når man gned lakk, en annen når man gned glass. Partikler ladd med elektrisitet av samme type frastøtte hverandre, mens det var tiltrekning mellom ladninger av ulik type. Benjamin Franklin ga de to elektrisitetstypene betegnelsen negativ og positiv elektrisitet.

Figur 1. Elektrisk ladning

2 Magneter

Alt i oldtidens Hellas (500 år f.Kr.) kjente man til den spesielle egenskapen til mineralet magnetitt. I tidlig middelalder ble magnetitt tatt i bruk til enkle kompass. I år 1600 utkom boken De magnete av den engelske legen William Gilbert. Dette var den første grundige undersøkelsen av fenomenet. Gilbert fant at en magnet alltid har to poler som han kalte nordpol og sydpol. Han viste at like poler frastøter hverandre, mens ulike tiltrekker hverandre. Hvis man deler en magnet i to eller flere stykker, har hvert av stykkene igjen to poler. Det var ikke mulig å skape en magnet med bare én pol.

Figur 2. Magneter

Gilbert forklarte også kompassets virkemåte ved å anta at Jorden er en stor magnet. Derfor vil kompassnålen alltid stille seg inn slik at kompassnålens nordpol peker mot jordmagnetens sørpol.

Figur 3. Kompasset

3 Elektrodynamikk

I 1820 oppdaget den danske fysikeren Hans Christian Ørsted at en magnetnål ble påvirket av strømmen i en elektrisk ledning. Det var altså en sammenheng mellom elektrisitet og magnetisme!

Dette ble starten på en rekke oppdagelser. I 1865 trakk den skotske fysikeren James Clerk Maxwell trådene sammen til en helhetlig teori for elektrodynamikken; læren om elektriske ladninger i bevegelse. Maxwells teori består av fire ligninger. Disse ligningene beskriver sammenhengen mellom elektriske ladninger i bevegelse, elektriske og magnetiske felt, og elektromagnetisk stråling.

4 Elektrisk felt

Kraften som virker omkring en elektrisk ladning kaller vi et elektrisk kraftfelt eller bare et elektrisk felt.

Figur 4. Elektrisk felt

Det elektriske feltet påvirker kun partikler eller legemer som har elektrisk ladning. Kraften avtar med kvadratet av avstanden; dersom avstanden dobles, blir kraften redusert til en fjerdedel. Kreftene i feltet blir vanligvis framstilt som linjer. Dess tettere linjer, dess sterkere kraft. En løs partikkel med positiv ladning vil følge disse linjene i pilenes retning mens en negativ partikkel vil bevege seg mot feltretningen. Frie elektroner vil altså bevege seg mot feltretningen. Feltretningen er bestemt ved konvensjon.

5 Magnetisk felt

Når elektriske ladninger er i bevegelse, uansett på hvilken måte, vil det oppstå et magnetfelt omkring strømmen. Styrken vil øke med ladningenes størrelse, mengde og hastighet, og den vil avta med avstanden fra strømmen. Kraften i det magnetiske feltet vil være vinkelrett på strømretningen. Dersom feltet framstilles med linjer, vil disse danne ringer omkring lederen.

Figur 5. Magnetfelt omkring en rettlinjet, elektrisk strøm

Dersom vi tenker oss elektriske ladninger som beveger seg i sirkel, vil feltlinjene inne i sirkelen trenges sammen, mens de blir spredt på utsiden. Det betyr at magnetfeltet blir konsentrert på innsiden av sirkelen.

Figur 6. Magnetfelt omkring en sirkelformet, elektrisk strøm

Vi kan oppnå den samme effekten ved å la en strømleder danne en løkke. Dersom vi surrer mange slike løkker oppå hverandre vil feltet fra hver av løkkene bli lagt sammen, og vi kan få et sterkt magnetfelt. Dette kalles en elektrisk spole, og løkkene kalles for vindinger.

Figur 7. Magnetfelt omkring en strømførende, elektrisk spole

Dersom vi sammenligner magnetfeltet omkring en spole med det vi ser omkring en stavmagnet, er likheten slående.

Figur 8. Magnetfeltet omkring en stavmagnet

Også i stavmagneten er det roterende elektriske ladninger som er årsak til magnetismen, men på atomnivå. Det er flere mekanismer, men den viktigste er knyttet til elektronene. Elektronene er, som kjent, negativt elektrisk ladd og har i tillegg en egenskap som kalles spinn. Dette betyr at elektronet roterer omkring sin egen akse. Hvert eneste elektron blir dermed en liten magnet med nordpol og sørpol. I de fleste stoff har disse små magnetfeltene tilfeldige retninger slik at de opphever hverandre. Men i såkalte ferromagnetiske stoff kan elektronenes magnetfelt bli innstilt samme vei. Da har vi en magnet.

Elektromagnet

Magnetfeltet omkring en strømførende elektrisk spole kan forsterkes kraftig ved å føre en kjerne av jern (eller annet ferromagnetisk stoff) inn i spolen. Dermed blir jernet magnetisert og bidrar med sitt magnetfelt til det totale feltet. Ved å bruke bløtt jern som ikke blir permanent magnetisert, kan magnetfeltet slås av momentant ved å bryte strømmen.

Figur 9. Elektromagnet i en ringeklokke

6 Elektrisk strømkrets

Elektriske ledere

En strøm av elektriske ladninger kaller vi en elektrisk strøm. I tomt rom eller gass kan både elektroner, protoner, atomkjerner og ioner være i bevegelse. I væsker kan det være ioner. I fast stoff derimot, er det bare elektroner som har mulighet til å forflytte seg, og da bare i stoff der det finnes elektroner som ikke er sterkt bundet til det enkelte atom. Slike elektroner kalles frie valenselektroner. Som forklart i kapittel 4G har alle metallene slike elektroner. Noen grunnstoff som ligger nær metallene i den periodiske tabellen, karbon og silisium for eksempel, har en viss ledningsevne.

De edle metallene er de aller beste strømlederne. Kobber er det metallet som brukes mest til elektriske ledninger.

Stoff som ikke leder elektrisk strøm, kalles isolatorer.

Figur 10. Elektriske ledninger

Strømkilde og spenning

For at det skal gå en elektrisk strøm i en ledning, må den være tilknyttet en strømkilde, og dessuten danne en sammenhengende strømkrets. En strømkilde er et apparat som kan produsere en vedvarende forskjell i elektrontetthet mellom to punkter. Dette kaller vi strømkildens poler. Ved å forbinde de to polene på strømkilden med en leder, vil elektronene strømme fra polen med stor tetthet (negativ pol) til punktet med liten tetthet (positiv pol). Dess større forskjell i elektrontetthet, dess større kraft vil virke for å "skyve" elektronene gjennom ledningen fra negativ pol til positiv pol. Dette kalles elektrisk spenning.

Figur 11. Strømkrets med strømkilde

Et slikt apparat ble for første gang laget da den italienske fysikeren Alessandro Volta i 1800 utviklet voltasøylen, det første batteriet. Voltasøylen består av enkeltelementer av kobber, vått tøy og sink langt oppå hverandre. Det oppstår en liten spenningsforskjell mellom metallplatene som skyldes at sink lettere løses av syren enn kopper (se spenningsrekken, kapittel 4G). Ved å legge en rekke slike elementer oppå hverandre, med elektrisk kontakt mellom hver, kunne man oppnå en betydelig spenning. Spenningen kunne dessuten varieres avhengig av hvor mange elementer man la oppå hverandre.

Til ære for Alessandro Volta og hans forskning er dagens måleenhet for spenning, volt (V), oppkalt etter ham.

Resistans

Den tyske fysikeren Georg Simon Ohm brukte Voltas søyle da han i 1820-årene eksperimenterte med ulike strømkretser. Han fant ut at i en gitt krets var det et fast forhold mellom strømkildens spenning og mengden av strøm som gikk gjennom kretsen; dess større spenning, dess sterkere strøm. Men dersom han endret materialet i ledningen, eller ledningens tykkelse eller lengde, endret også forholdet mellom spenning og strøm seg. Forholdstallet ble større dess mer motstand strømmen møtte i strømkretsen. Det måtte større spenning til for å oppnå samme strøm. Ohm kalte motstanden for resistans og definerte den slik:

I dag kaller vi denne ligningen for Ohms lov. Vi ser at dersom spenningen er høy og strømmen likevel er liten, så er årsaken at resistansen i strømkretsen er høy. Og motsatt: Ved lav resistans vil selv en liten spenning skape stor strøm.

Måleenheten for resistans, ohm (), er oppkalt etter Georg Simon Ohm. Tegnet uttales omega. Det er den siste bokstaven i det greske alfabetet.

Elektrisk strøm

Elektrisk strøm er elektriske ladninger i bevegelse. Strømmen er mengden av elektrisk ladning som passerer et gitt tverrsnitt i ledningen per tidsenhet. Strømmen er den samme gjennom hele kretsen. Hvis ikke måtte jo ladning hope seg opp et sted.

Elektrisk strøm måles med enheten ampere (A), oppkalt etter den franske fysikeren André Marie Ampère. Enhetens absolutte størrelse har en komplisert definisjon, men forholdet til enhetene for spenning og resistans er enkel: Når resistansen i en krets er 1 og spenningen 1 V blir strømmen 1 A. Hvis vi kjenner spenning og resistans, kan vi regne ut strømmen ved å bruke Ohms lov slik:

Dersom strøm og resistans er kjent, kan spenningen regnes med denne formelen:

Ohms lov kan dermed brukes til å regne ut hvilken som helst av de tre størrelsene spenning, strøm og resistans når vi kjenner de to andre.

FORSØK 1. STRØMKRETSER OG OHMS LOV

Utstyr
Strømkilde (f. eks. 4,5 V batteri), tre lamper med lommelyktpærer (3,5 V), voltmeter, aperemeter, 7 ledninger.

Figur 12. Bruk av Ohms lov i strømkretser

Måleenheten for elektrisk spenning er volt. Måleinstrumentet heter voltmeter. Det måler forskjeller i elektrisk feltstyrke mellom to punkter. Voltmeteret har stor resistans og må alltid kobles "utenfor" kretsen.

Måleenheten for elektrisk strøm er ampere. Måleinstrumentet heter amperemeter. Det måler strømmen som passerer gjennom en krets. Amperemeteret har liten resistans og skal kobles slik at det blir en del av kretsen.

Strømmens hastighet

Også når det ikke går strøm i en elektrisk leder, vil de løse valenselektronene bevege seg fritt mellom metallionene (se Metallbinding, kapittel 4A), men tilfeldig og uten at det blir en netto transport den ene eller andre veien. Straks strømmen blir slått på vil det elektriske feltet fra ladningene i strømkilden forplante seg med lysets hastighet gjennom ledningene i strømkretsen og sette de løse valenselektronene i hele kretsen i bevegelse - mot feltretningen (se ovenfor). Lyset vil derfor tennes øyeblikkelig når strømkilden kobles til.

Men elektronene selv, derimot, beveger seg langsomt; under en millimeter per sekund. Men det er mange av dem. For hver ampere strøm, vil 6,242 · 1018 elektroner passere per sekund.

Effekt

En elektrisk strømkilde inneholder energi. I en elektrisk strømkrets avgis denne energien i form av varme, lys, lyd eller bevegelse. Hastigheten som energien avgis med, energi per tidsenhet, kalles effekt. Elektrisk effekt måles i watt (W), oppkalt etter den skotske ingeniøren James Watt.

Forholdet mellom effekt, strøm og spenning er gitt i denne formelen:

Effekt = strøm · spenning

Dersom en strømkilde på 10 V skaper en strøm på 1 A i en krets, tappes det like mye energi per sekund som i en krets der spenningen er 1 V og strømmen 10 A. I det første tilfellet må resistansen i kretsen, i følge Ohms lov, være 10 V : 1 A = 10 , i det andre tilfellet 1 V : 10 A = 0,1 . I begge tilfeller vil effekten være 10 W (1 W = 1 V · 1 A).

Figur 13. Effekt og energi Nytt vindu

I lyspæren (figur 10) omdannes den elektriske energien til lys og varme. Elektronstrømmen skaper alltid noe varmeutvikling i alle deler av strømkretsen. Årsaken er at elektronene "dytter på" og "napper i" metallionene som passeres. Det er dette som er resitans. Men ledningene har lav resistans, så her blir varmeutviklingen liten. I lampen, derimot, blir strømmen ledet gjennom en tynn metalltråd inne i glasskolben. Siden glødetråden er svært tynn, blir resistansen og dermed varmeutviklingen stor. Tråden gløder med et intenst hvitt lys.

Strømkildens spenning og kretsens samlede resistans bestemmer hvor stor strømmen blir. Spenningen må være tilpasset slik at glødetråden ikke blir så varm at den smelter eller fordamper. En lyspære er derfor merket med den voltstyrken den er beregnet for, og hvilken effekt den da vil gi i watt.

Den første praktisk brukbare, elektriske glødelampen ble konstruert i 1879 av den amerikanske oppfinneren Thomas Alva Edison.

Induksjon

En elektrisk strøm i en leder skaper et magnetfelt omkring seg. Men det omvendte er også tilfelle: Et magnetfelt omkring en elektrisk leder kan skape en elektrisk strøm i lederen. Men det skjer bare når magnetfeltet beveger seg i forhold til lederen, eller endrer styrke. Dette kalles induksjon. Et uforandret magnetfelt skaper ikke induksjon.

I en rettlinjet leder vil den induserte strømmen være svak. Men ved å la den elektriske lederen danne vindinger i en spole vil magnetfeltet påvirke alle vindingene samtidig. Da kan strømmen bli sterk.

Figur 14. Induksjon i en spole Nytt vindu

Vekselstrøm

I figur 14 blir strømmen avlest av et amperemeter. Legg merke til at det bare går strøm i spolen når magneten er i bevegelse. Legg også merket til at strømretningen skifter når magnetens, og dermed magnetfeltets bevegelsesretning i forhold til spolen skifter. Induksjonen skaper ikke en jevn elektrisk strøm, slik som fra et batteri, men en strøm som varierer, både i styrke og retning. Dette kalles vekselstrøm. Strømmen fra et batteri kaller vi likestrøm.

En maskin som produserer elektrisk strøm ved induksjon, kalles en dynamo eller en generator.

Figur 15. Noen generatortyper Nytt vindu

7 Strømnettet

Praktisk talt all produksjon av elektrisk energi til det offentlige strømnettet foregår ved hjelp av generatorer. Men for å drive rotoren i generatoren trengs en energikilde. Dette kan være

Uansett kilde, må generatorens rotor kobles til en turbin som omdanner energien til en roterende bevegelse.

Figur 16. Eksempler på anlegg for produksjon av elektrisk energi Nytt vindu

Generatorene i kraftverk som er tilknyttet det offentlige strømnettet bygges og kjøres slik at de produserer en vekselstrøm med frekvens 50 Hz.

Figur 17. Vekselsstrømfrekvens Nytt vindu

Transport av elektrisk energi

Den elektriske energien som produseres i kraftverkene må transporteres til forbrukerne (boliger, industri, veibelysning osv.) ved hjelp av elektriske ledninger, ofte over store avstander. Ledninger for langtransport av strøm lages av aluminium og så tykke som praktisk mulig for å få lavest mulig resistans. Likevel vil det være en betydelig resistans når ledningene er hundrevis av kilometer lange. Resistansen fører til varmeutvikling i ledningen, og dette er energi som blir tapt før strømmen kommer fram til forbrukeren.

Men resistansen får mindre betydning dersom energien transporteres med høy spenning.

Transformator

Ved hjelp av transformatoren kan spenningen tilpasses behovet i ulike deler av strømnettet.

Figur 18. Transformator Nytt vindu

Transformatoren består av to elektriske spoler på samme jernkjerne. En vekselstrøm i den ene spolen, primærspolen, vil skape magnetfeltvariasjoner. Jernkjernen leder magnetfeltet til den andre spolen, sekundærspolen. Her vil det bli indusert en ny vekselsstrøm. Spenningen i denne vil avhenge av forholdet mellom antall vindinger i de to spolene. Dess flere vindinger i sekundærspolen, dess høyere spenning får sekundærstrømmen.

Impedans

Når en elektrisk strøm sendes inn på en spole, for eksempel i en transformator, vil magnetfeltet som oppstår yte motstand mot strømmen akkurat i det feltet er i ferd med å bygge seg opp. Ved likestrøm vil denne motstanden merkes kun i det øyeblikket strømmen kobles til. Vekselstrøm, derimot, endrer jo styrke og retning hele tiden. Her blir motstanden konstant. Den kalles induktans og måles i ohm, akkurat som resistans. Men ledningen i spolen, og i kretsen forøvrig, har jo resistans også. Den totale motstanden, summen av resistans og induktans kalles impedans.

Ohms lov gjelder derfor også for vekselsstrømskretser, men vi må bruke impedans i stedet for resistans:

Parallellkobling

I Europa har strøm til boliger en spenning på 230 V. I et hus får vi strøm med denne spenningen i alle kontakter, uansett hvor mange ovner, elektriske apparater og lamper vi slår på i huset. Dette ordnes ved parallellkobling.

Figur 19. Parallellkobling Nytt vindu

Kurser og sikringer

Når ledningene føres inn i et hus fra strømnettet, går det først til sikringsboksen. Der blir strømmen fordelt til en rekke parallellkoblede strømkretser. En slik strømkrets kalles en kurs. En kurs dekker et rom, eller en gruppe rom, i huset. For at uttaket av strøm fra en kurs ikke skal bli så stort at ledningene blir varme, blir strømmen i hver kurs ført gjennom to sikringer. En, eller begge, "ryker", eller "går", dersom strømmen overstiger godkjent verdi. Da blir strømmen i denne kursen brutt, og de rommene det gjelder blir liggende i mørke. Årsaken til at en sikring går kan enten være at vi har slått på for mye strøm, eller at det er kortslutning et eller annet sted i kursen.

Figur 20. Kurser og sikringer Nytt vindu

Det er to typer kurser i vanlige boliger; lyskurser for lamper, varmeovner, tv og andre apparater, og tekniske kurser for strømkrevende apparater som varmtvannstank, vaskemaskiner, komfyr og lignende.

Alle våtrom (kjøkken, bad, vaskerom og kjeller) skal ha tekniske kurser som er jordet. Det vil si at alle kabler, støpsler og kontakter skal ha en ekstra ledning som kobler apparatenes metalloverflate til jord. Hvis slike metalldeler blir strømførende på grunn av overledning, kan vi få farlige elektriske støt. Jordingen hindrer dette ved å lede slik strøm til jord. Da vil jordfeilbryteren slå ut og strømmen blir brutt i hele huset.

Figur 21. Prinsippet bak jording Nytt vindu

Apparater som ikke skal brukes i våtrom har støpsler som ikke kan settes inn i stikkontakter med jording. Men noen småapparater, som barbermaskiner og hårtørkere, er dobbeltisolert og kan brukes i våtrom. De er merket med symbolet . Støpselet er sveiset til ledningen og har en flat form som går inn i kontakter med jording.

8 Sammendrag

9 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil.

Når du er ferdig, skal 13 ruter være grønne. Greier du å unngå de røde?

  1. Det greske ordet elektron betyr ...
  2. Hva er rett om magneter?
  3. En magnetnål vil stille seg ...
  4. Magnetfeltet omkring en elektrisk spole kan forsterkes ved å ...
  5. Ohms lov sier at ...
  6. Hvor stor er effekten til et elektrisk apparat der spenningen er 230 V og strømmen 6,5 A?
  7. Hvilken frekvens har vekselstrømmen i strømnettet?
  8. Hva er forskjellen på en lyskurs og en teknisk kurs?
  9. Hvilke anordninger i strømnettet i et hus kan verne oss mot brann eller elektrisk støt?