elektrisk ström

Elektriska kretsar

Kapitel 9: Elektriska kretsar
Elektrisk ström
Batterier
Elektrisk energi och effekt
Likström och växelström
Spänning, ström och resistans

Elektriska fält

Elektrisk energi och spänning
Den elektriska energin E är
lägesenergin hos en laddning Q.
Spänningen U ges av U = E/Q.
Enhet: Volt [V] (1 V = 1 J/C)
Om en laddning Q flyttas mellan två
punkter med spänningsskillnaden U
omsätts energin E = Q·U.

Elektrisk ström
Spänningen mellan batteriets poler orsakar
ett elektriskt fält i glödtråden och påverkar
laddade partiklar med en kraft som sätter
dem i rörelse; en elektrisk ström.

Elektrisk ström
Det måste passera lika många laddade partiklar varje sekund i varje
del av tråden. Vi definierar strömmen, I, som den laddning, Q, som
passerar ett tvärsnitt av ledaren under tiden t:
I
Q
Enheten är 1 ampere, 1 A = 1 C/s.
t

Jämförelse med strömmande vatten

Elektrisk ström
I ≈ 10 mA
I ≈ 200 A
En elektron har laddningen -e = -1,6·10 -19 C.
Mobilbatteriet levererar en ström motsvarande 6·10 16
elektroner per sekund.
Bilbatteriet levererar en ström motsvarande 10 21 elektroner per
sekund.

Strömriktning
Strömriktning
Strömriktningen är av konvention motsatt elektronernas
rörelseriktning.
Notera att det finns positiva laddningsbärare, även om det
oftast är elektroner som utgör strömmen.
Elektronerna har en hastighet av någon mm/s.

Batteriet
När elektronerna rör sig från den
negativa till den positiva polen
förlorar de elektrisk lägesenergi.
Denna energi omvandlas till ljus
(och värme) i glödtråden.
Vad kommer elektronerna ifrån
och varför tar de inte slut?
Kemiska processer drar tillbaka
elektroner från pluspolen till
minuspolen.

Hur en batterikrets fungerar
signal-circuit_en

Elektrisk energi och effekt
Om en laddning Q flyttas mellan två
punkter med spänningsskillnaden U
omsätts energin E = Q·U.
För en ström gäller att Q = I·t och
därmed
E = U·I·t.
Eftersom effekt är energi per tidsenhet
har vi att
P = U·I.

Likström och växelström
Alternating current/Direct current

Likström och växelström
Ett batteri levererar likström (DC);
laddningsbärarna rör sig i samma riktning hela
tiden.
Vägguttaget levererar växelström (AC);
strömriktningen ändras hela tiden.

Växelspänning
Spänningen, och därmed strömmen, från vägguttaget har en
frekvens av 50 Hz (hertz).
Den effektiva spänningen är 230 V.

Don’t try this at home
En amperemeter mäter ström.
En voltmeter mäter spänning.
En multimeter kan mäta båda.

Strömmätning

Spänningsmätning

Spänning, ström och resistans
Ohms lag: U = R·I
Konstanten R är ledarens resistans (motstånd).
Enheten för resistans R = U/I är 1 Ω (ohm) = 1 V/A.

Strömmen genom glödtråden hos
en glödlampa är
A. större än
B. mindre än
C. lika stor som
strömmen genom elkabeln till lampan.

Givet en kostant spänning, så minskar effekten
som utvecklas i en glödlampa om lampans
resistans
A. ökar.
B. minskar.

Givet en konstant strömstyrka, så minskar
effekten som utvecklas i en glödlampa om
lampans resistans
A. ökar.
B. minskar.

Ungefär hur stor är strömmen genom en 60 W
glödlampa som ansluts till ett vägguttag med
(effektiv-)spänningen 230 V?
A. 0,26 A.
B. 3,8 A.
C. 13,8 kA.
D. 60 A.

Hur förändras resistansen hos en bit metalltråd
om vi viker den dubbel?
A. Den är oförändrad.
B. Den minskar till hälften.
C. Den dubblas.
D. Den minskar till en fjärdedel.
E. Den fyrdubblas.

Elektrisk effekt i resistorer
Elektrisk effekt: P=U·I
Ohms lag: U=R·I
Elektrisk effekt i resistorer:
P =U·I= R·I 2 =U 2 /R

Resistans i metalltråd
Lång tråd ger högre resistans.
Liten area ger högre resistans.
Olika material har olika resistans.
R = ρ·l / A
ρ är materialets resistivitet och mäts i
ohm-meter [Ωm]. Resistiviteten beror
på materialets temperatur.

Sammanfattning
Ström är laddningsmängd per tidenhet: I = Q/t
Ström mäts i ampere: 1 A = 1 C/s
Strömriktningen är motsatt elektronernas
rörelseriktning.
Effekten i en elektrisk komponent ges av
spänningen gånger strömmen: P = U·I
Resistansen (motståndet), R, i en komponent
mäts i ohm, 1 Ω = 1 V/A
Ohms lag: U = R·I
Resistansen i en metalltråd är R = ρ·l/A