Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Elektrisk strøm

4. juli, 2017
Kilde: NASA
Byene lyser opp på grunn av elektrisk strøm. Kilde: NASA

Ordet ”strøm” bruker man gjerne om noe som strømmer, som for eksempel vannet i en elv. I en ledning er det ikke ”elektrisk strøm” som strømmer gjennom ledningen. Det er bevegelsen av ladde partikler gjennom ledningen som gir en elektrisk strøm. I kobberledninger og andre ledninger av metall er det elektroner som er de ladde partiklene. De sørger for at ladning er i bevegelse.

Sammendrag

Elektrisk strøm er elektrisk ladning (elektroner) i bevegelse. Når vi “bruker” strøm er det den elektriske energien som strømmen transporterer som vi utnytter. Ledningene som strømmen går i lages av metall (ofte kobber), fordi de ytterste elektronene i metaller er så løse at de kan bevege seg fritt rundt. Når vi setter på spenning (f.eks. kobler på et batteri) vil det oppstå et elektrisk felt i ledningen som gjør at alle elektronene blir dyttet i retning mot plusspolen. Denne ordnede forflytningen av elektroner er det vi kaller elektrisk strøm.

 

I kretser som er koblet i serie vil strømmen være lik over alt. Det spiller med andre ord ingen rolle hvor du plasserer amperemeteret når du skal måle strømmen. I kretser med parallellkobling vil strømmen derimot være forskjellig; den vil spre seg over de ulike grenene, men summen av strømmen før forgreiningene vil være lik summen etter, slik at energi og ladning er bevart.

Elektrisk ladning

Lik ladning frastøter hverandre, ulik ladning tiltrekker hverandre. Pilene forestiller de elektriske kreftene som virker på de ladde partiklene. Figur: UngEnergi
Lik ladning frastøter hverandre, ulik ladning tiltrekker hverandre. Pilene forestiller de elektriske kreftene som virker på de ladde partiklene. Figur: UngEnergi

Men hva er egentlig ladning? Elektrisk ladning er en fundamental egenskap ved partikler som protoner og elektroner, og det finnes to typer: negativ og positiv. Elektroner har negativ ladning og protoner har positiv. Like ladninger frastøter hverandre, mens ulike ladninger tiltrekker hverandre.

 

Metaller leder strøm

Mange metaller, som kobber, gull og aluminium kan lede strøm godt. Det er fordi de har ett eller flere elektroner som er svært løst bundet til atomet, slik at elektronet kan bevege seg nokså fritt. Hvis du ser på bildet av skallmodellen av kobber (se nedenfor), ser du at det har ett elektron i ytterste skall. Atomet vil gjerne kvitte seg med dette elektronet, og derfor skal det ikke mye til før det løsriver seg fra atomet. Disse ytterelektronene kaller vi ledningselektroner, fordi det er disse som er i bevegelse når vi har elektrisk strøm. Hvis vi lager en ledning av disse metallene, og kobler den til for eksempel et batteri eller en annen spenningskilde, kan vi få elektronene til å bevege seg i samme retning. Denne ordnede bevegelsen av elektroner kalles elektrisk strøm. Siden elektronene har ladning, vil elektroner i bevegelse være det samme som ladning i bevegelse.

 

Definisjon: Elektrisk strøm er elektroner (ladninger) i bevegelse.

Her ser vi hvorfor metaller kan lede strøm. Det ytterste elektronet, ledningselektronet, sitter så løst at de ikke lenger tilhører et spesifikt atom, men flyter tilfeldig rundt i en “sjø” av elektroner. Den positive kjernen står i ro (eller vibrerer). Hvis vi kobler på et batteri, vil alle elektronene bevege seg i samme retning. Dette er elektrisk strøm!
Her ser vi hvorfor metaller kan lede strøm. Det ytterste elektronet, ledningselektronet, sitter så løst at de ikke lenger tilhører et spesifikt atom, men flyter tilfeldig rundt i en “sjø” av elektroner. Den positive kjernen står i ro (eller vibrerer). Hvis vi kobler på et batteri, vil alle elektronene bevege seg i samme retning. Dette er elektrisk strøm! Figur: UngEnergi

Drivkraften bak elektronenes bevegelse

Vi har en krets med en lyspære, noen ledninger og en spenningskilde, for eksempel et batteri. Før vi kobler på batteriet vil elektronene som befinner seg i metallet i ledningen bevege seg i tilfeldige retninger. Men når vi kobler på batteriet vil elektronene bevege seg i én og samme retning. Enkelt forklart er dette fordi energien i batteriet ”pumper” elektronene rundt i kretsen. For å forstå den mer avanserte forklaringen, må vi gå inn på hva et elektrisk felt gjør.

 

[Fysikk 2] Et elektrisk felt er et område der det virker elektriske krefter på ladde partikler. Når vi kobler på batteriet oppstår et elektrisk felt i hele kretsen samtidig. Dette elektriske feltet påvirker alle partikler med ladning, og som nevnt er elektroner negativt ladd. Det elektriske feltet gjør at det oppstår elektriske krefter som virker på elektronene. De elektriske kreftene ”dytter” og ”trekker” elektronene i én retning gjennom ledningen, mot den positive polen. Det er fordi negativ og positiv ladning tiltrekker hverandre. Elektronene frastøtes av minuspolen og tiltrekkes av plusspolen.

Strømretningen er motsatt av retningen elektronene beveger seg i. Strømretningen er fra plusspol til minuspol. Figur: UngEnergi
Strømretningen er motsatt av retningen elektronene beveger seg i. Strømretningen er fra plusspol til minuspol. Figur: UngEnergi

Strømretning

Vi har nevnt at elektronene beveger seg fra minuspolen til plusspolen. Men strømretningen er definert den motsatte veien: fra pluss til minus. Hvis partiklene som beveger seg hadde hatt positiv ladning, ville bevegelsesretningen og strømretningen  vært den samme. Men det er altså de negative partiklene, elektronene, som beveger seg. De positive partiklene, atomkjernene, står i ro (eller vibrerer om sin plass). Siden strøm ble oppdaget før elektronet, visste ikke forskerne at det var de negativt ladde partiklene som bevegde seg, så de definerte strømretningen i den retningen en positivt ladd partikkel ville gått.

Strømretningen og bevegelsesretningen til elektronene er motsatte av hverandre.

Strømretningen går fra plusspol til minuspol.

Les mer:

Her er noen “knagger” du kan bruke til å huske at strømretningen er definert til å gå fra pluss til minus:

 

Varme går alltid fra et sted med høy temperatur (+) til et sted med lav temperatur (-)

 

Lufta i atmosfæren beveger seg fra høytrykk (+) til lavtrykk (-).

 

Du har en bøtte med vann. Dessverre for deg er det mange små hull i den. Bøtta går fra å være full (+) til å være tom (-).

Definisjon av elektrisk strøm

I fysikken bruker man ofte matematikk for å beskrive naturen, og det gjelder også for elektrisk strøm. Man kan definere elektrisk strøm som

I = strøm målt i ampere (A).

q = ladning (link) målt i coulomb (C).

t = tid målt i sekunder (s).

 

Definisjonen av strøm kan illustreres som antall ladninger som passerer et tverrsnitt i en ledning i løpet av et lite tidsintervall. Figur: UngEnergi
Definisjonen av strøm kan illustreres som antall ladninger som passerer et tverrsnitt i en ledning i løpet av et lite tidsintervall. Figur: UngEnergi

Se for deg en ledning som det strømmer elektroner igjennom. I denne ledningen tenker vi oss et tverrsnitt. Deretter måler vi hvor mange ladninger (elektroner) som passerer tverrsnittet i løpet av en viss tid. For å finne ut hvor stor strømmen er, deler vi antall ladninger på antall sekunder. Strøm blir derfor ladning per tid. (Animasjon kommer).

Matematisk definisjon av elektrisk strøm: I = q/t

I forrige avsnitt definerte vi elektrisk strøm ved hjelp av ladning (q), men ikke antall elektroner. Likevel sier man ofte at strøm er elektroner i bevegelse. Det er absolutt sant, blant annet når man snakker om elektrisk strøm i metaller. Men man kan ha elektrisk strøm i andre medium, der det ikke er elektronene, men andre ladde partikler (f.eks. ioner) som beveger seg. Det som er til felles er at det er ladninger som beveger seg. Både elektroner og positive ioner er elektrisk ladd (vi kaller dem ladningsbærere, fordi de ”bærer” ladningene). Det er derfor vi sier at elektrisk strøm er elektrisk ladning i bevegelse. Men siden elektroner har ladning, så er jo elektroner i bevegelse det samme som ladning i bevegelse. Ett elektron har ladningen -1,6 · 10-19 coulomb.

Sammenligninger

Noen ganger hjelper det å bruke velkjente ting til å forklare ukjente fenomener. I dette tilfellet skal vi bruke en hageslange til å forklare elektrisk strøm. I slangen er det mange vanndråper. Dette er elektronene. Når du skrur på vannet vil vanndråpene strømme gjennom slangen som elektroner gjennom en ledning. Hvis du skur opp trykket slik at det kommer mer vann ut av slangen, kan det sammenlignes med at strømmen øker. Flere vanndråper/elektroner passerer et tverrsnitt per sekund.

 

Et elektrisk signal bruker kort tid gjennom ledningen. Det merker man når lampa begynner å lyse nesten med en gang etter vi har skudd på lyset. Men hvert elektron i ledningen beveger seg kun noen tidels millimeter per sekund. Hvordan har det seg da at lampa lyser nesten umiddelbart etter man har trykket på bryteren? Vi kan sammenligne det med at elektronene ligger som kuler i et rør: gir du den bakerste et dytt, vil den fremste bevege på seg. Slik transporteres det elektriske signalet raskt gjennom ledningen.

Elektrisk strøm i kretser

Nå kommer en kort forklaring av elektrisk strøm i kretser.

Strømmen er lik over alt i en seriekobling. Amperemeter kobles i serie. Figur: UngEnergi
Strømmen er lik over alt i en seriekobling. Amperemeter kobles i serie. Figur: UngEnergi

Elektrisk strøm i seriekobling

En seriekobling er en krets der komponentene kobles etter hverandre i en ring. Den har altså ikke forgreininger.

 

I seriekoblinger er strømmen lik over alt. Uansett om du måler strømmen ”før” eller ”etter” lyspæra, vil strømmen være den samme.

Måling av strøm – amperemeter

Man måler strøm med et apparat som kalles amperemeter. Amperemeteret må kobles i serie. På den måten vil strømmen gå gjennom måleinstrumentet slik at vi kan måle den. Se for deg at amperemeteret teller antall elektroner som passerer gjennom det. Amperemeteret har svært liten motstand, så strømmen går lett igjennom måleinstrumentet, og påvirkes ikke av at vi måler den.

Sammenligning mellom vannet i ei elv som deler seg og strømmen i en ledning som forgreiner seg. Mengden vann i før delingen er like stor som de to mindre grenene til sammen. Slik er det også for strømmen. Figur: UngEnergi
Sammenligning mellom vannet i ei elv som deler seg og strømmen i en ledning som forgreiner seg. Mengden vann i før delingen er like stor som de to mindre grenene til sammen. Slik er det også for strømmen. Figur: UngEnergi

Elektrisk strøm i parallellkobling

En parallellkobling er en krets med forgreininger. I denne kretsen vil strømmen ”dele” seg, litt som en elv som forgreiner seg. Og akkurat som vannet vil den elektriske strømmen ”foretrekke” den greina med minst motstand. Hvis elvegreinene møtes igjen – og hvis strømledningene møtes igjen – vil mengden strøm/vann være den samme etter forgreiningen som før.

Kirchhoffs 1. lov

[Fysikk 1] Kirchhoffs 1. lov kalles også Kirchhoffs strømlov og hjelper oss å finne ut hva strømmen er på forskjellige steder i en krets. Den er spesielt nyttig i forbindelse med parallellkoblinger. Loven sier at summen av strømmen som går inn mot et forgreiningspunkt er lik strømmen som går ut. Et forgreiningspunkt er det punktet der flere ledninger er koblet sammen. Hvis du tenker logisk, gir det mening at strømmen som går inn må være lik den som går ut, siden strømmen/ladninger ikke kan forsvinne, oppstå eller hope seg opp i et forgreiningspunkt.

 

I en seriekobling betyr dette at strømmen må være lik over alt i kretsen.

 

EKS:

Forgreininger i ledning. Figur: UngEnergi

Vi måler strømmen I0 = 0,3 A. Kirchhoffs strømlov sier at strømmen inn, I0, er lik summen av strømmene ut, altså I1, I2 og I3. Med matematikk skriver vi:

 

I0 = I1 + I2 + I3

 

Hvis alle ledningene har like stor motstand, vil strømmen fordele seg likt i de tre greinene. Det vil si at:

 

I1 = I2 = I3.

 

Da kan vi regne ut I1, I2 og I3 ved å dele I0 på 3.

 

I0 = 3 · I1

I1 = I0/3 = 0,3A/3 = 0,1A

 

Dermed fant vi ut at strømmen I0 = 0,3 A fordelte seg i tre greiner på 0,1 A hver.

I en parallellkobling vil strømmen på 3A dele seg i tre like store strømmer på 1A (Kirchhoffs 1. lov). Figur: UngEnergi
I en parallellkobling vil strømmen på 3A dele seg i tre like store strømmer på 1A (Kirchhoffs 1. lov). Figur: UngEnergi

Strømforbruk

Man pleier ofte å si at komfyren “bruker” mye strøm, eller at en sparepære “bruker” lite strøm. Hva er det som “brukes”?

 

I ledningene er det elektroner i bevegelse, men det er ikke elektroner som brukes når man snakker om strømforbruk. Det er like mange elektroner i strømkretsen til enhver tid. Det går ikke an å bruke opp elektronene i en ledning, men man kan utnytte energien i dem. Elektrisk strøm er nemlig en måte å transportere elektrisk energi på. Hvis du ser for deg en bekk med vann som strømmer gjennom en turbin slik at den snurrer, blir det brukt energi fra vannet til å drive turbinen, men ingenting av vannet forsvinner. Dermed vil et måleinstrument vise like mange Ampere på hver side av en lampe i en strømkrets. Se figuren ved siden av «seriekobling».

 

Energien man “bruker” forsvinner ikke, men gjøres om til en annen form. Den elektriske energien i ledningene blir omformet til lys i en lyspære og varme i en komfyr. Lys og varme er former for energi.

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Elektroner i bevegelse. Husk at elektronene beveger seg i motsatt retning av den definerte strøm-retningen.
Spenningskilder er for eksempel batterier, solceller eller generatorer, og andre ting som skaper spenning. Når man har en elektrisk krets, vil ikke strømmen gå før man har koblet på en spenningskilde som kan drive strømmen.
Et medium er det stoffet eller den substansen som et signal eller lignende sendes igjennom. F.eks. kan elektrisk strøm sendes gjennom f.eks. metall, ionisert gass eller væske, og da er metallet, gassen og væska eksempler på medium.