Elektrisitet finner man blant annet i stikkontakten i veggen. Man setter i støpselet og får tilgang til elektrisk energi som man kan bruke til å drive en mengde apparater. Det er utrolig hva man kan få ut av et par ledninger. Kanskje litt for utrolig?

I grunnen er det ikke særlig mystisk, det er bare vanskelig å se hva det er som skjer fordi det er så smått. Man må zoome inn til et nivå som er mindre enn atomene for å kunne observere hva som foregår. Heldigvis går det fint å forklare hva elektrisitet er uten å måtte gå så dypt.

I dagligtalen bruker vi ofte ordene elektrisitet og strøm om hverandre. For enkelhets skyld kommer vi til å gjøre det samme i denne introteksten. Dette betyr at når vi bruker ordet elektrisitet snakker vi om elektrisk strøm.  

Elektrisitet – en energibærer

En energikilde gir oss tilgang til energi vi kan hente ut og benytte oss av. Dette kan f.eks. være fornybare kilder som fossefall, vind og sol, eller fossile kilder som kull- og gasskraftverk, eller kjernekraft. En energibærer, derimot, er noe som kan lagre energi over tid. Dermed kan energien brukes senere eller fraktes til et annet sted. Vanligvis er energibærere stoffer og materialer som kan frigjøre energi i kjemiske reaksjoner eller fysiske prosesser. Eksempler på energibærere er batterier, hydrogen, varme, kull, naturgass og elektrisitet.

Vi er avhengige av både energikilder og energibærere. Hadde vi ikke hatt energikilder, hadde vi verken hatt energi eller elektrisitet. Uten energibærere kunne vi ikke flyttet energien dit vi trenger den, og det ville derfor vært veldig vanskelig å ta den i bruk på en god måte.

Gode energibærere er spesielt viktig i tilknytning til fornybare energikilder. Dette skyldes at de fleste av de fornybare energikildene ikke er regulerbare. Sol- og vindkraft er for eksempel avhengig av været, tid på døgnet og lokasjon. Dermed er vi avhengige av å kunne lagre energi i perioder med overskudd, for å ha energi til perioder da solen ikke skinner eller når det er vindstille.

Ladning

Ladning er en egenskap hos mange partikler som for eksempel det negativt ladde elektronet og det positivt ladde protonet. Hva ladning egentlig er blir vanskelig å forklare, men vi kan se på hvordan partikler som har ladning oppfører seg.

Den viktigste egenskapen med ladning er dette: like ladninger frastøter hverandre, og ulike ladninger tiltrekker hverandre. To negativt eller to positivt ladde partikler vil frastøte hverandre, mens en positiv og en negativ ladd partikkel vil tiltrekke hverandre. Krefter på atomnivå, kalt elektromagnetiske krefter Den elektromagnetiske kraften holder atomer og molekyler sammen. Den virker tiltrekkende mellom ulike ladninger, og frastøtende mellom like ladninger. , dytter partiklene mot eller fra hverandre. Det er de samme kreftene som får magneter til å oppføre seg slik de gjør! Du kan derfor se for deg positive ladninger som plusspolen på en magnet, og negative ladninger som minuspolen.

Alle partikler med ladning blir kalt ladninger, men når vi snakker om ladninger i denne teksten, er det protoner (+) og elektroner (-) det er snakk om. Spesielt elektronene er viktige for denne teksten og sentrale for å forstå elektrisitet.

Elektrisk strøm

Ladninger som beveger seg i en bestemt retning kalles elektrisk strøm.

På samme måte som vannmassene i en elv strømmer, kan ladninger strømme i et materiale. I en strømkrets er det elektroner som strømmer gjennom ledningene, og siden elektronene beveger seg, har de bevegelsesenergi. Det er denne bevegelsesenergien de elektriske apparatene rundt oss kan bruke for å produsere lys, varme og liknende. Denne energien kommer fra det vi kaller en spenningskilde.

Kort om kretser

Se for deg at vi har tre deler:

1. En komponent som kan “tilføre” energi, en såkalt spenningskilde. Dette kan for eksempel være et batteri.
2. En komponent som kan bære strømmen fra spenningskilden til der den skal brukes. Dette kan for eksempel være en ledning.
3. En komponent som kan utnytte energien i elektrisiteten på en måte som er nyttig for oss. Dette kan eksempelvis være en lyspære som gjør om elektrisitet til lys og varme.

Setter vi disse tre tingene sammen på riktig måte, får vi det vi kaller en elektrisk krets, eller en strømkrets. Det kalles en krets fordi man ofte kobler komponentene slik at de former en sirkel, eller et kretsløp om du vil. Under ser du en illustrasjon av en av de enkleste kretsene som er mulig å lage. Denne inneholder et batteri, ledninger og en lyspære, som i punktene over. Kretser kan være så enkelt som dette eksempelet, men også så avansert som datamaskinen du leser denne teksten på.

 

Spenning – drivkraften bak strømmen

Nå som vi vet at elektrisitet er bevegelse av ladninger kan vi stille et viktig spørsmål: hvorfor beveger elektronene seg i det hele tatt? Svaret er spenning. Så hva er spenning, og hvordan fungerer det?

Se for deg at du ruller en stor, rund stein opp en bakke. Det krever energi å bevege denne steinen oppover. Jo lengre opp du ruller den, desto mer energi har du brukt. Hvor ble det av denne energien? Den er gjort om til en annen form for energi som vi kaller for potensiell energi. Hvis du slipper steinen midt i bakken vil tyngdekraften trekke den nedover, slik at steinen får bevegelse og dermed også bevegelsesenergi.

Ladninger kan også ha potensiell energi. Hvis du bruker energi på å dra to ulike ladninger fra hverandre, vil energien du tilfører lagres som potensiell energi. Hvis du slipper en av ladningene, vil tiltrekningskraften mellom ladningene få partikkelen du slapp til å bevege seg mot den andre. Dermed vil den potensielle energien omdannes til bevegelsesenergi. På samme måte kan man danne potensiell energi ved å dytte to like ladninger tett sammen. Da vil de frastøtes og bevege seg bort fra hverandre.

Spenning er nært knyttet til denne potensielle energien. Nøyaktig hvordan spenning defineres og regnes med ser vi mer på i den utdypende teksten om elektrisitet, men forenklet kan vi si at spenning uttrykker hvor mye potensiell energi en ladning har i et punkt i kretsen. Med mer spenning har vi mer potensiell energi, noe som gir økt bevegelse av ladninger og dermed økt elektrisk strøm.

En spenningskilde er en komponent som skaper spenning i en krets. Hvordan denne spenningen skapes avhenger av spenningskilden.  To eksempler på spenningskilder er batterier og generatorer.

Strømledere – hvordan styre strømmen

Vi vet nå at ladninger kan strømme gjennom et stoff, men hvordan kan vi kontrollere at elektronene i ledningen strømmer dit vi ønsker? Det viser seg at elektronene ikke strømmer like lett gjennom alle stoffer, og vi sier derfor at noen stoffer leder strøm bedre enn andre. Mange metaller, som f.eks. kobber, leder strøm godt og kalles en strømleder. En del andre stoffer, som for eksempel plast, leder strøm dårlig. En typisk ledning har kobber i midten med et plaststoff rundt. Siden det er mye lettere for elektronene å strømme gjennom kobberet enn plasten, vil de fleste av elektronene strømme gjennom kobberet og plasten kan anses som en beskyttelse eller isolasjon rundt kobberlederen. Dermed går mesteparten av elektronene akkurat dit vi ønsker at de skal.

Men hvorfor leder kobber og andre metaller strøm bedre enn for eksempel plast? Årsaken til dette ser man hvis man ser nærmere på kobberatomets struktur:

Til høyre i figuren over ser vi en skallmodell av et kobberatom. Her ser man at elektronene (de blå prikkene) har sortert seg i et fint mønster, men et av dem er helt ytterst, alene. Dette ytterste elektronet er svært løst knyttet til atomet og kalles et ledningselektron. I et metall vil de løse ledningselektronene ikke lengre tilhøre enkeltatomer. I stedet vil de utgjøre en felles elektronsky rundt kobberatomene, som illustrert til venstre i figuren over. Ettersom elektronene i elektronskyen flyter fritt, har de veldig lett for å bevege seg. Når vi da kobler en spenningskilde til ledningen, for eksempel et batteri, vil de løse elektronene begynne å bevege seg i samme retning. Vi har strøm!

Det er på grunn av det løse ledningselektronet at kobber leder strøm godt. Mange andre metaller har også denne egenskapen, men fordelen med kobber er at det lett å jobbe med samt at det er billig å utvinne. Grunnen til at plast og enkelte andre stoffer leder strøm dårlig, er nettopp fordi de ikke har slike ledningselektroner. Det trengs mye mer spenning for å frigjøre et elektron i en slik isolator.

Strømforbruk

Man pleier ofte å si at komfyren “bruker” mye strøm, eller at en sparepære “bruker” lite strøm. Men hva er det egentlig 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 de har når de beveger seg.

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. Alle vannmolekylene er der fortsatt, de har bare lavere bevegelsesenergi enn før. På samme måte vil heller ikke elektronene i en ledning forsvinne, men de vil ha mindre energi etter de har hjulpet til å drive et elektrisk apparat. Energimengden er altså konstant, men energikvaliteten avtar når energien omformes.

Det er lett å tenke seg da at man “bruker” energien, men energien forsvinner ikke. Det er jo nettopp denne energien som får lyspæra til å lyse! Vi sier at energi omgjøres, ikke brukes. Med andre ord kan energi aldri forsvinne (eller oppstå), den kan bare gå over til andre former for energi.

Et litt dypere dykk i hva elektrisitet er kan du lese her.