Elektrisk ström

Atomen och elektronvandring = ström

Skåda kopparatomen. 29 elektroner. 28 sitter fast och 1 sitter löst.



Det fungerar rent allmänt såhär att vissa elektronlager kan ha för lite eller för många elektroner vilket innebär att vi kan skapa en elektronrörelse där elektronerna som är fria vandrar mellan atomerna. Det är just detta som avgör om ett ämne leder ström bra eller dåligt - nämligen hur många fria elektroner de yttre elektronskalen har. Koppar t.ex. har 29 elektroner. Av dessa sitter 28 stycken fast men 1 elektron kan röra sig fritt och det är precis vad som händer när det flyter en ström.



Det går ganska långsamt om vi mäter hastigheten på den enskilda elektronen (det handlar några millimeter per sekund) men den inbördes elektronpåverkan blir mycket snabb så det ser utifrån ut som om hastigheten är ljusets hastighet (300.000 km per sekund). Dvs, om vi trycker in en elektron i ena änden av koppartråden så trillar det ut en elektron i andra änden rätt så omgående. Vi kallar denna elektronvandring för att det flyter en ström.



Om vi ansluter vår koppartråd till en strömkälla som har en underskott eller överskott av elektroner, då kommer alltså detta leda till en vandring av elektroner i vår koppartråd. Det flyter en ström.

Ström från + till - men elektroner går andra vägen

En förvirrande omständighet här, det är att elektronerna flyter från minus till plus. Men vi säger att strömmen flyter från plus till minus (strömmen är markerad som I ovan). Att strömmen går från plus till minus men elektronerna går det motsatta hållet, kanske begrips lättare genom att tänka på elektronen som en negativ partikel. Oavsett vilket trick du väljer för att komma ihåg detta - det viktiga är att komma ihåg att strömmen går från plus till minus, dvs från överskott till underskott.

Kretsschema

För att kunna prata om kretsar, dokumentera våra uppkopplingar, så att vi kan lära ut dem eller räkna på dem eller bara titta på dem, så gör vi ett kretsschema. Ett sådant schema består av symboler för spänningskälla, knappar, lampor, m.m.



Nedan ett enkelt schema, en sluten krets med spänningskälla och en lampa.





Det finns många olika sorters strömkällor. Batterier, spänningsregulatorer, transformatorer, nätaggregat, batteriladdare, osv. Alla gör samma jobb, de driver runt strömmen i en krets.

Sluten krets

En viktig detalj för att det skall flyta en ström i en sådan här krets det är att vi har en sluten krets. Med en sluten krets menas att strömmen kan flyta i en slinga. Om vi t.ex. har ett batteri så flyter strömmen ut från pluspolen på batteriet, genom slingan och sedan in på minuspolen på batteriet.

Med en knapp kan vi öppna eller stänga vår slutna krets. Det finns otroligt många olika sorters knappar som öppnar eller stänger en sluten krets.



Nedan kan vi starta en motor genom att hålla nere en knapp.


Kretsschemat för ovan inkopplade motor ser alltså ut såhär.


Det är alltså först när vi håller nere knappen och därmed skapar en sluten krets som strömmen flyter och motorn snurrar. När vi öppnar kretsen, så flyter ingen ström och motorn står stilla.

Glasklart? Då kan vi går vidare ... :)

Polaritet och DC

Pratar vi likström, vilket jag hittils gjort, innebär detta att det alltid finns en fixerad positiv (+) sida och en negativ (-) sida på spänningskällan. Den positiva är alltid positiv och den negativa alltid negativ. Strömmen flyter alltid åt samma håll i en likströmskrets. Det är viktigt att koppla in rätt här annars kommer det inte fungera, då allting i en likströmskrets är konstruerat efter att strömmen skall flyta åt det enda hållet.



Vi ska nu också lära oss en konvention. Det är att rött är plus (+) och svart är minus (-). Om du ser sladdar i någon manick så är rött plus och svart är minus. När du själv konstruerar någonting i framtiden så skall du hålla dig till detta. Det är inte alltid det är möjligt p.g.a. bristen på sladdar med rätt färg.

En sista grej vad gäller polaritet är att minus också vanligtvis benämns GND (Ground på engelska eller Grund på svenska). På en bil så är chassit minus, dvs GND. På många ställen i bilen går därför enbart 1 kabel, nämligen plus (+). Minus kopplas sedan till chassit. I många elektriska apparater är också minus (GND) kopplat till chassit (med en svart kabel).

Ibland, i synnerhet i kretscheman, benäms plus med Vcc och minus kan t.ex. benämnas Vss.

Pol.		Färg	Symbol	Elektron	Längd	Form
Positiv	+	Röd	Vcc	Anod	Lång	Rund
Negativ	-	Svart	Vss, GND	Katod	Kort	Streck

Är man osäker på polariteten finns andra ledtrådar. På en lysdiod är t.ex. det långa benet plus, på den rundande sidan. På en vanlig diod finns ett streck på katod/minus -sidan. Detsamma gäller diodens schema -symbol.

Mer kretsschema

Ett schema där vi driver en lampa med en knapp ser ut som nedan.




Testa kretsen i simulatorn.

Trappkoppling

Om du tänker dig en trappa med en lampa. Sen tänker du dig att det finns en strömbrytare där nere och en strömbrytare där uppe. Man vill ju kunna slå på ljuset där nere, gå upp för trappan och sedan stänga av ljuset där uppe. Dvs slå på och stänga av ljuset från 2 av varandra oberoende strömbrytare. Detta brukar kallas trappkoppling.



Så vi har alltså 2 strömbrytare och som du kan se så räcker det att man trycker på den ena strömbrytaren för att släcka eller tända.


Testa trappkopplingen i simulatorn. En trappkoppling i vilken du kan slå på strömmen och stänga av från 3 olika ställen!

Seriekoppling och parallellkoppling

Seriekoppling

Med seriekoppling menar vi att lamporna kopplas i en serie. Det går även koppla batterier i serie eller andra komponenter.


Studera seriekopplad kretsen i simulatorn.

Om vi seriekopplar 3 batterier på 1.5 V så får vi 3 x 1.5 V = 4.5 V.



Ovan är väl ganska intutivt? Det är något vi lärt oss utan att ens tänka över det.

Parallellkoppling

Med parallellkoppling menar vi att lamporna kopplats parallellt.


Studera parallellkopplad krets i simulatorn.

Om vi parallellkopplar 3 batterier på 1.5V så får vi fortfarande bara ut 1.5V men vi får 3 gånger så hög strömstyrka. Detta är kanske inget vi tänkt på även om det är intutivt att ett "stort batteri" håller längre än ett litet. Högre strömstyrka betyder alltså att batteriet kan leverera ström en längre tid.


På samma sätt som man kan serie och parallellkoppla batterier så kan man även serie eller parallellkoppla resistanser, kondensatorer, spolar och andra grejer också. Jag ska här prata om resistanser.

Likström (DC) och växelström (AC)

Likström innebär att strömmen går i en riktning, från plus till minus. Som ur ett batteri eller en mobil-laddare (5 volt) eller bilbatteri (12 volt).

Växelström har inget fix plus eller minus, här ändrar strömmen riktning med en viss frekvens. I t.ex. ett vägguttag (220 volt) så ändras polariteten 50 gånger per sekund.

Se exempel på AC och DC i simulatorn.

Laddningsmängd

Beroende på vilken mängd elektroner som flyter under en viss tid, så får vi olika värden på strömmen. Laddningsmängden (mängden elektroner) mäts i coulomb, vilket brukar betecknas Q. Vidare definierar vi strömmen (I) som laddningsmängd (Q) per tidsenhet (t). Strömmen blir alltså

I = Q / t

Man kan tänka sig liknelsen där vi har en flod där vi mäter volymen vatten på en viss tidsenhet. Eller ett rinnare bollhav där vi räknar antalet bollar under en viss tid. Eller volymen färg från en färgspruta under en viss tid. Ju fler elektroner under en viss tid - desto högre strömstyrka.

Ström = Elektrontransport

Man kan jämföra med en flod som flyter fram. Då är strömmen helt enkelt mängden vatten som flyter fram. Det måste inte gå fort. Är floden bred och djup och det flyter fram mycket vatten, då är strömmen som flyter fram väldigt stor.

Spänning = Elektrontryck

Spänningen är själva trycket i elektronerna. Man kan också se det som hastigheten.

Är själva trycket, dvs hastigheten, dvs spänningen (tänk dig att man spänner en fjäder väldigt hårt för att koppla spänning till något), i elektronerna tillräckligt högt då kan elektronerna flyga en bit utanför koppartråden. Det behövs ca 1.000 volt per millimeter luft. Så 10.000 volt kan alltså skapa en blixt på 1 cm. 100.000 volt kan flyga som en blixt ca 10 cm.

Ett sätt att tänka sig spänning är att tänka sig en sjö på hög höjd (mycket lägesenergi). Om man leder ner vattnet i en tunnel så kommer vattnet få väldigt hög fart (hög spänning). Såhär byggs ofta vattenkraftverk, där man låter vattnet efter att ha fått mycket hög fart driva en turbin som driver en alternator.

Resistans

Resistans är det motstånd elektronerna möter på sin väg genom en ledare.

Ledande ämnen kan betraktas som rör för elektroner. En koppartråd t.ex. Men alla dessa ledande ämnen leder olika bra. I princip innehåller alla kretsar ofrivillig eller vald resistans i olika former. Resistans innebär att elektronerna möter ett motstånd på sin väg genom metallen. Detta kommer innebära att det blir ett spänningsfall över metallen. Jag ska inte grotta djupare i detta just nu utan bara nämna det, så att det kan bubbla lite i bakhuvudet en stund.

Olika metaller leder olika bra.

Material	Leder	Användning
Silver	Superbra	Tunna lager på ledare
Koppar	Mycket bra	kretskort, sladdar
Aluminium	Mycket bra	Lådor, kylfläns
Guld	Bra	Tunna lager på kontakter
Platina	Bra	Tunna lager på kontakter
Järn	Ganska bra	Lådor

Om man önskar en bestämd resistans så kan man lägga in en resistor i den slutna kretsen.

Ovan ser du ett typiskt kretsschema med en spänningskälla på 5 volt och en resistor på 1KΩ (dvs 1000 Ω). Det är en sluten krets eftersom strömmen kan gå i en slinga.

Ohms lag

Om vi har en sluten krets så kan vi använda ohms lag på denna krets. Ohms lag lyder såhär:

U = R * I

Vi kan sedan skriva om formeln beroende på vilka 2 av dessa 3 variabler vi känner till. Ohms lag på ovan slutna krets ger att det flyter en ström på

I = U / R = 5V / 1000 = 5mA

Studera en sluten krets i simulatorn.
Mer om ohms lag här.