6.1 Ladning og spenning

Ladning og spenning

Elektrisitet er en av de viktigste kreftene i naturen. Den holder atomer sammen, gir oss lys og kraft, og gjør det mulig for nerveceller å kommunisere.

Hva er elektrisk ladning?

Elektrisk ladning er en grunnleggende egenskap ved materie. Den kommer i to typer:

1. Positiv ladning (+)
- Bæres av protoner i atomkjernen
- Protoner kan ikke bevege seg fritt (sitter fast i kjernen)

2. Negativ ladning (−)
- Bæres av elektroner rundt atomkjernen
- Elektroner kan bevege seg fritt (spesielt i metaller)

Grunnleggende fakta:
- Ladning måles i coulomb (C)
- Elementærladningen: $e = 1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- Elektron: $q_e = -e = -1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- Proton: $q_p = +e = +1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- All ladning er et multiplum av elementærladningen

Ladningsbevarelse:
- Ladning kan ikke skapes eller ødelegges
- Total ladning i et lukket system er konstant
- Eksempel: Når du gnir en ballong mot håret, får ballongen negativ ladning (elektroner overføres), mens håret får positiv ladning (mister elektroner). Total ladning er fortsatt null.

Ladningsoverføring og influens

Gnidning

Når to ulike stoffer gnis mot hverandre, kan elektroner gå fra det ene stoffet til det andre. Stoffet som får elektroner, blir negativt ladet, og stoffet som mister elektroner, blir like mye positivt ladet. Protonene flytter seg ikke, de sitter fast i atomkjernene.

En ladning består alltid av et helt antall elementærladninger:

$$Q = n \cdot e$$

der $n$ er antallet elektroner som er overført.

Ledere og isolatorer

I metaller kan noen av elektronene bevege seg fritt. Slike stoffer kalles ledere. I plast, glass og tørt papir sitter elektronene fast, og stoffene kalles isolatorer. Ladning på en isolator blir liggende der den havnet, mens ladning på en leder fordeler seg utover hele lederen.

Influens

En ladd gjenstand kan også tiltrekke en gjenstand som ikke er ladet. Holder vi en negativt ladd ballong nær en tom brusboks av aluminium, skyves de frie elektronene i boksen bort fra ballongen. Siden nærmest ballongen blir positiv, og siden lengst borte blir negativ. Den positive siden er nærmest ballongen og tiltrekkes sterkere enn den negative siden frastøtes, så boksen trekkes mot ballongen. Dette kalles influens.

I en isolator, for eksempel papirbiter, forskyves ladningene litt i hvert molekyl. Papirbitene tiltrekkes på samme måte.

Elektriske krefter

Like ladninger frastøter hverandre, ulike ladninger tiltrekker hverandre:
- To positive ladninger frastøter hverandre
- To negative ladninger frastøter hverandre
- En positiv og en negativ ladning tiltrekker hverandre

Hva bestemmer hvor sterk kraften er?
- Kraften blir sterkere jo større ladningene er
- Kraften blir svakere jo lenger fra hverandre ladningene er
- Kraften virker på begge ladningene, like stor og motsatt rettet (Newtons 3. lov)

Sammenligning med tyngdekraften:
- Begge virker på avstand (ingen kontakt nødvendig)
- Tyngdekraften er alltid tiltrekkende, mens den elektriske kraften kan være tiltrekkende eller frastøtende
- Mellom små partikler som elektroner og protoner er den elektriske kraften enormt mye sterkere enn tyngdekraften

Eksempel: Den gnidde ballongen har fått elektroner fra håret og er negativt ladet. Håret er positivt ladet. Ulike ladninger tiltrekker hverandre, så håret reiser seg mot ballongen.

Spenning og elektrisk energi

Spenning

Spenning mellom to punkter er den elektriske energien per ladning som omsettes når ladningen går fra det ene punktet til det andre:

$$U = \frac{W}{q}$$

hvor:
- $U$ = spenning (volt, V)
- $W$ = energi som omsettes (J)
- $q$ = ladning (C)

Enhet: $1 \text{ V} = 1 \text{ J/C}$

Energi fra spenning og ladning:

$$W = qU$$

Tolkning:
- Et batteri på 9 V gir hver coulomb som går gjennom det, 9 J energi
- Spenning er det som driver ladninger gjennom en krets
- Energien kan bli til lys, varme eller bevegelse i kretsen

Elektronvolt (eV)

Elektronvolt er en praktisk energienhet i atomfysikk:

Definisjon: Energien et elektron får når det akselereres gjennom en spenning på 1 volt.

$$1 \text{ eV} = 1{,}602 \times 10^{-19} \text{ J}$$

Eksempel: Et elektron i et gammelt TV-rør akselereres gjennom 20 000 V:

$$W = eU = (1{,}602 \times 10^{-19}) \cdot 20000 = 3{,}2 \times 10^{-15} \text{ J} = 20 \text{ keV}$$

Oppsummering

- Elektrisk ladning måles i coulomb (C), elementærladning: $e = 1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- Ladning er bevart: den kan flyttes, men ikke skapes eller ødelegges
- Like ladninger frastøter, ulike ladninger tiltrekker
- Den elektriske kraften blir sterkere med større ladninger og svakere med større avstand
- Spenning er energi per ladning: $\displaystyle U = \frac{W}{q}$, og energien som omsettes er $W = qU$
- Elektronvolt: 1 eV = $1{,}602 \times 10^{-19}$ J (energien et elektron får gjennom 1 V)
- Ved gnidning flyttes elektroner, $Q = n \cdot e$. En ladd gjenstand tiltrekker uladde gjenstander ved influens
- Et batteri med kapasitet $Q$ og spenning $U$ kan levere energien $W = QU$