6.1 Ladning og spenning

Kraften som får håret til å reise seg

Gni en ballong mot håret ditt, og se hva som skjer: hårstråene reiser seg og strekker seg mot ballongen. Det er ingen magi -- det er elektrisitet, en av naturens mest grunnleggende krefter. Den holder atomer sammen, gir oss lys og strøm, og lar nervecellene dine snakke med hverandre akkurat nå mens du leser.

Alt starter med elektrisk ladning, en grunnleggende egenskap ved materie som kommer i to typer. Positiv ladning bæres av protonene i atomkjernen, som sitter fast. Negativ ladning bæres av elektronene rundt kjernen, og disse kan bevege seg fritt -- særlig i metaller. Ladning måles i coulomb (C), og den minste enheten er elementærladningen $e = 1{,}602 \times 10^{-19}$ C. All ladning er et helt multiplum av denne.

Et viktig prinsipp er at ladning bevares -- den kan verken skapes eller ødelegges. Når du gnir ballongen mot håret, flyttes elektroner fra håret til ballongen: ballongen blir negativ, håret positivt, men totalsummen er fortsatt null. Det var nettopp denne overføringen som fikk håret til å reise seg. I dette kapittelet skal vi se på kraften mellom ladninger og på begrepet spenning, som driver all elektronikk.

Like og ulike ladninger -- elektrisitetens grunnkraft

Først en gylden regel: like ladninger frastøter, ulike tiltrekker. To positive (eller to negative) skyver hverandre bort, mens en positiv og en negativ trekker mot hverandre. Det forklarer ballongen -- den negative ballongen tiltrakk det positive håret.

Hvor sterk er kraften? Den blir sterkere jo større ladningene er, og svakere jo lenger fra hverandre de er. Kraften virker langs linjen mellom ladningene, og den virker på begge -- like stor og motsatt rettet, slik Newtons tredje lov sier.

Den elektriske kraften ligner på tyngdekraften: begge virker på avstand, uten kontakt. Men det er to store forskjeller. Tyngdekraften er alltid tiltrekkende, mens den elektriske kraften kan gå begge veier. Og mellom små partikler som elektroner og protoner er den elektriske kraften enormt mye sterkere enn tyngdekraften.

Spenning og elektronvolt

Det siste vi trenger er energibildet. Spenningen $U$ mellom to punkter forteller hvor mye elektrisk energi som omsettes per ladning som går fra det ene punktet til det andre: $\displaystyle U = \frac{W}{q}$, målt i volt (V), der 1 V = 1 J/C. Snur vi på formelen, får vi energien $W = qU$. Et batteri på 9 V gir altså hver coulomb som går gjennom det, 9 J energi. Tenk på spenningen som «trykket» som driver ladningene gjennom en krets.

I atomfysikk er joule en upraktisk stor enhet, så vi bruker ofte elektronvolt (eV): energien et elektron får når det akselereres gjennom 1 volt. Siden energi er ladning ganger spenning, blir $1 \text{ eV} = e \cdot 1 \text{ V} = 1{,}602 \times 10^{-19}$ J. Akselereres et elektron gjennom 20 000 V (som i et gammelt TV-rør), får det energien $W = eU = 1{,}602 \times 10^{-19} \cdot 20\,000 = 3{,}2 \times 10^{-15}$ J $= 20$ keV.

En liten historisk fotnote: Benjamin Franklin, som viste at lyn er elektrisk med sitt berømte drageeksperiment i 1752, innførte konvensjonen pluss og minus. Han gjettet dessverre feil på strømretningen -- elektronene beveger seg egentlig fra minus til pluss -- men konvensjonen om at «strømmen» går fra pluss til minus holdt seg likevel, og brukes fortsatt.

Batteriet og spenningen i kretsen

Et batteri gir energi til ladningene som går gjennom det, og ladningene gir energien fra seg i lampene og motorene i kretsen. Spenningen forteller hvor mye energi hver coulomb får eller gir fra seg: over et batteri på 9 V får hver coulomb 9 J, og over en lampe med spenning 6 V gir hver coulomb fra seg 6 J.

Hvor mye energi et batteri kan levere i alt, avhenger av hvor mye ladning det kan sende gjennom kretsen. Et mobilbatteri med kapasitet 4000 mAh kan levere $4{,}0\ \mathrm{A} \cdot 3600\ \mathrm{s} = 14\,400$ C. Med spenning 3,7 V blir energien $W = QU = 14\,400\ \mathrm{C} \cdot 3{,}7\ \mathrm{V} \approx 53$ kJ, omtrent like mye energi som trengs for å løfte et menneske på 70 kg opp 75 meter.

Oppsummering

Det reiste håret var elektrisitet i aksjon. Elektrisk ladning kommer i to typer (positiv på protoner, negativ på elektroner), måles i coulomb, og bevares alltid -- gnidd ballong flytter bare elektroner.

Mellom ladninger virker en elektrisk kraft: like frastøter, ulike tiltrekker, og kraften blir sterkere med større ladninger og svakere med større avstand. Den ligner tyngdekraften, men kan gå begge veier og er langt sterkere mellom små partikler.

Til slutt møtte vi energibildet: spenning $\displaystyle U = \frac{W}{q}$ er energi per ladning, og energien som omsettes er $W = qU$. Den praktiske enheten elektronvolt lar oss måle energier på atomær skala. Med ladning og spenning på plass har vi alt vi trenger for å bygge -- og forstå -- elektriske kretser.