Tilbake
5.2

5.2 Elektriske kretser: Ohm, Kirchhoff og effektfella

Kretsanalyse slik sensor vil se den: serie/parallell, Kirchhoff ved flere masker — og hvorfor $P = RI^2$ er tryggere enn $P = U^2/R$.

60 min
12 oppgaver
Elektriske kretserOhmKirchhoffeffektfella
Din fremgang i kapitlet
0 / 12 oppgaver

Forkunnskaper

Dette kapitlet bygger på:

- kap. 5.1 — ladning, spenning og arbeidet W=qUW = qU. Strøm er ladning i bevegelse, og spenning er fortsatt arbeid per ladning.
- Grunnleggende likninger — du skal snu formler som U=RIU = RI og løse for den ukjente.
- Likningssett — Kirchhoffs lover gir et lineært ligningssett med to eller tre ukjente strømmer.

Kapitlet tar rundt 60 minutter. Det er delt i fem løkker med pausepunkter mellom.

Løkke 1 — Strøm, spenning og Ohms lov (~10 min)

Du har antakelig kjent en telefonlader bli varm. Det er en krets i arbeid: en spenningskilde presser ladning gjennom en ledning, ladningen møter motstand, og energien blir til varme. Alt i dette kapitlet er varianter av akkurat den historien.

Tre størrelser bærer hele apparatet: strøm, spenning og resistans.

Elektrisk strøm II
Strøm er ladning per tid gjennom et tverrsnitt av lederen:

I=qtI = \frac{q}{t}

SI-enheten er ampere (A), og 1 A=1 C/s1\ \text{A} = 1\ \text{C/s}.

Vi regner alltid med konvensjonell strømretning: fra pluss til minus utenfor kilden. At det egentlig er negative elektroner som beveger seg andre veien, spiller ingen rolle for regningen.

Spenning UU
Spenning (potensialforskjell) mellom to punkter er det elektriske arbeidet per ladningsenhet når ladning flyttes mellom punktene:

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

SI-enheten er volt (V), og 1 V=1 J/C1\ \text{V} = 1\ \text{J/C}.

En spenningskilde leverer energi til ladningene; en motstand tar energi fra dem. Derfor har alle komponenter i en krets en spenning «over seg».

Resistans RR og Ohms lov
Resistans er forholdet mellom spenningen over en komponent og strømmen gjennom den:

R=UIU=RIR = \frac{U}{I} \quad\Longleftrightarrow\quad U = RI

SI-enheten er ohm (Ω\Omega), og 1 Ω=1 V/A1\ \Omega = 1\ \text{V/A}.

Sammenhengen U=RIU = RI kalles Ohms lov. Den gjelder for komponenter der RR er konstant (metalltråder ved fast temperatur) — glødelamper og dioder har ikke konstant RR, men i eksamensoppgavene får du oppgitt de verdiene du skal bruke.

Advarsel om symbolet: i dette delkapitlet betyr RR resistans. I mekanikken (Del 1) betyr RR friksjonskraften R=μNR = \mu N. Se symbollisten nederst.

✏️Eksempel 1: Ohms lov begge veier (sjanger J)

En motstand på 47 Ω47\ \Omega fører strømmen 0,15 A0{,}15\ \text{A}.

a) Hvor stor er spenningen over motstanden?
b) En annen komponent har 12 V12\ \text{V} over seg og fører 0,40 A0{,}40\ \text{A}. Hvor stor er resistansen?

a) Ohms lov brukt forlengs:

U=RI=47 Ω0,15 A=7,1 VU = RI = 47\ \Omega\cdot0{,}15\ \text{A} = 7{,}1\ \text{V}

b) Ohms lov brukt baklengs:

R=UI=12 V0,40 A=30 ΩR = \frac{U}{I} = \frac{12\ \text{V}}{0{,}40\ \text{A}} = 30\ \Omega

Enhetskontroll: ΩA=(V/A)A=V\Omega\cdot\text{A} = (\text{V/A})\cdot\text{A} = \text{V} ✓ og V/A=Ω\text{V/A} = \Omega ✓.

Merk: begge svar har enhet. Et tallsvar uten enhet gir trekk i denne sjangeren.

📝Oppgave 1
(Innstegsoppgave — enheter og Ohms lov.)

a) Skriv 250 mA250\ \text{mA} i ampere og 2,2 kΩ2{,}2\ \text{k}\Omega i ohm.
b) En lampe fører 250 mA250\ \text{mA} når spenningen over den er 6,0 V6{,}0\ \text{V}. Hvor stor er resistansen?

— naturlig pausepunkt —

Løkke 2 — Serie og parallell, med begrunnelse (~14 min)

De to koblingsmåtene er hele grunnlaget for kretsreduksjon. Det er ikke nok å huske formlene; du skal kunne si hvorfor de ser ut som de gjør, for det er begrunnelsen som avgjør hvilken formel du velger under tidspress.

Seriekobling
Komponenter er koblet i serie når det bare finnes én vei for strømmen: all strømmen som går gjennom den ene, må gå gjennom den neste.

I er den samme overalt,U=U1+U2+,R=R1+R2+I \text{ er den samme overalt}, \qquad U = U_1 + U_2 + \ldots, \qquad R = R_1 + R_2 + \ldots

Hvorfor summerer resistansene seg? Fordi spenningene legger seg sammen mens strømmen er felles: U=R1I+R2I=(R1+R2)IU = R_1I + R_2I = (R_1+R_2)I.

Konsekvens: en seriekobling har alltid større resistans enn den største enkeltmotstanden.

✏️Eksempel 2: Tre motstander i serie (sjanger J)

Motstandene 20 Ω20\ \Omega, 30 Ω30\ \Omega og 50 Ω50\ \Omega er koblet i serie til et batteri på 12 V12\ \text{V}. Finn strømmen i kretsen og spenningen over 30 Ω30\ \Omega-motstanden.

Reduser først. I serie summeres resistansene:

R=20 Ω+30 Ω+50 Ω=100 ΩR = 20\ \Omega + 30\ \Omega + 50\ \Omega = 100\ \Omega

Strømmen er felles for alle tre:

I=UR=12 V100 Ω=0,12 AI = \frac{U}{R} = \frac{12\ \text{V}}{100\ \Omega} = 0{,}12\ \text{A}

Spenningen over 30 Ω30\ \Omega — her bruker vi den samme strømmen, siden alt står i serie:

U2=R2I=30 Ω0,12 A=3,6 VU_2 = R_2 I = 30\ \Omega\cdot0{,}12\ \text{A} = 3{,}6\ \text{V}

Kontroll: de tre spenningene blir 2,4 V+3,6 V+6,0 V=12,0 V2{,}4\ \text{V} + 3{,}6\ \text{V} + 6{,}0\ \text{V} = 12{,}0\ \text{V} — akkurat kildespenningen, slik maskeloven krever ✓

Konklusjon: strømmen er 0,12 A0{,}12\ \text{A}, og 3,6 V3{,}6\ \text{V} ligger over 30 Ω30\ \Omega-motstanden.

📝Oppgave 2
(Sjanger J — kretsanalyse.) Motstandene 15 Ω15\ \Omega og 25 Ω25\ \Omega står i serie over et batteri på 9,0 V9{,}0\ \text{V}.

a) Finn strømmen i kretsen.
b) Finn spenningen over hver motstand, og kontroller at summen stemmer.

Parallellkobling
Komponenter er koblet i parallell når de sitter mellom de samme to punktene, slik at strømmen deler seg.

U er den samme over alle,I=I1+I2+,1R=1R1+1R2+U \text{ er den samme over alle}, \qquad I = I_1 + I_2 + \ldots, \qquad \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \ldots

Hvorfor summerer de omvendte resistansene seg? Fordi strømmene legger seg sammen mens spenningen er felles: I=U/R1+U/R2=U(1/R1+1/R2)I = U/R_1 + U/R_2 = U(1/R_1 + 1/R_2).

For nøyaktig to motstander er det ofte raskest med produkt over sum:

R=R1R2R1+R2R = \frac{R_1R_2}{R_1+R_2}

Konsekvens (rimelighetssjekk): en parallellkobling har alltid mindre resistans enn den minste grenen.

✏️Eksempel 3: To motstander i parallell (sjanger J)

Motstandene 30 Ω30\ \Omega og 60 Ω60\ \Omega er koblet i parallell rett over et batteri på 12 V12\ \text{V}. Finn strømmen i hver gren og den samlede resistansen.

Samme spenning over begge grenene — det er hele poenget med parallellkobling. Derfor kan vi regne hver gren for seg:

I1=12 V30 Ω=0,40 A,I2=12 V60 Ω=0,20 AI_1 = \frac{12\ \text{V}}{30\ \Omega} = 0{,}40\ \text{A}, \qquad I_2 = \frac{12\ \text{V}}{60\ \Omega} = 0{,}20\ \text{A}

Samlet strøm (knutepunktsloven): I=0,40 A+0,20 A=0,60 AI = 0{,}40\ \text{A} + 0{,}20\ \text{A} = 0{,}60\ \text{A}.

Samlet resistans, på to måter som må gi samme svar:

1R=130+160=2+160=120R=20 Ω\frac{1}{R} = \frac{1}{30} + \frac{1}{60} = \frac{2+1}{60} = \frac{1}{20} \quad\Longrightarrow\quad R = 20\ \Omega

R=UI=12 V0,60 A=20 Ω R = \frac{U}{I} = \frac{12\ \text{V}}{0{,}60\ \text{A}} = 20\ \Omega \ ✓

Rimelighetssjekk: 20 Ω<30 Ω20\ \Omega < 30\ \Omega, altså mindre enn den minste grenen — slik det alltid skal være i en parallellkobling.

Konklusjon: grenstrømmene er 0,40 A0{,}40\ \text{A} og 0,20 A0{,}20\ \text{A}, og koblingen erstattes av 20 Ω20\ \Omega.

📝Oppgave 3
(Sjanger J.) Motstandene 12 Ω12\ \Omega og 4,0 Ω4{,}0\ \Omega er koblet i parallell.

a) Finn den samlede resistansen.
b) Gjør rimelighetssjekken: er svaret mindre enn den minste grenen?

— naturlig pausepunkt —

Løkke 3 — Sammensatte kretser og effektfella (~16 min)

Nå setter vi de to koblingsmåtene sammen. Framgangsmåten er alltid den samme: reduser innenfra og ut, finn hovedstrømmen, og jobb deg tilbake utover for å finne delspenninger og grenstrømmer.

Elektrisk effekt
Effekt er energi per tid. I en komponent med spenning UU over seg og strøm II gjennom seg er

P=UIP = UI

Setter du inn Ohms lov, får du to likeverdige former:

P=RI2ogP=U2RP = RI^2 \qquad \text{og} \qquad P = \frac{U^2}{R}

SI-enheten er watt (W), og 1 W=1 J/s1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}. Alle tre uttrykkene er riktige — så lenge UU og II hører til samme komponent.

Effektregelen (metoderegel)
I sammensatte kretser: bruk P=RI2P = RI^2.

Grunnen er praktisk. Strømmen gjennom en komponent finner du nesten alltid underveis i reduksjonen, mens spenningen over akkurat den komponenten er lett å forveksle med kildespenningen. Formelen P=U2/RP = U^2/R er ikke feil, men den er farlig: den krever spenningen over nettopp den motstanden.

Regelen i praksis: vil du likevel bruke P=U2/RP = U^2/R, må du først skrive én setning som viser hvilken UU det er — for eksempel «spenningen over parallellkoblingen er 5,545{,}54 V». Uten den setningen er metoden feil, og feil metode med riktig tall gir null uttelling.

✏️Eksempel 4: Sammensatt krets med effektspørsmål (sjanger J)

Motstandene 40 Ω40\ \Omega og 60 Ω60\ \Omega står i parallell. Parallellkoblingen er koblet i serie med 15 Ω15\ \Omega til et batteri på 9,0 V9{,}0\ \text{V} (se figuren over).

a) Finn strømmen gjennom hver motstand.
b) Finn effekten som avsettes i 60 Ω60\ \Omega-motstanden.
c) Vis at samlet avsatt effekt er lik effekten batteriet leverer.

a) Reduser innenfra. Parallellkoblingen:

Rp=406040+60 Ω=2400100 Ω=24 ΩR_p = \frac{40\cdot60}{40+60}\ \Omega = \frac{2400}{100}\ \Omega = 24\ \Omega

(Rimelighetssjekk: 24 Ω<40 Ω24\ \Omega < 40\ \Omega ✓.) Samlet resistans i kretsen:

R=15 Ω+24 Ω=39 ΩR = 15\ \Omega + 24\ \Omega = 39\ \Omega

Hovedstrømmen går gjennom 15 Ω15\ \Omega-motstanden:

I=9,0 V39 Ω=0,2308 A0,231 AI = \frac{9{,}0\ \text{V}}{39\ \Omega} = 0{,}2308\ \text{A} \approx 0{,}231\ \text{A}

Spenningen over parallellkoblingen — dette er den setningen som gjør resten trygg:

Up=RpI=24 Ω0,2308 A=5,54 VU_p = R_p I = 24\ \Omega\cdot0{,}2308\ \text{A} = 5{,}54\ \text{V}

Grenstrømmene, hver med sin resistans og den felles spenningen UpU_p:

I1=5,54 V40 Ω=0,138 A,I2=5,54 V60 Ω=0,0923 AI_1 = \frac{5{,}54\ \text{V}}{40\ \Omega} = 0{,}138\ \text{A}, \qquad I_2 = \frac{5{,}54\ \text{V}}{60\ \Omega} = 0{,}0923\ \text{A}

Kontroll (knutepunktsloven): 0,138+0,0923=0,2310{,}138 + 0{,}0923 = 0{,}231 A ✓

b) Effekten i 60 Ω60\ \Omega-motstanden. Vi bruker effektregelen:

P2=R2I22=60 Ω(0,0923 A)2=0,511 WP_2 = R_2 I_2^2 = 60\ \Omega\cdot(0{,}0923\ \text{A})^2 = 0{,}511\ \text{W}

Hvorfor ikke U2/RU^2/R med 9,0 V? Fordi 9,09{,}0 V ligger over hele kretsen, ikke over 60 Ω60\ \Omega-motstanden. Den regningen ville gitt 9,02/60=1,359{,}0^2/60 = 1{,}35 W — nesten tre ganger for mye. Bruker du U2/RU^2/R, må UU være 5,545{,}54 V: 5,542/60=0,5115{,}54^2/60 = 0{,}511 W ✓

c) Energiregnskapet.

P15=15(0,2308)2 W=0,799 W,P1=40(0,1385)2 W=0,767 W,P2=0,511 WP_{15} = 15\cdot(0{,}2308)^2\ \text{W} = 0{,}799\ \text{W}, \quad P_1 = 40\cdot(0{,}1385)^2\ \text{W} = 0{,}767\ \text{W}, \quad P_2 = 0{,}511\ \text{W}

Sum: 0,799+0,767+0,511=2,08 W0{,}799 + 0{,}767 + 0{,}511 = 2{,}08\ \text{W}.

Levert av batteriet: P=UI=9,0 V0,2308 A=2,08 WP = UI = 9{,}0\ \text{V}\cdot0{,}2308\ \text{A} = 2{,}08\ \text{W}

Konklusjon: strømmene er 0,1380{,}138 A og 0,09230{,}0923 A, effekten i 60 Ω60\ \Omega-motstanden er 0,5110{,}511 W, og energiregnskapet balanserer.

📝Oppgave 4
(Sjanger J — sammensatt krets med effekt.) Motstandene 20 Ω20\ \Omega og 30 Ω30\ \Omega står i parallell, og parallellkoblingen er koblet i serie med 24 Ω24\ \Omega til et batteri på 6,0 V6{,}0\ \text{V}.

a) Finn strømmen gjennom hver av de tre motstandene.
b) Finn effekten som avsettes i 20 Ω20\ \Omega-motstanden, og vis hvorfor P=U2/RP = U^2/R med 6,0 V6{,}0\ \text{V} gir galt svar.
c) Kontroller at samlet avsatt effekt er lik levert effekt.

📝Oppgave 5
(Sjanger Q — kvalitativ forklaring. «Sjanger Q» er bokas navn på de rene «forklar/begrunn»-deloppgavene, som utgjør 25–40 % av eksamen.)

En medstudent skriver: «Effekten i motstanden er P=U2/R=6,02/20=1,8P = U^2/R = 6{,}0^2/20 = 1{,}8 W.»

Forklar i 2–4 setninger hva som er galt, og hvordan svaret skal formuleres for å gi full uttelling.

— naturlig pausepunkt —

Løkke 4 — Kirchhoffs lover (~14 min)

Noen kretser lar seg ikke redusere til serier og parallellkoblinger — typisk når det står to spenningskilder i forskjellige grener. Da må du bruke Kirchhoffs to lover, som begge er bevaringslover i forkledning.

Kirchhoffs strømlov (knutepunktsloven)
I et knutepunkt — et punkt der tre eller flere ledere møtes — er summen av strømmene inn lik summen av strømmene ut:

Iinn=Iut\sum I_{\text{inn}} = \sum I_{\text{ut}}

Loven er ladningsbevaring: ladning hoper seg ikke opp i et punkt.

Kirchhoffs spenningslov (maskeloven)
Går du én runde rundt en lukket maske i kretsen og summerer alle spenningene med fortegn, blir summen null:

U=0\sum U = 0

Loven er energibevaring: en ladning som kommer tilbake til samme punkt, har hverken vunnet eller tapt energi netto.

I praksis: spenningskilder regnes positive når du går fra minus til pluss gjennom dem, og RIRI-leddene regnes negative når du går med den valgte strømretningen.

Valgt strømretning og negative strømmer

Før du setter opp ligningene, velger du en retning for hver ukjent strøm og tegner pila på skjemaet. Valget trenger ikke være riktig.

Blir svaret negativt, betyr det bare at strømmen går motsatt vei av pila du tegnet. Tallverdien er riktig. Du skal skrive denne tolkningen ut i besvarelsen — det er et eget poeng i løsningsforslagene.

✏️Eksempel 5: To spenningskilder, tre grener (sjanger J)

To knutepunkter AA og BB er forbundet av tre grener (se figuren):

- venstre gren: batteri på 12 V12\ \text{V} i serie med R1=2,0 ΩR_1 = 2{,}0\ \Omega,
- midtre gren: batteri på 3,0 V3{,}0\ \text{V} i serie med R2=1,0 ΩR_2 = 1{,}0\ \Omega,
- høyre gren: R3=6,0 ΩR_3 = 6{,}0\ \Omega.

Begge batteriene har plusspolen vendt mot AA. Finn de tre strømmene.

Velg retninger. La I1I_1 og I2I_2 gå fra BB mot AA gjennom hver sin kilde, og I3I_3 gå fra AA mot BB gjennom R3R_3 (som på figuren).

Knutepunktsloven i AA:

I1+I2=I3(1)I_1 + I_2 = I_3 \qquad (1)

Kall spenningen mellom knutepunktene U=UAUBU = U_A - U_B. Da gir maskeloven for hver gren:

U=122,0I1I1=12U2,0U = 12 - 2{,}0I_1 \quad\Longrightarrow\quad I_1 = \frac{12 - U}{2{,}0}
U=3,01,0I2I2=3,0U1,0U = 3{,}0 - 1{,}0I_2 \quad\Longrightarrow\quad I_2 = \frac{3{,}0 - U}{1{,}0}
U=6,0I3I3=U6,0U = 6{,}0I_3 \quad\Longrightarrow\quad I_3 = \frac{U}{6{,}0}

Sett inn i (1):

12U2,0+3,0U1,0=U6,0\frac{12-U}{2{,}0} + \frac{3{,}0-U}{1{,}0} = \frac{U}{6{,}0}

Gang med 6: 3(12U)+6(3,0U)=U3(12-U) + 6(3{,}0-U) = U, altså 363U+186U=U36 - 3U + 18 - 6U = U, som gir 54=10U54 = 10U og

U=5,4 VU = 5{,}4\ \text{V}

Strømmene:

I1=125,42,0 A=3,3 A,I2=3,05,41,0 A=2,4 A,I3=5,46,0 A=0,90 AI_1 = \frac{12 - 5{,}4}{2{,}0}\ \text{A} = 3{,}3\ \text{A}, \qquad I_2 = \frac{3{,}0 - 5{,}4}{1{,}0}\ \text{A} = -2{,}4\ \text{A}, \qquad I_3 = \frac{5{,}4}{6{,}0}\ \text{A} = 0{,}90\ \text{A}

Tolk fortegnet. I2I_2 er negativ. Det betyr at strømmen i den midtre grenen går motsatt vei av pila vi tegnet: fra AA mot BB, altså inn i det svake batteriet. Det svake batteriet blir ladet av det sterke. Tallverdien 2,4 A2{,}4\ \text{A} er riktig.

Kontroll med knutepunktsloven: 3,3+(2,4)=0,903{,}3 + (-2{,}4) = 0{,}90

Konklusjon: I1=3,3 AI_1 = 3{,}3\ \text{A} fra BB mot AA, I2=2,4 AI_2 = 2{,}4\ \text{A} fra AA mot BB (motsatt den valgte retningen), og I3=0,90 AI_3 = 0{,}90\ \text{A} gjennom R3R_3.

📝Oppgave 6
(Sjanger J — Kirchhoff, krevende.) To knutepunkter AA og BB er forbundet av tre grener:

- venstre gren: batteri på 10,0 V10{,}0\ \text{V} i serie med 2,0 Ω2{,}0\ \Omega, plusspol mot AA,
- midtre gren: batteri på 4,0 V4{,}0\ \text{V} i serie med 2,0 Ω2{,}0\ \Omega, plusspol mot AA,
- høyre gren: 4,0 Ω4{,}0\ \Omega.

a) Tegn skjemaet, velg strømretninger og sett opp ligningene.
b) Finn de tre strømmene, og tolk fortegnene.

— naturlig pausepunkt —

Løkke 5 — Indre motstand, spenningsdeler og solcellen (~12 min)

Et virkelig batteri er ikke en perfekt spenningskilde. Inne i det er det også materiale som yter motstand.

Elektromotorisk spenning (EMK) ε\varepsilon
EMK er den spenningen kilden ville gitt hvis den ikke hadde indre motstand — altså spenningen ved null strøm. Den skrives ε\varepsilon og måles i volt.

Den elektromotoriske spenningen er ikke en kraft, tross navnet: det er energi per ladning som kilden tilfører kretsen.

Indre motstand og polspenning
Et batteri med EMK ε\varepsilon og indre motstand rr som leverer strømmen II, har polspenningen

U=εrIU = \varepsilon - rI

Polspenningen er det du måler mellom polene — altså det kretsen utenfor faktisk får. Jo større strøm, desto større spenningsfall inne i batteriet.

Strømmen i en enkel krets med ytre motstand RR blir dermed

I=εR+rI = \frac{\varepsilon}{R + r}

✏️Eksempel 6: Batteri med indre motstand (sjanger J)

Et batteri har EMK ε=9,0 V\varepsilon = 9{,}0\ \text{V} og indre motstand r=0,60 Ωr = 0{,}60\ \Omega. Det kobles til en ytre motstand R=8,4 ΩR = 8{,}4\ \Omega.

a) Finn strømmen og polspenningen.
b) Hvor stor del av den leverte effekten går tapt inne i batteriet?

a) Den indre motstanden står i serie med den ytre:

I=εR+r=9,0 V8,4 Ω+0,60 Ω=9,09,0 A=1,0 AI = \frac{\varepsilon}{R+r} = \frac{9{,}0\ \text{V}}{8{,}4\ \Omega + 0{,}60\ \Omega} = \frac{9{,}0}{9{,}0}\ \text{A} = 1{,}0\ \text{A}

U=εrI=9,0 V0,60 Ω1,0 A=8,4 VU = \varepsilon - rI = 9{,}0\ \text{V} - 0{,}60\ \Omega\cdot1{,}0\ \text{A} = 8{,}4\ \text{V}

(Samme svar som U=RI=8,4 Ω1,0 AU = RI = 8{,}4\ \Omega\cdot1{,}0\ \text{A} ✓)

b) Med effektregelen:

Pytre=RI2=8,4 W,Pindre=rI2=0,60 WP_{\text{ytre}} = RI^2 = 8{,}4\ \text{W}, \qquad P_{\text{indre}} = rI^2 = 0{,}60\ \text{W}

Samlet levert av kilden: εI=9,0 W\varepsilon I = 9{,}0\ \text{W} ✓ Andelen som går tapt inne i batteriet:

0,609,0=0,067=6,7 %\frac{0{,}60}{9{,}0} = 0{,}067 = 6{,}7\ \%

Konklusjon: strømmen er 1,0 A1{,}0\ \text{A}, polspenningen 8,4 V8{,}4\ \text{V}, og 6,7 %6{,}7\ \% av energien blir til varme inne i batteriet. Det er derfor et batteri blir varmt når det belastes hardt.

📝Oppgave 7
(Sjanger J.) Et batteri har EMK 12,0 V12{,}0\ \text{V} og indre motstand 0,50 Ω0{,}50\ \Omega. Det kobles til en ytre motstand på 5,5 Ω5{,}5\ \Omega.

a) Finn strømmen og polspenningen.
b) Finn effekten som avsettes i den ytre motstanden og inne i batteriet, og kontroller regnskapet.

Spenningsdeler og formotstand
En formotstand er en motstand koblet i serie foran en komponent for å «spise opp» overskuddsspenningen.

Skal en komponent få spenningen UkU_k ved strømmen II fra en kilde med spenning U0U_0, må formotstanden ta resten:

Rf=U0UkIR_f = \frac{U_0 - U_k}{I}

Dette er en spenningsdeler: i en seriekobling fordeler kildespenningen seg på komponentene i forhold til resistansene.

Solcellepanelets effekt
Et solcellepanel med areal AA og virkningsgrad η\eta som treffes av strålingsintensiteten MM (i W/m2\text{W/m}^2), leverer den elektriske effekten

P=ηMAP = \eta M A

Virkningsgraden η\eta er andelen av innstrålt effekt som blir elektrisk effekt, og er et tall mellom 0 og 1 (ofte oppgitt i prosent). Formelen er ren definisjon: innstrålt effekt er MAMA, og panelet klarer å utnytte brøkdelen η\eta av den.

✏️Eksempel 7: Solcellepanel og formotstand (sjanger J)

Et solcellepanel har areal 0,35 m20{,}35\ \text{m}^2 og virkningsgrad 20 %20\ \%. Strålingsintensiteten er 750 W/m2750\ \text{W/m}^2.

a) Hvor stor elektrisk effekt leverer panelet?
b) Via en spenningsomformer gir panelet 5,0 V5{,}0\ \text{V} til en lysdiode som trenger 2,1 V2{,}1\ \text{V} ved 20 mA20\ \text{mA}. Hvilken formotstand må til, og hvor stor effekt avsettes i den?

a) Innstrålt effekt på panelet er MAMA, og andelen η\eta blir elektrisk:

P=ηMA=0,20750 W/m20,35 m2=52,5 W53 WP = \eta M A = 0{,}20\cdot750\ \text{W/m}^2\cdot0{,}35\ \text{m}^2 = 52{,}5\ \text{W} \approx 53\ \text{W}

Enhetskontroll: (W/m2)m2=W(\text{W/m}^2)\cdot\text{m}^2 = \text{W} ✓ — virkningsgraden er enhetsløs.

b) Dioden og formotstanden står i serie, så de fører samme strøm I=20 mA=0,020 AI = 20\ \text{mA} = 0{,}020\ \text{A}. Formotstanden må ta spenningen som blir til overs:

Uf=5,0 V2,1 V=2,9 VU_f = 5{,}0\ \text{V} - 2{,}1\ \text{V} = 2{,}9\ \text{V}

Rf=UfI=2,9 V0,020 A=145 ΩR_f = \frac{U_f}{I} = \frac{2{,}9\ \text{V}}{0{,}020\ \text{A}} = 145\ \Omega

Effekten i formotstanden, med effektregelen:

Pf=RfI2=145 Ω(0,020 A)2=0,058 W=58 mWP_f = R_f I^2 = 145\ \Omega\cdot(0{,}020\ \text{A})^2 = 0{,}058\ \text{W} = 58\ \text{mW}

Konklusjon: panelet leverer 53 W53\ \text{W}, og formotstanden skal være 145 Ω145\ \Omega og avsette 58 mW58\ \text{mW}.

Rimelighet: dioden bruker 2,1 V0,020 A=42 mW2{,}1\ \text{V}\cdot0{,}020\ \text{A} = 42\ \text{mW}, formotstanden 58 mW58\ \text{mW}, til sammen 100 mW100\ \text{mW} — akkurat 5,0 V0,020 A5{,}0\ \text{V}\cdot0{,}020\ \text{A}

📝Oppgave 8
(Sjanger J — dimensjonering.) En lysdiode skal ha 3,2 V3{,}2\ \text{V} over seg og føre 25 mA25\ \text{mA}. Den kobles til en kilde på 9,0 V9{,}0\ \text{V} via en formotstand.

a) Finn formotstanden.
b) Finn effekten i formotstanden og i dioden, og kontroller mot levert effekt.

📝Oppgave 9
(Sjanger J/Q — «vis at», krevende.) Vis at samlet resistans i en parallellkobling alltid er mindre enn den minste av grenene, og skriv ut hvilken betingelse påstanden hviler på.

Begrepsbank

Flashcard-/repetisjonsstoff — hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget gjelder kjernestoffet.

Knutepunkt og maske

Et knutepunkt er et punkt der tre eller flere ledere møtes, slik at strømmen kan dele seg. En maske er en lukket sløyfe i kretsen som du kan gå rundt og komme tilbake til utgangspunktet.

Knutepunktsloven gjelder i knutepunkter, maskeloven rundt masker. Antall uavhengige ligninger du trenger, er lik antall ukjente strømmer.

Energibalansen i en krets
Effekten kilden leverer, er nøyaktig lik summen av effektene som avsettes i komponentene:

εI=RiIi2\varepsilon I = \sum R_i I_i^2

Dette er energibevaring, og det er den beste sluttkontrollen du har på en kretsoppgave. Stemmer ikke regnskapet, har du regnet feil et sted.

Elektrisk energi og kilowattimen
Energien som omsettes i en komponent i tida tt, er

W=Pt=UItW = Pt = UIt

målt i joule (J). I strømregningen brukes kilowattimen: 1 kWh=1000 W3600 s=3,6106 J1\ \text{kWh} = 1000\ \text{W}\cdot3600\ \text{s} = 3{,}6\cdot10^{6}\ \text{J}.

En panelovn på 1000 W som står på i to timer, bruker altså 2 kWh = 7,2 MJ.

Virkningsgrad η\eta
Virkningsgraden er nyttig effekt delt på tilført effekt:

η=PnyttigPtilført\eta = \frac{P_{\text{nyttig}}}{P_{\text{tilført}}}

Den er enhetsløs og alltid mindre enn 1. I solcelle-oppgaver er tilført effekt den innstrålte MAMA, i batterioppgaver er «tapet» effekten rI2rI^2 inne i kilden.

Kortslutning og kortslutningsstrøm
En kortslutning er en forbindelse med tilnærmet null resistans utenom den tiltenkte kretsen.

Da begrenses strømmen bare av kildens indre motstand:

Ikort=εrI_{\text{kort}} = \frac{\varepsilon}{r}

Et batteri med ε=9,0 V\varepsilon = 9{,}0\ \text{V} og r=0,60 Ωr = 0{,}60\ \Omega ville gitt 15 A15\ \text{A} — derfor blir kortsluttede batterier glovarme.

Ideell spenningskilde

En ideell spenningskilde har r=0r = 0 og holder polspenningen konstant uansett strøm.

Virkelige kilder er ikke ideelle. Når en oppgave ikke oppgir indre motstand, skal du regne kilden som ideell — og si det i besvarelsen.

Amperemeter og voltmeter

Et amperemeter måler strøm og kobles i serie med komponenten; det skal ha så liten resistans som mulig, så det ikke endrer kretsen.

Et voltmeter måler spenning og kobles parallelt med komponenten; det skal ha så stor resistans som mulig, så det nesten ikke trekker strøm. Bytter du om de to, kortslutter du enten kretsen eller bryter den.

Resistivitet (bør kjenne til)
Resistansen i en ensartet leder med lengde LL og tverrsnitt AA er

R=ρLAR = \rho\frac{L}{A}

der ρ\rho er materialets resistivitet i Ωm\Omega\,\text{m} (tabellverdi). Dobbel lengde gir dobbel resistans; dobbel tykkelse (areal) gir halv resistans.

Dette er merket «bør kjenne til»: det dukker sjelden opp alene i FYS1001-oppgaver, men forklarer hvorfor tykke kabler brukes til store strømmer.

Strømdeling i parallellgrener
I en parallellkobling fordeler strømmen seg omvendt proporsjonalt med resistansene:

I1I2=R2R1\frac{I_1}{I_2} = \frac{R_2}{R_1}

Den minste motstanden får den største strømmen. Dette er en rask kontroll: står 40 Ω40\ \Omega og 60 Ω60\ \Omega i parallell, skal strømmene forholde seg som 60:40=3:260:40 = 3:2.

Spenningsdeling i serie
I en seriekobling fordeler spenningen seg proporsjonalt med resistansene:

U1U2=R1R2\frac{U_1}{U_2} = \frac{R_1}{R_2}

Den største motstanden får den største spenningen. Dette er grunnlaget for spenningsdeleren og for dimensjonering av formotstander.

Lysstyrke i serie og parallell

Skrur du ut én lampe i en parallellkobling, lyser de andre uendret: hver lampe har fortsatt full kildespenning over seg. Samlet strøm synker.

Skrur du ut én lampe i en seriekobling, brytes kretsen og alle slukner. Legger du i stedet til en ekstra lampe i serie, øker samlet resistans, strømmen synker, og alle lyser svakere.

Reduksjonsalgoritmen

Framgangsmåten som løser de fleste sjanger J-oppgavene:

1. tegn og rydd skjemaet;
2. reduser innerste serie-/parallellgrupper trinnvis til én motstand;
3. finn hovedstrømmen fra I=U/RI = U/R;
4. jobb utover igjen: finn delspenninger med U=RIU = RI og grenstrømmer med I=U/RI = U/R;
5. regn effekt med P=RI2P = RI^2;
6. kontroller at levert effekt er lik samlet avsatt effekt.

Når gjelder Ohms lov?
U=RIU = RI med konstant RR gjelder for ohmske komponenter: metalltråder og vanlige motstander ved fast temperatur.

Glødelamper får høyere resistans når de blir varme, og dioder leder bare den ene veien. I eksamensoppgaver får du oppgitt hvilke verdier som gjelder — men å kunne si at RR ikke er konstant for en glødelampe, er et kvalitativt poeng du kan få bruk for.

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 3 oppgaver
Symbol- og formelliste

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.

Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Universitetet i Oslo. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.