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 $P = U^2/R$.
Oppgavene tilhører sjanger J — bokas kortnavn for oppgavetypen «kretsanalyse»: du får et kretsskjema, og skal finne strømmer, spenninger og avsatt effekt. Variantene som går igjen:
- ren serie/parallell-reduksjon med batteri (den vanligste);
- effektspørsmålet: «hvor stor effekt avsettes i denne motstanden?»;
- flere spenningskilder i samme krets, løst med Kirchhoffs lover;
- spenningsdeler og formotstand: «hvilken motstand må til for at lampen skal få riktig spenning?», ofte i solcellekontekst.
Fella løsningsforslagene navngir: studenter regner og setter inn kildespenningen. Formelen krever spenningen over akkurat den motstanden. Boka slår derfor fast en metoderegel du skal følge hver gang:
> Effektregelen: I sammensatte kretser regner du effekt med . Bruk aldri uten først å ha vist hvilken som ligger over nettopp den motstanden.
Formelarket: , , serie- og parallellformlene står på arket. Det du må kunne aktivt, er å rydde skjemaet, velge strømretninger og vite hvilken og som hører til hvilken komponent.
Forkunnskaper
Dette kapitlet bygger på:
- kap. 5.1 — ladning, spenning og arbeidet . Strøm er ladning i bevegelse, og spenning er fortsatt arbeid per ladning.
- Grunnleggende likninger — du skal snu formler som 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.
SI-enheten er ampere (A), og .
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.
SI-enheten er volt (V), og .
En spenningskilde leverer energi til ladningene; en motstand tar energi fra dem. Derfor har alle komponenter i en krets en spenning «over seg».
SI-enheten er ohm (), og .
Sammenhengen kalles Ohms lov. Den gjelder for komponenter der er konstant (metalltråder ved fast temperatur) — glødelamper og dioder har ikke konstant , men i eksamensoppgavene får du oppgitt de verdiene du skal bruke.
Advarsel om symbolet: i dette delkapitlet betyr resistans. I mekanikken (Del 1) betyr friksjonskraften . Se symbollisten nederst.
En motstand på fører strømmen .
a) Hvor stor er spenningen over motstanden?
b) En annen komponent har over seg og fører . Hvor stor er resistansen?
b) Ohms lov brukt baklengs:
Enhetskontroll: ✓ og ✓.
Merk: begge svar har enhet. Et tallsvar uten enhet gir trekk i denne sjangeren.
a) Skriv i ampere og i ohm.
b) En lampe fører når spenningen over den er . 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.
Hvorfor summerer resistansene seg? Fordi spenningene legger seg sammen mens strømmen er felles: .
Konsekvens: en seriekobling har alltid større resistans enn den største enkeltmotstanden.
Motstandene , og er koblet i serie til et batteri på . Finn strømmen i kretsen og spenningen over -motstanden.
Strømmen er felles for alle tre:
Spenningen over — her bruker vi den samme strømmen, siden alt står i serie:
Kontroll: de tre spenningene blir — akkurat kildespenningen, slik maskeloven krever ✓
Konklusjon: strømmen er , og ligger over -motstanden.
a) Finn strømmen i kretsen.
b) Finn spenningen over hver motstand, og kontroller at summen stemmer.
Hvorfor summerer de omvendte resistansene seg? Fordi strømmene legger seg sammen mens spenningen er felles: .
For nøyaktig to motstander er det ofte raskest med produkt over sum:
Konsekvens (rimelighetssjekk): en parallellkobling har alltid mindre resistans enn den minste grenen.
Motstandene og er koblet i parallell rett over et batteri på . Finn strømmen i hver gren og den samlede resistansen.
Samlet strøm (knutepunktsloven): .
Samlet resistans, på to måter som må gi samme svar:
Rimelighetssjekk: , altså mindre enn den minste grenen — slik det alltid skal være i en parallellkobling.
Konklusjon: grenstrømmene er og , og koblingen erstattes av .
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.
Setter du inn Ohms lov, får du to likeverdige former:
SI-enheten er watt (W), og . Alle tre uttrykkene er riktige — så lenge og hører til samme komponent.
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 er ikke feil, men den er farlig: den krever spenningen over nettopp den motstanden.
Regelen i praksis: vil du likevel bruke , må du først skrive én setning som viser hvilken det er — for eksempel «spenningen over parallellkoblingen er V». Uten den setningen er metoden feil, og feil metode med riktig tall gir null uttelling.
Motstandene og står i parallell. Parallellkoblingen er koblet i serie med til et batteri på (se figuren over).
a) Finn strømmen gjennom hver motstand.
b) Finn effekten som avsettes i -motstanden.
c) Vis at samlet avsatt effekt er lik effekten batteriet leverer.
(Rimelighetssjekk: ✓.) Samlet resistans i kretsen:
Hovedstrømmen går gjennom -motstanden:
Spenningen over parallellkoblingen — dette er den setningen som gjør resten trygg:
Grenstrømmene, hver med sin resistans og den felles spenningen :
Kontroll (knutepunktsloven): A ✓
b) Effekten i -motstanden. Vi bruker effektregelen:
Hvorfor ikke med 9,0 V? Fordi V ligger over hele kretsen, ikke over -motstanden. Den regningen ville gitt W — nesten tre ganger for mye. Bruker du , må være V: W ✓
c) Energiregnskapet.
Sum: .
Levert av batteriet: ✓
Konklusjon: strømmene er A og A, effekten i -motstanden er W, og energiregnskapet balanserer.
a) Finn strømmen gjennom hver av de tre motstandene.
b) Finn effekten som avsettes i -motstanden, og vis hvorfor med gir galt svar.
c) Kontroller at samlet avsatt effekt er lik levert effekt.
En medstudent skriver: «Effekten i motstanden er 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.
Loven er ladningsbevaring: ladning hoper seg ikke opp i et punkt.
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 -leddene regnes negative når du går med den valgte strømretningen.
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.
To knutepunkter og er forbundet av tre grener (se figuren):
- venstre gren: batteri på i serie med ,
- midtre gren: batteri på i serie med ,
- høyre gren: .
Begge batteriene har plusspolen vendt mot . Finn de tre strømmene.
Knutepunktsloven i :
Kall spenningen mellom knutepunktene . Da gir maskeloven for hver gren:
Sett inn i (1):
Gang med 6: , altså , som gir og
Strømmene:
Tolk fortegnet. er negativ. Det betyr at strømmen i den midtre grenen går motsatt vei av pila vi tegnet: fra mot , altså inn i det svake batteriet. Det svake batteriet blir ladet av det sterke. Tallverdien er riktig.
Kontroll med knutepunktsloven: ✓
Konklusjon: fra mot , fra mot (motsatt den valgte retningen), og gjennom .
- venstre gren: batteri på i serie med , plusspol mot ,
- midtre gren: batteri på i serie med , plusspol mot ,
- høyre gren: .
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.
Den elektromotoriske spenningen er ikke en kraft, tross navnet: det er energi per ladning som kilden tilfører kretsen.
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 blir dermed
Et batteri har EMK og indre motstand . Det kobles til en ytre motstand .
a) Finn strømmen og polspenningen.
b) Hvor stor del av den leverte effekten går tapt inne i batteriet?
(Samme svar som ✓)
b) Med effektregelen:
Samlet levert av kilden: ✓ Andelen som går tapt inne i batteriet:
Konklusjon: strømmen er , polspenningen , og av energien blir til varme inne i batteriet. Det er derfor et batteri blir varmt når det belastes hardt.
a) Finn strømmen og polspenningen.
b) Finn effekten som avsettes i den ytre motstanden og inne i batteriet, og kontroller regnskapet.
Skal en komponent få spenningen ved strømmen fra en kilde med spenning , må formotstanden ta resten:
Dette er en spenningsdeler: i en seriekobling fordeler kildespenningen seg på komponentene i forhold til resistansene.
Virkningsgraden 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 , og panelet klarer å utnytte brøkdelen av den.
Et solcellepanel har areal og virkningsgrad . Strålingsintensiteten er .
a) Hvor stor elektrisk effekt leverer panelet?
b) Via en spenningsomformer gir panelet til en lysdiode som trenger ved . Hvilken formotstand må til, og hvor stor effekt avsettes i den?
Enhetskontroll: ✓ — virkningsgraden er enhetsløs.
b) Dioden og formotstanden står i serie, så de fører samme strøm . Formotstanden må ta spenningen som blir til overs:
Effekten i formotstanden, med effektregelen:
Konklusjon: panelet leverer , og formotstanden skal være og avsette .
Rimelighet: dioden bruker , formotstanden , til sammen — akkurat ✓
a) Finn formotstanden.
b) Finn effekten i formotstanden og i dioden, og kontroller mot levert effekt.
- med kildespenningen. Den navngitte fella. I en sammensatt krets ligger kildespenningen over hele kretsen. Bruk , eller skriv eksplisitt hvilken delspenning du setter inn.
- Serie- og parallellformlene byttet om. Serie: (større enn alle). Parallell: (mindre enn alle). Test alltid svaret mot denne rimelighetssjekken.
- Glemme å snu parallellformelen. — svaret er , ikke .
- Bruke hovedstrømmen på en parallellgren. Grenstrømmene er mindre enn hovedstrømmen, og fordeler seg omvendt proporsjonalt med resistansene.
- Fortegnsrot i maskeligningene. Velg retninger, tegn dem på skjemaet, og hold fortegnskonvensjonen gjennom hele regningen. En negativ strøm er ikke en feil — den betyr motsatt retning, og det skal du skrive.
- Glemme den indre motstanden. Når er oppgitt, er strømmen , ikke .
- Blande de to betydningene av . Her er resistans i ohm. I Del 1 er friksjonskraften i newton.
- Enhet mangler. A, V, og W på hvert eneste tallsvar.
Begrepsbank
Flashcard-/repetisjonsstoff — hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget gjelder kjernestoffet.
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.
Dette er energibevaring, og det er den beste sluttkontrollen du har på en kretsoppgave. Stemmer ikke regnskapet, har du regnet feil et sted.
målt i joule (J). I strømregningen brukes kilowattimen: .
En panelovn på 1000 W som står på i to timer, bruker altså 2 kWh = 7,2 MJ.
Den er enhetsløs og alltid mindre enn 1. I solcelle-oppgaver er tilført effekt den innstrålte , i batterioppgaver er «tapet» effekten inne i kilden.
Da begrenses strømmen bare av kildens indre motstand:
Et batteri med og ville gitt — derfor blir kortsluttede batterier glovarme.
En ideell spenningskilde har 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.
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.
der er materialets resistivitet i (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.
Den minste motstanden får den største strømmen. Dette er en rask kontroll: står og i parallell, skal strømmene forholde seg som .
Den største motstanden får den største spenningen. Dette er grunnlaget for spenningsdeleren og for dimensjonering av formotstander.
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.
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 ;
4. jobb utover igjen: finn delspenninger med og grenstrømmer med ;
5. regn effekt med ;
6. kontroller at levert effekt er lik samlet avsatt effekt.
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 ikke er konstant for en glødelampe, er et kvalitativt poeng du kan få bruk for.
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.