3.3 Elektrisitet og strømkretser

Den usynlige kraften i veggene

Akkurat nå er du sannsynligvis omgitt av elektrisitet. Lyset i taket. Mobilen i lommen. Kjøleskapet som brummer svakt på kjøkkenet. Datamaskinen, laderen, viften, komfyren. Vi er så vant til elektrisitet at vi knapt tenker over den, helt til strømmen går og alt stopper.

Men hva er egentlig elektrisitet? Hvordan klarer de bittesmå elektronene å bevege seg gjennom tynne kobberledninger og drive alt fra små ørepropper til enorme fabrikker? Og hvorfor er det så farlig å stikke fingrene i stikkontakten?

I dette kapittelet skal vi pakke ut elektrisitetens hemmeligheter. Vi begynner med å forstå hva elektrisk strøm er, og deretter utforsker vi de tre viktigste størrelsene: strøm, spenning og motstand. Vi lærer Ohms lov, som er den viktigste sammenhengen i all elektrisitet. Vi ser på hvordan strømkretser fungerer, og vi sammenligner seriekobling og parallellkobling. Til slutt tar vi en viktig gjennomgang av sikkerhet, for elektrisitet fortjener respekt.

Elektroner i bevegelse

For å forstå elektrisitet må vi tilbake til atomet. Du husker kanskje at atomer består av protoner, nøytroner og elektroner. Elektronene, de negativt ladede partiklene, suser rundt atomkjernen. I de fleste stoffer sitter elektronene fast, men i metaller som kobber kan noen elektroner bevege seg fritt mellom atomene. Disse frie elektronene er nøkkelen til elektrisitet.

Elektrisk strøm er ganske enkelt bevegelse av elektriske ladninger, vanligvis elektroner, gjennom en leder. Du kan tenke på det som vann i et rør: Ledningen er røret, elektronene er vannet, og strømmens styrke er hvor mye vann som flyter forbi per sekund.

Strøm måles i ampere (A). Én ampere betyr at en veldig stor mengde elektroner passerer et punkt hvert sekund. For å gi deg en følelse av størrelsesorden: En lommelykt bruker omtrent 0,5 ampere, en mobillader 1 til 2 ampere, og en hårtørker rundt 10 ampere.

Men elektronene beveger seg ikke av seg selv. De trenger et «dytt», og det dyttet kalles spenning. Spenning måles i volt (V) og kan sammenlignes med vanntrykket i et rør. Jo høyere spenning, desto hardere drives elektronene gjennom ledningen. Et vanlig Å-batteri gir 1,5 volt, en USB-lader gir 5 volt, og stikkontakten hjemme gir hele 230 volt. Høyspentledninger kan ha spenninger på opptil 420 000 volt.

Stoffer som bremser elektronenes bevegelse har elektrisk motstand, som måles i ohm. Metaller har lav motstand og er gode ledere. Plast og gummi har svært høy motstand og er isolatorer.

Ohms lov: Elektrisitetens viktigste formel

Nå som du kjenner de tre grunnstørrelsene, strøm (I), spenning (U) og motstand (R), er det på tide å lære sammenhengen mellom dem. Den kalles Ohms lov og er oppkalt etter den tyske fysikeren Georg Ohm.

Ohms lov sier ganske enkelt at spenning er lik motstand ganger strøm, altså U er lik R ganger I. La oss bryte det ned. Hvis du øker spenningen over en komponent og motstanden er den samme, øker strømmen. Det er logisk: Mer «trykk» gir mer «flyt». Omvendt, hvis du øker motstanden og spenningen er den samme, synker strømmen. Mer motstand betyr at elektronene har vanskeligere for å komme gjennom.

Du kan skrive formelen på tre måter avhengig av hva du leter etter. For å finne spenningen: U er lik R ganger I. For å finne strømmen: I er lik U delt på R. For å finne motstanden: R er lik U delt på I. Mange bruker UIR-trekanten som huskeregel. Tegn U øverst og R og I nederst, og dekk til det du leter etter for å se formelen.

La oss ta et eksempel. En lyspære er koblet til et 12 volt batteri, og lyspæren har en motstand på 6 ohm. For å finne strømmen bruker vi formelen I er lik U delt på R, altså 12 delt på 6, som gir 2 ampere. Vi kan kontrollere svaret: U er lik R ganger I gir 6 ganger 2, som er 12 volt. Det stemmer.

Strømkretser: Serie og parallell

For at strøm skal kunne gå, trenger den en lukket bane, altså en strømkrets. En enkel strømkrets består av en strømkilde som et batteri, ledninger, en forbruker som en lyspære, og gjerne en bryter. Hvis kretsen er lukket, altså bryteren er på og alt henger sammen, kan strømmen flyte. Hvis kretsen er åpen, stopper alt.

Det finnes to grunnleggende måter å koble komponenter sammen på: serie og parallell.

I en seriekobling er komponentene koblet på rekke, én etter én, slik at strømmen må gå gjennom alle. Strømmen er lik overalt i en seriekrets, spenningen fra batteriet fordeles mellom komponentene, og motstandene legges sammen. Ulempen er åpenbar: Hvis én lyspære ryker i en seriekrets, stopper strømmen og alle lampene slukker. Gamle julelys fungerte slik, og det kunne være ganske frustrerende.

I en parallellkobling er komponentene koblet side om side, slik at hver komponent har sin egen sti til strømkilden. Her er spenningen lik over alle komponentene, mens strømmen deles mellom dem. Den store fordelen er at hvis én lyspære ryker, fungerer de andre fortsatt fordi de har sine egne stier. Hjemme er alle stikkontakter og lyspunkter koblet parallelt, nettopp av denne grunnen.

Det er også viktig å kjenne til elektrisk sikkerhet. Sikringer beskytter mot for høy strøm ved å bryte kretsen automatisk. Jording kobler metalldeler til jorda, slik at feilstrøm ledes trygt bort i stedet for gjennom deg. Husk: Bruk aldri elektriske apparater med våte hender, og rør aldri ved ødelagte ledninger.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi utforsket elektrisitetens verden, fra de minste elektronene til de store strømkretsene i hjemmet ditt.

Vi har lært at elektrisk strøm er bevegelse av ladninger, vanligvis elektroner, gjennom en leder. Strøm måles i ampere og forteller oss hvor mye ladning som passerer per sekund. Spenning måles i volt og er «trykket» som driver elektronene gjennom ledningen. Motstand måles i ohm og beskriver hvor mye et materiale bremser strømmen.

Vi har mestret Ohms lov, som sier at spenning er lik motstand ganger strøm. Med denne enkle formelen kan vi beregne hva som helst i en strømkrets, enten det er strømmen gjennom en lyspære, spenningen over en motstand, eller motstanden i en leder.

Vi har sammenlignet seriekobling, der alle komponentene deler samme sti og alt stopper hvis én del svikter, med parallellkobling, der hver komponent har sin egen sti og fungerer uavhengig av de andre. Hjemme brukes parallellkobling for å sikre at alt fungerer selv om én lyspære ryker.

Til slutt har vi tatt for oss sikkerhet. Sikringer bryter kretsen ved for høy strøm, jording leder feilstrøm trygt til bakken, og enkle forholdsregler som å unngå våte hender og ødelagte ledninger kan redde liv.