6.1 Ladning og spenning

Ladning og spenning

Elektrisitet er ei av dei viktigaste kreftene i naturen. Ho held atom saman, gjev oss lys og kraft, og gjer det mogleg for nerveceller å kommunisere.

Kva er elektrisk ladning?

Elektrisk ladning er ein grunnleggjande eigenskap ved materie. Han kjem i to typar:

1. Positiv ladning (+)
- Blir boren av proton i atomkjernen
- Proton kan ikkje røre seg fritt (sit fast i kjernen)

2. Negativ ladning (−)
- Blir boren av elektron rundt atomkjernen
- Elektron kan røre seg fritt (særleg i metall)

Grunnleggjande fakta:
- Ladning blir målt i coulomb (C)
- Elementærladninga: $e = 1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- Elektron: $q_e = -e = -1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- Proton: $q_p = +e = +1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- All ladning er eit multiplum av elementærladninga

Ladningsbevaring:
- Ladning kan ikkje skapast eller øydeleggjast
- Total ladning i eit lukka system er konstant
- Døme: Når du gnir ein ballong mot håret, får ballongen negativ ladning (elektron blir overførte), medan håret får positiv ladning (mistar elektron). Total ladning er framleis null.

Ladningsoverføring og influens

Gniding

Når to ulike stoff blir gnidde mot kvarandre, kan elektron gå frå det eine stoffet til det andre. Stoffet som får elektron, blir negativt lada, og stoffet som mistar elektron, blir like mykje positivt lada. Protona flyttar seg ikkje, dei sit fast i atomkjernane.

Ei ladning består alltid av eit heilt tal elementærladningar:

$$Q = n \cdot e$$

der $n$ er talet på elektron som er overførte.

Leiarar og isolatorar

I metall kan nokre av elektrona røre seg fritt. Slike stoff blir kalla leiarar. I plast, glas og tørt papir sit elektrona fast, og stoffa blir kalla isolatorar. Ladning på ein isolator blir liggjande der ho hamna, medan ladning på ein leiar fordeler seg utover heile leiaren.

Influens

Ein lada gjenstand kan òg trekkje til seg ein gjenstand som ikkje er lada. Held vi ein negativt lada ballong nær ein tom brusboks av aluminium, blir dei frie elektrona i boksen skuva bort frå ballongen. Sida nærast ballongen blir positiv, og sida lengst borte blir negativ. Den positive sida er nærast ballongen og blir trekt sterkare enn den negative sida blir fråstøytt, så boksen blir trekt mot ballongen. Dette blir kalla influens.

I ein isolator, til dømes papirbitar, blir ladningane forskuva litt i kvart molekyl. Papirbitane blir trekte til ballongen på same måten.

Elektriske krefter

Like ladningar fråstøyter kvarandre, ulike ladningar tiltrekkjer kvarandre:
- To positive ladningar fråstøyter kvarandre
- To negative ladningar fråstøyter kvarandre
- Ein positiv og ein negativ ladning tiltrekkjer kvarandre

Kva avgjer kor sterk krafta er?
- Krafta blir sterkare di større ladningane er
- Krafta blir svakare di lenger frå kvarandre ladningane er
- Krafta verkar på begge ladningane, like stor og motsett retta (Newtons 3. lov)

Samanlikning med tyngdekrafta:
- Begge verkar på avstand (ingen kontakt nødvendig)
- Tyngdekrafta er alltid tiltrekkjande, medan den elektriske krafta kan vere tiltrekkjande eller fråstøytande
- Mellom små partiklar som elektron og proton er den elektriske krafta enormt mykje sterkare enn tyngdekrafta

Eksempel: Den gnidde ballongen har fått elektron frå håret og er negativt lada. Håret er positivt lada. Ulike ladningar tiltrekkjer kvarandre, så håret reiser seg mot ballongen.

Spenning og elektrisk energi

Spenning

Spenning mellom to punkt er den elektriske energien per ladning som blir omsett når ladninga går frå det eine punktet til det andre:

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

der:
- $U$ = spenning (volt, V)
- $W$ = energi som blir omsett (J)
- $q$ = ladning (C)

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

Energi frå spenning og ladning:

$$W = qU$$

Tolking:
- Eit batteri på 9 V gjev kvar coulomb som går gjennom det, 9 J energi
- Spenning er det som driv ladningar gjennom ein krins
- Energien kan bli til lys, varme eller rørsle i krinsen

Elektronvolt (eV)

Elektronvolt er ei praktisk energieining i atomfysikk:

Definisjon: Energien eit elektron får når det blir akselerert gjennom ei spenning på 1 volt.

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

Eksempel: Eit elektron i eit gammalt TV-røyr blir akselerert 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 blir målt i coulomb (C), elementærladning: $e = 1{,}602 \times 10^{-19}$ C
- Ladning er bevart: ho kan flyttast, men ikkje skapast eller øydeleggjast
- Like ladningar fråstøyter, ulike ladningar tiltrekkjer
- Den elektriske krafta blir sterkare med større ladningar og svakare med større avstand
- Spenning er energi per ladning: $\displaystyle U = \frac{W}{q}$, og energien som blir omsett er $W = qU$
- Elektronvolt: 1 eV = $1{,}602 \times 10^{-19}$ J (energien eit elektron får gjennom 1 V)
- Ved gniding blir elektron flytte, $Q = n \cdot e$. Ein lada gjenstand trekkjer til seg ulada gjenstandar ved influens
- Eit batteri med kapasitet $Q$ og spenning $U$ kan levere energien $W = QU$