6. Likströmskretsar L9
6.1 Elektrisk ström, I
Elektrisk ström har definierats som laddade partiklars rörelse ­ mer specifikt som den laddningsmängd som rör sig genom en area på en viss tid. Elström kan bestå av både positiva och negativa laddningar, men vanligtvis är det elektroner som rör sig i strömkretsar, som består av ledare och olika komponenter.
För att ström skall uppstå behövs ett elfält som orsakar en potentialskillnad i kretsen. Denna potentialskillnad skapas av en spänningskälla. I strömkretsar går ström, då kretsen är sluten. I en öppen krets går ingen ström. En krets öppnas och sluts med hjälp av en brytare.
Elström är osynligt för blotta ögat, men kan påvisas genom sina verkningar:
En strömkrets kan beskrivas med ett kopplingsschema, där de olika delarna har olika symboler.
­ strålningsverkan ­ lampor lyser då ström går genom dem.
­ värmeverkan ­ lampan blir varm.
­ magnetisk verkan ­ runt en strömkrets uppstår ett magnetiskt fält.
­ kemisk verkan ­ elström används t.ex vid ytbeläggning av metaller (galvanisering) och sönderdelning av vatten till väte och syre.
6.2. Mätning i strömkretsar:
L9
Ström
Man har kommit överens om att strömmen går från spänningskällans pluspol till dess minus­
pol. Strömstyrkan mäts med en amperemätare, och ALLTID så att strömmen går genom mätaren (seriekoppling). Strömstyrkan är en grundstorhet i SI­systemet, och dess enhet är Ampere, [I] = A.
Spänning
Eftersom spänningskällan mellan sina poler skapar en potentialskillnad som orsakar elströmmen, och potentialen sjunker då man går från pluspol till minuspol, kan vi också mäta spänningen (potentialskillnaden) över komponenter i kretsen. Detta görs med en voltmätare, och ALLTID så att mätaren kopplas parallellt med komponenten man vill mäta spänningen för. Spänningens symbol i SI­
systemet är U, och dess enhet är [U] = V (volt).
Amperemätaren kopplas i serie med andra komponenter, strömmen går genom den.
Voltmätaren kopplas parallellt med den komponent man undersöker, ingen ström går genom den.
6.3 Elström i ledare
Man kan påvisa att om en strömledare delar på sig och sedan återförenas igen, kommer det lika mycket ström ut ur korsningen som det går in i den gemensamma ledaren; Detta är Kirchhoffs första lag:
"Summan av de strömmar som kommer till en förgreningspunkt är lika stor som summan av de strömmar som kommer ut ur den."
Matematiskt: I = I1 + I2 + I3 +...+ In (31)
Ex. 14 L9
Hur stor ström lämnar korsningen? Åt vilket håll rör sig elektronerna i ledaren?
6.4 Spänningskällan
L9
För att elström skall gå i kretsen krävs alltid en spänningskälla ­ den kan vara ett batteri, en ackumulator eller någon annan typ av spänningskälla. Spänningskällor kan även kopplas i serie för att öka den totala spänningen ­ som i vissa ficklampor, bland annat.
Källspänning E:
Varje spänningskälla har en bestämd förmåga att skapa spänning, som kallas källspänningen E. Detta är spänningen mellan spänningskällans poler då den inte är kopplad till någon komponent. För batterier kan källspänningen vara ex. 1.5 V, 9 V etc.
Polspänning U:
Då spänningskällan kopplas till en komponent i en krets och ström går i kretsen, sjunker dess förmåga att producera spänning en aning. Den effektiva spänningen över polerna, polspänningen, är mindre än källspänningen (Orsaken är spänningskällans inre resistans ­ mer om det senare).
7. Motstånd i kretsen
L9
7.1 Ohms lag
Vi har konstaterat att det behövs en spänning för att elström skall flyta
i en ledare. Experiment visar att för ledare av olika material behövs olika stor spänning för att uppnå samma strömstyrka. Detta beror på att olika material gör olika mycket motstånd mot elektronrörelsen.
Vi kan utföra en mätning av spänning och ström genom en ledare. Vi får en rät linje i vårt (I,U)­koordinatsystem. Med andra ord: Förhållandet mellan spänningen och strömstyrkan är konstant! Ett sådant konstant (linjärt) förhållande mellan två storheter definierar en ny storhet vars storlek bestäms av riktningskoefficienten för den räta linjen. Vi kan alltså definiera en ny storhet, resistansen R, som kvoten mellan spänningen U och strömstyrkan I: (32)
Resistansens enhet är V/A, som kallas Ohm och betecknas med Ω.
Uttryck 32 kan omskrivas:
(33)
eller
(34)
Detta (34) är Ohms lag ­ spänningen över en komponent i en krets är lika stor som produkten av komponentens resistans och strömmen genom den. Ohms lag gäller strängt taget bara för metalledare vid konstanta temperaturer, samt för vissa metallegeringar också då temperaturen ändras. Sådana material kallas ohmiska.
Resistansen beskriver hur stor spänningsförändring som behövs för en viss strömförändring. Ett annat sätt att säga det är att resistansen anger hur mycket ledarens material gör motstånd mot strömmen. Uppgifter:
Läs sid. 10­24 (hoppa över laborationer, läs exempel!)
Lös uppgifter 1­8, 1­15 (lampor gör motstånd mot ström och orsakar potentialminskning), 1­22,1­23, 1­25
