Elektrisk strøm

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til: navigasjon, søk
Et av de første bildene av et lyn. Bildet ble tatt den 3. juni 1902 klokken 21:20, og viser elektrisk strøm både som et naturfenomen og som elektrisk belysning i en storby.
Et amperemeter fra et skolelaboratorium av d'Arsonval-typen som brukes til strømmåling. Instrumentet kan også måle spenning og har terminaler for forskjellige spennings- og strømnivåer.

Elektrisk strøm eller elektrisk strømstyrke er størrelsen av flyten av elektrisk ladninger gjennom en elektrisk krets. I elektriske kretser består strømmen av ladningsbærere i form av elektroner i en metallisk leder. Den kan også bestå av ioner i en elektrolytt, eller av både ioner og elektroner som for eksempel i plasma. SI-enhet for elektrisk strømstyrke er ampere som er definert som flyten av elektrisk ladning over et tverrsnitt av lederne målt i Coulomb (C) per sekund. Elektrisk strøm måles i praksis ved hjelp av et amperemeter.

Elektrisk strøm fører til oppvarming som for eksempel skaper lys i en glødelampe, eller tap av energi i en kraftlinje. Den lager også et magnetfelt, som kan nyttiggjøres i elektriske motorer, spoler, transformatorer og generatorer.

Metaller er foretrukne ledere for elektriske kretser. I metaller er ett eller flere elektroner løst bundet til atomene, de kan dermed bevege seg fritt rundt i metallet. Disse elektronene kalles for ladningsbærere. Når det settes på en spenning fra en spenningskilde over en leder vil det elektriske feltet drive ladningene i én retning. Spenningskilde kan for eksempel være et batteri eller en generator. Lederen overfører da elektrisk energi.

Sammenhengen mellom strøm og spenning i en metallisk leder er gitt av Ohms lov. Denne regelen sier at strømstyrken er proporsjonal med spenningen, men omvendt proporsjonal med motstanden (resistans) i lederen.

Andre ledningsmekanismer finnes i andre stoffer enn metaller. I vakuum kan det dannes en stråle av ioner eller elektroner. I andre ledende materialer kan det gå en elektrisk strøm på grunn av flyt av både positivt og negativt ladede partikler på samme tid. Det finnes også tilfeller der strømflyten skjer helt på grunn av positiv ladning. For eksempel er strømmen i elektrolytt forårsaket av både positivt og negativt ladede ioner. I en vanlig blyakkumulator er den elektrisk strømmen sammensatt av positive hydrogenioner (protoner) som strømmer i én retning, og negative sulfationer som strømmer i den andre. I strømmen i en elektrisk gnist eller plasma er det både elektroner, samt positive og negative ioner som er ladningbærere. I is og i visse faste elektrolytter er den elektriske strømmen helt forårsaket av strømmende ioner. For de stoffene som er nevnt her gjelder ikke Ohms lov.

Notasjon og måleenhet[rediger | rediger kilde]

Frimerke som hedrer André-Marie Ampère.

Den konvensjonelle symbolet for strøm er I, som stammer fra det franske uttrykket intensité de courant, eller på norsk strømstyrke.[1][2] Dette uttrykket brukes som det formelt korrekte om elektrisk strømstyrke, men moderne praksis er at dette ofte forkortes til bare strøm. Symbolet I ble brukt av den franske fysikeren og matematikeren André-Marie Ampère (17751836) som enhet for elektrisk strøm er oppkalt etter. Dette symbolet ble også brukt i den formuleringen av Ampèrs lov som han oppdaget i 1820.[3]

Forekomster[rediger | rediger kilde]

Elektrisk strøm kan observeres i naturen blant annet ved lyn, statisk elektrisitet og solvind som er kilden til nordlys.

Menneskeskapt elektrisk strøm forekommer i en rekke sammenhenger fra kraftledninger som overfører elektrisk energi over lange avstander, til små strømmer i datamaskiner og andre elektroniske apparater. Virvelstrømmer er elektriske strømmer som oppstår i metaller som utsettes for et skiftende magnetfelt. Likeledes forekommer elektriske strømmer i ledere som utsettes for varierende magnetisk felter på grunn av elektromagnetisk induksjon. Når oscillerende elektrisk strøm med riktig spenning går inn i en radioantenne genereres radiobølger.

Andre former for elektrisk strømflyt er den som skjer gjennom vakuum i et vakuumrør, strømmen av ioner inne i et batteri og strømmen av såkalte elektronhull i en halvleder.

Fysisk beskrivelse av elektrisk strøm[rediger | rediger kilde]

Ladninger i bevegelse[rediger | rediger kilde]

Elektrisk strøm, så vel som alle fenomener relatert til elektrisitet, har sin årsak i elektriske ladninger og deres natur. Elektriske ladninger er bipolare, dermed defineres positive og negative ladninger.[4] Den som først fant på å kalle ladninger for positive og negative var den amerikanske vitenskapsmannen og politikeren Benjamin Franklin (17061790).[5] En annen karakteristika med ladninger er at de kun eksisterer i diskrete kvantiteter. Faktisk er alle ladninger multipler av elektronets ladning, som er på 1,6222·10-19 C. Elektriske fenomener kan generelt sies å ha sitt opphav i separasjon av ladninger og bevegelse av ladninger. Separasjon av ladninger fører til elektrisk potensialdifferens, også kalt spenning, mens bevegelse av ladninger fører til elektrisk strøm. Størrelsen av ladningsflyten kalles for strømstyrke med følgende definisjon:[4]

det vil si antall ladningsenheter Q som passerer et tverrsnitt av lederen per tidsenhet t. Om ladningsflyten er helt konstant, altså uavhengig av tiden, kan utrykket forenkles slik: I=Q/t.

I analyse av elektriske kretser der strømmen er en parameter en ønsker å finne, er det uinteressant å betrakte ladningene individuelt. Det enorme antallet av svært små ladninger av diskret natur og deres oppførsel trenger en ikke ta i betraktning. På samme måte gjelder det at for definisjonen av elektrisk strøm trenger en ikke ta hensyn til om den består av elektroner som beveger seg i et metalls krystallstruktur av ioner, eller om den skyldes elektroner som beveger seg mellom de Kovalent bindingene i et halvledermateriale.[4]

Elektrisk felt og strøm[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Elektrisk felt

Frie Ladningsbærere i et metalls krystalliske ionestruktur som beveger seg tilfeldig rundt i materialet (røde piler).

I en elektrisk leder der det ikke virker noe elektrisk felt vil det heler ikke være noen netto ladningsforflytning. Allikevel kan elektronene være i konstant bevegelse, det vil nemlig være frie elektroner som kan bevege seg rundt i metalliske ledere. Disse beveger seg tilfeldig rundt i alle retninger med en fart på 106 m/s, se illustrasjonen til høyre. Ionene som metallstrukturen er bygget opp av er positive, dermed vil de negative elektronene være tiltrukket av disse. Elektronene får dermed ikke anledning til å forlate lederen. Når lederens to ender tilknyttes en kilde til elektromotorisk spenning, det en kaller en spenningskilde, vil det settes opp et elektrisk felt gjennom lederen. Kraften som da virker på et elektron er gitt av:[6]

Der er kraftvektoren, q er ladningen og er feltvektoren til det elektriske feltet. Denne kraften virker i én retning og på alle elektronene. Om elektronene befant seg i vakuum og utsettes for dette konstante feltet ville de fått en konstant akselerasjon, dermed ville de oppnådd en meget høy hastighet etter kort tid. Dette er imidlertid ikke tilfelle for elektroner i en leder. Årsaken til dette er hyppige kollisjoner med de mye større og nesten helt stasjonære ionene i krystallstrukturen. Disse kollisjonene får elektronene til å skifte retning tilfeldig, men allikevel vil det være en sakte bevegelse i en og samme retning. Dette kalles for driftshastighet, og denne hastigheten kan typisk være i størrelsesorden 10-4 m/s. Styrken av det elektriske feltet vil avgjøre hvor stor driftshastigheten blir.[6]

Elektronenes sakte nettobevegelse er det en kaller for strøm. Når elektronene beveger seg så sakte i en leder kan det synes paradoksalt at lyset i en elektrisk lampe kommer på med en gang bryteren trykkes inn. Årsaken til dette er at i samme øyeblikk som bryteren slås på settes det elektrisk feltet opp gjennom hele lederen. Det elektriske feltet beveger seg gjennom lederne med lysets hastighet. Dermed starter alle de frie elektronene i lederen praktisk talt å bevege seg samtidig i én retning. Det vil gjerne ta meget lang tid for et enkelt elektron beveger seg gjennom hele lederen, men det er av underordnet betydning.[6]

Strømretning[rediger | rediger kilde]

Illustrasjon av klassisk strømretning og virkelig strømretning. Den klassisk strømretning gjelder i samme retning som det elektriske feltet, dermed er gjelder den for begge lederne. Dette til tross for at de negative elektronene i virkeligheten beveger seg i motsatt retning (nederst). Positive ladninger vil derimot følge den klassiske strømretningen (øverst).

Illustrasjonen til høyre viser to segmenter av forskjellige materialer som leder strøm. I begge tilfellene virker det et elektrisk felt i én og samme retning og i begge tilfellene er feltet like stort. Et elektrisk felt har per definisjon retning fra positiv til negativ polaritet. Den øverste figuren viser et tilfelle med positive ladningsbærere, her markerer de små pilene på hver partikkel retningen til deres driftshastighet. I den nederste figuren er ladningsbæreren negative, og her ser en at hastigheten har retning mot feltets retning. Strømretningen er definert til å være i den retningen som det skjer en flyt av positive ladningsbærere. Selv om en vet at en faktisk har å gjøre med ladningsbærere som ikke beveger seg i denne retningen, sier en at bevegelsen av strømmen er fra positiv til negativ polaritet, eller fra pluss- til minusterminalen for en spenningskilde. Altså er strømretningen mot høyre for begge figurene. Dette kalles for klassisk strømretning eller konvensjonell strømretning. I kretsanalyse spiller ikke denne definisjonen noen større rolle.[7]

Et annet forhold med den elektriske strømmen er at den ikke behandles som en vektorstørrelse, men som en skalar størrelse. Dette til tross for at det finnes en definisjon for strømmens retning i en leder. Elektrisk strøm beveger seg i samme retning som lederen uavhengig om den er rett eller har kurver. Dermed kan heller ikke en vektor beskrive strømmen om den går langs en kurve.[7]

Driftshastighet[rediger | rediger kilde]

Anta at det i den øverste segmentet av en sylindrisk leder i illustrasjonen over er n frie ladningsbærere per volumenhet. Dette kan en kalle konsentrasjonen av ladninger med enheten m-3. Det elektriske feltet virker på disse i retningen som den store røde pilen viser. Hver av ladningene forutsettes å bevege seg med driftshastigheten v, dermed vil de i løpet av et lite tidsintervall dt ha beveget seg en lengde på . Lederen har videre et tverrsnitt med arealet A, dermed vil volumet av den lille sylinderen som partiklene har beveget seg i løpet av tiden dt være . Antallet ladninger som er inne i den lille sylinderen og som beveger seg gjennom den i løpet av tiden dt uttrykkes . Når hver partikkel har en ladning på q vil ladningen som går gjennom volumet i løpet av tiden dt være:[8]

der dQ er ladningen av alle partikler som beveger seg gjennom den. Strømmen kan da uttrykkes slik:

Strømtetthet J defineres som strømstyrken I per tverrsnittsareal A:

Strømmen i en leder er altså et produkt av konsentrasjonen av frie ladningsbærere, størrelsen av ladningen til hver av disse, driftshastigheten og arealet av lederens tverrsnitt. Strømtettheten er bestemt av de samme parametrene så nær som arealet av ledertverrsnittet.[8] Det var den engelske ingeniøren Oliver Heaviside (18501925) som introduserte denne parameteren.

Om utledningene ble gjort for det nederste ledersegmentet i figuren over der ladningene er negative ville ikke strøm og strømtetthet skiftet retning. Per definisjon går strømmen som nevnt i samme retning som det elektriske feltet.[8]

I en sluttet krets der spenningskilden holder konstant elektromotorisk spenning vil ladningstettheten være lik i hele lederen. Videre vil antall ladninger inn og ut av et hvert volum av lederen være det samme. Dermed vil både strømstyrke og strømtetthet være den samme overalt i lederen, så sant ledertverrsnittet er likt langs hele lederen.[9]

Et eksempel for å illustrere strøm, strømtetthet og driftshastighet kan en se på en lampe på ytelse 200 W som forsynes fra en spenningskilde på 120 V. Til lampen vil det gå en strøm på 1,67 A. Det forutsettes at lampen forsynes via en ledning av kobber med tverrsnitt på 1,02 mm2. I kobber er det en konsentrasjon på 8,5 ·1028 frie ladningsbærere per kubikkmeter.[9] Hva er strømtettheten i lederen?

Først må en finne arealet av tverrsnittet av lederen:

og strømtettheten blir dermed:

Hva er så driftshastigheten for ladningsbærerne inne i lederen? Et elektron har en ladning på 1,6·10-19 C. Elektronenes driftshastighet finnes ved å snu om på likningen lenger opp i avsnittet for denne parameteren:

Som et eksempel på tiden ladningene bruker kan en se på en lengde l på 1 meter av lampeledningen. Hvor langt tid bruker ladningene å bevege seg gjennom den? For å finne tiden tar en utgangspunkt i formelen for hastighet:

Elektronene vil altså bruke rundt 6700 sekunder eller 1 time og 50 minutter på denne strekningen. Tidligere ble det nevnt at elektronenes tilfeldige bevegelser i et metall hadde en typisk hastighet av 106 m/s. I dette eksemplet er altså driftshastigheten 1010 ganger saktere.[9]

Strømtetthet resistans og Ohms lov[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Ohms lov

Strømtettheten J som ble definert i avsnittet over avhenger av styrken av det elektriske feltet E som virker gjennom lederen, samt materialegenskapene til lederen. For ledere av metaller som aluminium og kobber er denne sammenhengen praktisk talt lineær. Det er derfor praktisk å definere en elektrisk materialkonstant som sier noe om forholdet mellom de to størrelsene. Denne størrelsen kalles resistivitet med symbolet σ (eller ρ) og defineres slik:[10]

altså at resistivitet for et gitt materiale er slik at desto høyere den er, desto større elektrisk feltstyrke må til for å øke strømtettheten. Resistivitet har enheten (V/m)/(A/m2) = Vm/A,[10] eller ohm per meter (Ωm).

Det motsatt av resistivitet er konduktivitet med SI-enhet siemens per meter (Sm). Sammenhengen mellom konduktivitet og resistivitet uttrykkes slik:

der G er konduktiviteten.

Som i forrige avsnitt betraktes en leder med sirkulært tverrsnitt med areal A over hele dens lengde, dessuten at σ er konstant gjennom hele lederen. Videre setter en at spenningen som virker mellom lederens begynnelse og slutt er Uab, der positiv terminal er ved starten og negativ ved enden. Ved at den elektriske feltstyrken E forutsettes kjent vil spenningen ved terminalene være gitt av Uab = El der l er lederens lengde.[10]

Del av en elektrisk leder med resistiviteten ρ, tverrsnitt A, lengde L og som fører en strøm I. Der forholdet mellom de tre første parametrene gir en totale resistansen for lederen.

Strømmen I gjennom lederen er gitt av I = JA. Om disse to uttrykkene for strømtetthet, strøm og elektrisk felt løses for henholdsvis E og J, kan formelen over for resistivitet uttrykkes slik:[10]

Resistans defineres ved hjelp av resistiviteten R = σ l/A, som er en praktisk størrelse når lederen har homogen resistivitet, tverrsnittsarealet er konstant og lengden er gitt. I praksis er dette ofte tilfelle med elektriske ledere. Ligningen over får da den kjente formen om en erstatter brøken med sammenhengen for resistans:[10]

altså at strømmen gjennom en leder finnes ved å dividere spenningen over dens terminaler med resistansen. Denne sammenheng kalles Ohms lov etter den tyske matematikeren og fysikeren Georg Simon Ohm (17891854). Det er viktig å være klar over at sammenhengen gjelder der ledermaterialet har en tilnærmet helt konstant resistans.[10]

I lærebøker er det vanlig å sammenligne elektrisk strømstyrke med volumstrømmen av vann, for eksempel målt i m3/s, i et rør eller en slange. Slike analogier kan være gode for å tolke de elektriske begrepene. Over ble resistans definert som en størrelse som øker med lengden av lederen og størrelsen av materialkonstanten kalt resistivitet. Omvendt reduseres resistiviteten med ledertverrsnittets areal. På samme måte vil en brannslange gi mer motstand mot veskestrømmen om den gjøres lengre eller fylles med bomull, sand eller lignende. Derimot vil brannslangens motstand mot veskestrømmen bli mindre om arealet av tverrsnittet gjøres stort. Veskestrømmen i en slange vil gjøres større med økende trykk, noe som blir en analogi til Ohms lov der økende spenning gir større strømstyrke.[11]

Resistiv oppvarming[rediger | rediger kilde]

En brødrister er konstruert for å gi så høy ledertemperatur at de elektriske trådene i den gløder.

Når strøm går gjennom en leder med en gitt motstand vil det skje en oppvarming av lederen. Ladningene, altså elektronene i en leder av metall, vil støte borti ionene som mentalstrukturen består av og sette disse i vibrasjon. Dette gir en økning av ledertemperaturen, eller en varmetransport fra lederen til omgivelsene, eller begge deler samtidig.[12] I en kraftlinje eller et elektronisk apparat er dette en uønsket prosess fordi det gir henholdsvis energitap og varmeenergi som må ledes bort. I en brødrister derimot er dette en ønsket konsekvens av strømledning.

Si at strømmen I går gjennom en leder, da vil ladningen som går gjennom et lite tidsintervall dt være dQ = I dt, dette i henhold til definisjonen av strømstyrke. Endringen av potensiell energi, altså arbeidet som utføres, for denne mengden av ladning kan videre uttrykkes: Uab dQ =Uab I dt. Divideres uttrykket på begge sider med dt fås effektutviklingen:[13]

Denne enkle formelen sier altså at effekt er produktet av spenning over terminalene til en leder, eller et annet kretselement, og strømmen gjennom den. Av grunndefinisjonene er spenning én joule per coulomb og strøm er én coulomb per sekund. Dermed kan en det vises at enheten for elektrisk effekt P er (1 J/C)(1 C/s) = 1 J/s = 1 W, altså at produktet av strøm og spenning er Watt.[14]

Formelen for effekt kan omformes ved å sette inn for Ohms lov for henholdsvis strøm og spenning, da fås tre forskjellige måter å uttrykke elektrisk effekt på:

Denne sammenhengen mellom effekt, strøm i kvadrat og resistans ble funnet av den britiske ølbryggeren og fysikeren James Prescott Joule (18181889).[15] Dette forholdet er kjent som Joules lov. SI-enheten for energi ble senere gitt navnet Joule og gitt symbolet E eller W.

Av disse formelene ser en at om det skal overføres mye effekt i en leder kan strømmen være liten om bare spenningen er stor nok. Dette er fordelaktig i en høyspent kraftlinje fordi liten strøm fører til lite tap på grunn av ohmsk motstand i lederne. Som Jules lov sier er de ohmske tapene proporsjonal med kvadrattet av strømmen, det får derfor av stor betydning om strømmen gjøres så liten som mulig.

Kirchhoffs strømlov[rediger | rediger kilde]

Fem strømmer inn mot et knutepunkt. De fem ledningene er deler av et større nettverk der forskjellige kretselementer kan inngå.

Figuren til høyre demonstrerer en regel som gjelder for elektriske kretser kjent som Kirchhoffs strømlov, nemlig at all strøm inn mot et knutepunkt er lik null. Altså gjelder det for kretsen til høyre at I1+I2+I3+I4+I5 = 0. Definisjonen til et knutepunkt er at tre eller flere ledninger møtes. Kirchhoffs strømlov skrives generelt slik:

Denne regelen er oppkalt etter den tyske fysikeren Gustav Robert Kirchhoff (18241887). Regelen er basert på konservering av elektriske ladninger. I et knutepunkt kan ikke noe ladning bli akkumulert, dermed må all ladning per tidsenhet som kommer inn mot knutepunktet være lik ladningene ut, og ladning per tidsenhet er det samme som strøm. Gir en alle strømmer inn mot et knutepunkt positivt fortegn og alle strømmer ut negativt fortegn, vil den algebraiske summen være lik null.[16]

T-avgreining for vannrør. Vannstrømmen inn i et av rørene må være lik vannstrømmen ut av de to andre rørene. Dette er en hydraulisk analogi til Kirchhoffs strømmlov.

Kirchhoffs strømlov har sin analogi til en hydraulisk krets. Anta at en har en vannrør med en T-avgreining, se figuren til høyre. Den samme volumstrømmen som kommer inn et av tilknytningspunktene må nødvendigvis komme ut av de to andre.[16]

Denne regelen sammen med flere andre brukes for å analysere elektriske kretser. En grunnlegende regel er at det må være en sluttet krets for at det skal kunne gå en strøm. Dessuten kan ikke noe ladning «forsvinne» ut av en krets.

Likestrøm og vekselstrøm[rediger | rediger kilde]

Likestrøm og vekselstrøm brukes ofte som betegnelser på elektriske kretser der drivende spenning er henholdsvis en likespenningskilde eller vekselspenningsskilde. Med såkalte lineære kretselementer vil også strømmen i en slik krets være henholdsvis en likestrøm eller vekselstrøm. I engelsk språkbruk er forkortelsene AC («alternating current») brukt for vekselstrøm og DC («dirct current») brukt for likestrøm.

Likestrøm[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Likestrøm

Likestrøm vil si at strømmens retning kun går i én retning. Likestrøm produseres av kilder som batterier, termoelementer, solceller og generator for likespenning (dynamoer). Likestrøm kan flyte gjennom ledere som for eksempel metalltråder, men kan også strømme gjennom halvledere, isolatorer, eller gjennom vakuum som i elektron- eller ionestråler. Hvor mye strøm som går gjennom disse kretselementene vil blant annet være bestemt av spenningen. De elektriske ladningene strømmer i en gitt retning, noe som er helt forskjellig fra vekselstrøm.

Vekselstrøm[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Vekselstrøm

Med vekselstrøm skifter den elektriske strømmen periodisk retningen. Vekselstrøm brukes for elektrisk energioverføring til industri og boliger. Den vanlige bølgeformen for vekselstrøm er sinuskurven. Enkelte apparater bruker forskjellige typer bølgeformer som for eksempel trekantbølger eller firkantbølger. Audio- og radiosignaler er også eksempler på vekselstrøm. Slike signaler kan også gå gjennom elektriske ledere. Formålet i disse apparatene er gjenoppretting av informasjonskoden som ligger modulert i signalet, slik at for eksempel lydbølger kan gjenskapes i en høyttaler eller levende bilder i et fjernsyn.

Magnetisme og elektrisk strøm[rediger | rediger kilde]

Den danske fysikeren Hans Christian Ørsted (17771851) oppdaget at en elektrisk strøm har en sammenheng med magnetiske felter. Hans klassiske eksperiment var at en elektrisk strøm i en leder som holdes nært en kompasnål får denne til å bevege seg. Han publiserte sin oppdagelse den 21. juli 1820.[17]

Magnetisk felters retning[rediger | rediger kilde]

flukstetthet]] B, er gitt av strømretningen.

En eller flere ladninger i bevegelse omgir seg med et magnetisk felt, og en strøm er som nevnt nettopp ladninger i bevegelse. Det var dette fenomenet Ørsted beskrev. Bildet til høyre viser hvordan den såkalte høyrehåndsregelen brukes for å bestemme retningen av feltet. Når fingrene griper rundt lederen og tommelen peker i strømmens retning, vil feltets retning være i samme retning som fingrene. En viktig egenskap med de magnetiske feltlinjene er at de alltid danner sluttede kurver.

Styrken av magnetisk flukstett rundt en leder[rediger | rediger kilde]

André-Marie Ampère oppdaget i 1826 sammenhengen mellom strømstyrken i en leder og styrken av magnetfelte rundt den. Denne sammenhengen er i ettertid kjent som Amperes lov og uttrykkes: [18]

der symbolene betyr:

integrasjon langs kurven S, altså kurveintegralet,
= den magnetiske flukstettheten,
= infinitesimal del av kurven l,
= strømmen i lederen,
= permeabiliteten til vakuum.

Denne generelle likningen kan være vanskelig å løse for kompliserte tilfeller, for eksempel om det er flere ledere som fører strøm, lederne ikke er symmetriske eller at de ikke er parallelle. Et enklere tilfeller er at det bare er én lang rett leder som er sylindrisk, samt har jevn resistivitet. Si at en ønsker å finne flukstettheten i en avstand r fra lederens senter. På grunn av symmetri vil et utrykk for flukstettheten gjelde i alle punkter med avstand r fra lederen.[19]

og dermed:

Denne enkel formelen sier at magnetisk feltstyrke rundt en leder er proporsjonal med strømstyrken og omvendt proporsjonal med avstanden r fra lederen. Om strømmen har motsatt retning, altså skifter fortegn, vil også flukstettheten skifte retning. Amperes lov kan altså brukes for både å beregne magnetfeltets flukstetthet rundt en eller flere ledere, samt dets retning.[19]

Det er også et magnetfelt inne i lederen, uttrykket for magnetisk flukstetthet inne i en lang rett leder er:

der igjen r er avstanden fra lederens senter og R er ytre radius til lederen.

Om en ønsker et sterkt magnetfelt, for eksempel i forbindelse med en elektromagnet eller elektrisk motor, kan en elektrisk leder vikles som en solenoide eller spole. En slik spole består av en isolert leder av kobber og kan ha svært mange vindinger.

Lorentzkraften[rediger | rediger kilde]

En magnet sørger for et magnetfelt med flukstetthet , en elektrisk ladning som farer gjennom dette feltet med en fart opplever en kraft , se bildet til venstre. Bildet til høyre viser en leder med en strøm I som utsettes for det samme magnetfeltet og opplever en kraft . Illustrasjonen skal vise at Lorentzkraften virker både på en enslig elektrisk ladning og på en leder som fører elektrisk strøm. Legg merke til retningene av feltet, strømmen og kraften.

Ikke bare er det slik en elektrisk ladning i bevegelse omgir seg med et magnetisk felt, en ladning blir også påvirket av et magnetisk felt slik at det virker krefter mellom ladninger i bevegelse. Om en tenker seg at en har et elektrisk ladning som beveger seg i et homogent magnetisk felt, virker Lorentzkraften på denne. Denne kraften har sitt navn etter den nederlandske fysikeren og matematikeren Hendrik Antoon Lorentz (18531818). Uttrykket for Lorentzkraften er slik:

der q er ladningens størrelse, ladningens hastighet (retning og fart) og er flukstettheten. Om det magnetiske feltet er vinkelrett på ladningens bevegelsesretning vil kraften virke vinkelrett på disse to størrelsene. Det vi si at i et koordinatsystem i rommet virker disse tre vektorene langs henholdsvis x-, y- og z-aksen.

Høyrehåndsregelen for en strømførende leder med strømstyrken I i et magnetfelt B. Tommelen peker i strømmens retning, pekefingeren i magnetfeltets retning og en får da den resulterende kraften virker i langefinerens retning.

Om en istedenfor en ladning har en elektrisk strøm I i en leder med lengde l i et magnetfelt med flukstetthet B kan en finne kraften som virker på lederen av denne formelen:[20]

For å bruke denne formelen må lederen som fører strømmen I og magnetfeltet med flukstetthet B stå vinkelrett på hverandre. Om dette ikke er tilfelle, og det er en vinkel mellom lederen og feltets retning, som illustrert på figuren til høyre med en høyrehånd, brukes formelen slik:[20]

Her er ϕ vinklene mellom lederens retning og sin er sinusfunksjonen til denne.

Denne magnetiske kraften utnyttes i en elektrisk motor ved at en rotor med strømførende ledere blir påvirket av et sterkt magnetisk felt. Ved at det er mange vindinger i rotoren som er ordnet etter et spesielt system kan kraften og dermed momentet på akslingen gjennom rotoren bli meget kraftig.

Kraft mellom ledere[rediger | rediger kilde]

To parallelle ledere med strøm i samme retning I1 og I2 setter opp magnetfeltene med flukstethet henholdsvis B1 og B2. Mellom lederne virker kreftene henholdsvis F1 og F2 som virker tiltrekkende mellom de to lederne.

Lorenzkraften som ble forklart over virker når det er en strøm eller en lad elektrisk partikkel som går gjennom et felt. Formelen som ble utledet gjelder både for jevne felter og for felter med ulik flukstetthet. I spesielle tilfeller kan en ha flere ledere som fører strøm, men der en ikke har andre felter enn de som lederne selv setter opp. Et eksempel kan være en kraftlinje der faselederne er separert med noen meter. Mellom disse virker det krefter, og spesielt om strømmen er stor kan disse kreftene få betydning.

For å se på et enkelt tilfelle velges to ledere som er parallelle, lange og separert med en avstand r. Strømmen går gjennom den ene lederen og ved enden av denne går strømmen tilbake til spenningskilden i den andre lederen. De to lederne fører med andre ord den samme strømmen, men med motsatt retning. Formelen for Lorenzkraften benyttes og en setter inn uttrykket for flukstetthet rundt en leder, dermed fremkommer dette uttrykket:[21]

Feltet fra den ene lederen fører til at det virker en kraft på den andre, og feltet fra den andre fører til en kraft på den første. Om høyrehåndsregelen for krefter som virker på en elektrisk strøm benyttes, vil en finne at kreftene mellom lederne er tiltrekkende. Hvis så en av strømmen snus, slik at begge lederne fører strøm i hver sin retning, så vil resultatet være at kreftene mellom lederne bli frastøtende.[21]

Definisjonen av måleenheten ampere[rediger | rediger kilde]

Kraften som virker mellom to ledere brukes til å definere enheten ampere.

Tegningen til høyre viser to parallelle lange elektriske ledere. Mellom disse lederne vil det virke krefter om det går en strøm i hver av dem. En ampere er definert slik at om det går en jevn strøm i begge lederne og de er separert med en avstand av 1 meter, vil det virke en kraft mellom dem på 2·10-7 Newton per meter lengde av lederne. Denne definisjonen i IS-systemet sier også at det skal være vakuum mellom lederne.[21]

I praksis brukes ikke ledere som dette når en skal kalibrere instrumenter for å måle strøm. Mer vanlig er det å benytte spoler istedenfor rette parallelle ledere, dessuten lar en avstanden mellom dem være noe få centimeter.[21]

Induksjon i ledere[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Elektromagnetisk induksjon

En elektrisk leder som beveges gjennom et magnetfelt med flukstetthet B med en kraft F får indusert en elektromotors spenning e, som forårsaker en strøm I om den tilknyttes en ytre krets.

Den engelske vitenskapsmannen Michael Faraday (17911867) holdes for å være oppdageren av elektromagnetisk induksjon, selv om amerikaneren Joseph Henry (17971878) oppdaget fenomenet omtrent samtidig.[22]

Faraday oppdaget at om en ledersløyfe utsettes for et varierende magnetisk felt vil det oppstå en elektromotorisk spenning i den. Det magnetiske feltet kan være skapt av en magnet eller av en annen leder i nærheten som skaper et magnetfelt. Induksjon kan oppstå på flere forskjellige måter. For eksempel kan det være snakk om to ledersløyfer i nærheten av hverandre der den ene er tilknyttet en spenningskilde slik at den fører en strøm, og den andre er tilknyttet en lampe, se illustrasjon til høyre der to ledersløyfer har en felles jernring. Om en slår av og på strømmen i den første lederen, vil lampen komme til å lyse kortvarig. Lampen vil også lyse om en har mulighet til å bevege lederne i forhold til hverandre, slik at magnetfeltet rundt lederen tilknytte lampen svekkes eller forsterkes. Dette kalles gjensidig induksjon, eller [[Induktans#Gjensidig induktans |gjensidig induktans]].

Faradays jernring for induksjon tilknyttet en bryter og et batteri. Endring av den magnetiske fluks i den venstre spolen induserer en spenning i den høyre spiralen som kan måles med et voltmeter.

Induksjon kan også forekomme i en enslig leder om strømmen gjennom den endres. Da er det snakk om selvinduksjon eller selvinduktans. Det som skjer i begge disse tilfellene er at endring av magnetfeltet som omslutter en leder fører til induksjon i den. Ved induksjon skapes det som nevnt en elektromotorisk spenning, som egentlig er et elektrisk felt. Denne spenningen kan drive en strøm om en sluttet elektrisk krets blir tilknyttet og motstanden i denne ikke er for stor.

Loven som beskriver elektromagnetisk induksjon er som nevnt kjent som Faradays lov. Den sier at induserte elektromotoriske spenningen i en krets er lik forandringen av magnetisk fluks som omslutter kretsen. Matematisk uttrykkes dette slik:

der ε er elektromotorisk spenning (ems) og ΦB er magnetisk fluks. Retningen av den elektromotoriske spenningen er gitt ved Lenz' lov og minustegnet har sammenheng med dette. At det er selve forandringen av et magnetisk felt som gir indusert spenning vil si at det er nødvendig med en stadig endring av fluksen for å få en vedvarende indusert spenning. Dette utnyttes i en generator. Ved induksjon der strømmen hele tiden endrer styrke vil det oppstå en konstant endring av magnetfeltet, som igjen gir en konstant endring av ems. Dette er tilfelle i transformator som tilknyttes vekselspenningskilde. Denne driver en stadig vekslende strøm gjennom den ene viklingen, noe som skaper en tilsvarende stadig vekslende indusert spenning gjennom den andre viklingen.

En flate representer med sin flatevektor som står i et magnetisk felt mellom to magneter med flukstetthet . Fluksen gjennom flaten finnes ved å multiplisere flukstettheten med arealet av flaten. Her må det også tas hensyn til vinkelen mellom areal- og feltvektoren.

Faradays lov gjør bruk av magnetiske fluks ΦB gjennom en flate A der ytterkantene er en ledersløyfe. Bildet til venstre viser en slik situasjon. For et homogent magnetisk felt vinkelrett gjennom flaten er magnetisk fluks gitt av flukstettheten slik:

Her er det innført vektorer fordi både styrke og retning er av betydning. Med magnetisk fluks menes alle de magnetiske flukslinjer som går gjennom flaten , og betraktes ikke som en vektor. Magnetisk flukstetthet er på den annen side tettheten av flukslinjene per flateenhet, og betraktes som en vektor.[23]

Radiobølger[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Radiobølger

Tysk frimerke til minne om Heinrich Hertzs utforskning av elektromagnetiske bølger.

Et spesielt fenomen som opptrer i forbindelse med elektrisk strøm som oscillerer med høy frekvens er Radiobølger. Om en antenne tilknyttes en radiosender vil de elektriske ladningene i den oscillere med høy frekvens, kalt radiofrekvens. Energien fra den meget hurtige vekslende strømmen fører til at antennen sender ut elektromagnetiske bølger. Elektromagnetiske bølger som sprer seg ut i rommet har sitt opphav fra elektriske ladninger som akselererer hurtig. Motsatt kan en antenne tilknyttes en radiomottager som behandler og forsterker den svake spenningen som elektromagnetiske bølger skaper i antennen. Radiobølger beveger seg med lysets hastighet, og kan føre elektromagnetiske bølger over svært store avstander.

Elektromagnetiske bølger ble første gang produsert i et laboratorium av den tyske fysikeren Heinrich Rudolf Hertz (18571894) i 1887.[24] Det teoretiske grunnlaget for elektromagnetiske bølger ble lagt av den skotske fysikeren James Clerk Maxwell (18311879), og er sammenfattet i den teorien som er kjent som Maxwells likninger.

Ledningsmekanismer i ulike medier[rediger | rediger kilde]

I metalliske faste stoffer omtalt over beveger elektrisk ladninger seg i form av elektroner fra lavere til høyere elektrisk potensial. I andre medier kan flyt av andre ladede partikler (for eksempel ioner) utgjøre en elektrisk strøm. Lenger opp ble strømretningen definert fra høyere til lavere potensial. I ledere hvor ladningsbærere er positive, er den klassiske strømretningen i samme retning som ladningsbærernes virkelige strømretning.

Is av vann og visse faste elektrolytter kalt protonledere inneholder positive hydrogenioner ("protoner") som er mobile. I disse stoffene blir elektriske strømmer sammensatt av bevegelige protoner, i motsetning til de bevegelige elektronene i metaller.[25][26]

Kjemiske spenningskilder[rediger | rediger kilde]

Alessandro Volta utviklet det første galvaniske element, den såkalte voltasøylen, i 1792 og presenterte sitt arbeid den 20. mars 1800.[27]

I kjemiske spenningskilder som batterier består i utgangspunktet stoffene som er involvert av molekylbindinger, og ikke ionebindinger som i metaller. Molekyler er grupper av atomer som holdes sammen på grunn av kjemisk bindinger. Disse bindingene består av elektriske krefter mellom elektroner (negative) og protoner (positive). Et molekyl er isolert sett en stabil enhet, men om forskjellige stoffer bringes sammen vil noen molekyler være i stand til å «stjele» elektroner fra andre, noe som resulterer i ladningsseparasjon. Denne omfordeling av ladninger blir ledsaget av en endring av energien til systemet, og en rekonfigurering av atomene i molekylene.

Prosessen der elektroner opptas kalles reduksjon og tap av elektroner kalles oksidasjon. Reaksjoner hvor slik utveksling av elektroner oppstår (som er grunnlaget for batterier) kalles redoksreaksjoner. I et batteri er det en elektrode som består av et materiale som får elektroner fra det oppløste stoffet, mens den andre elektroden mister elektroner. Dette på grunn av grunnleggende molekylære egenskaper. Den samme oppførsel kan sees for seg selv i atomer, der deres evne til å «stjele» elektroner blir referert til som deres elektronegativitet. Når molekylene er brakt sammen vil elektronene omorganisere seg for å oppnå en likevekt der det ikke er noen netto krefter på dem.[28]

Skjematisk fremstilling av to celler fra en daniellcellen.

Som et eksempel på en type batteri beskrives her den såkalte daniellcellen som består av en anode av sink (en elektronsamler) som oppløses i en sinksulfatoppløsning. Den oppløste sinken forlater sine elektroner i elektroden i henhold til oksidasjonsreaksjonen:

der s betyr faste elektrode og aq betyr vannoppløsning. Sinksulfatet er en elektrolytt, som er en løsning hvor komponentene består av ioner, i dette tilfellet sinkioner , og sulfationer .

Ved katoden vil kobberioner i en kobbersulfatelektrolytt adoptere elektroner fra elektroden ved reduksjonsreaksjonen:

og således dannes nøytralisert kopper på elektroden.

Gasser og plasmaer[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Plasma

En såkalt plasmalampe bestående av en elektrode og en ytre kule av glass.

Gasser har lav elektrisk ledningsevnen, dermed betraktes gass normalt som en Isolatorer eller som et dielektrikum.[29] Når det elektrisk feltet nærmer seg grensen for gjennomslag, vil bunnede elektroner bli tilstrekkelig akselerert til å bli frie elektroner. Blir spenningen så høy at gjennomslag virkelig skjer dannes plasma. Dette er regioner med innehold av nok mobile elektroner og positive ioner til å gjøre om gassen til en elektrisk leder. I prosessen dannes det en lysemitterende ledende bane, altså en lysbue, eller lyn om det dreier seg om atmosfæreutladninger.[30]

Plasma er den aggregattilstand hvor en del elektroner i en gass er «ionisert» fra deres molekyler eller atomer. Et plasma kan dannes ved høy temperatur, eller ved anvendelse av et høy elektrisk eller magnetisk vekselfelt.[31]

Frie ioner rekombinerer og skaper nye kjemiske forbindelser (for eksempel brytes atmosfærisk oksygen ned til frie oksygenatomer og rekombinerer til ozon (O3).

Vakuum[rediger | rediger kilde]

Siden vakuum ikke inneholde noen ladede partikler vil det normalt oppfører seg som en isolator. Imidlertid kan elektrodeoverflater med sterke elektriske felter føre til at en region av vakuumet blir ledende, dette er kjent som feltemisjon. Dermed kan elektroner bevege seg mellom elektroder i et vakuumkammer. En annen mekanisme for strøm i vakuum er Edison-Richardson-effekten. Noen typer radiorør utnytter disse mekanismene.

Superledning[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Superleder

Superledning ble oppdaget i 1911 av den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes (1853 – 1926). Fenomenet innebærer at all elektrisk motstand forsvinner i en leder. Onnes oppdaget at kvikksløv mister sin motstand ved en temperatur under 4,2 K. Flere års forskning og eksperimenter har vist at temperaturen for å oppnå superledning kan være enda høyere for en del materialer.[32]

Superledning er en kvantemekanisk effekt. En teori for superledning i metaller ble gitt av John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Schrieffer i 1957. Teorien beskriver superledning som et resultat av kollektive bevegelse av elektronpar, dannet ved elektron-fonon-kobling. Ledningen av strøm skjer da uten at energi forsvinner ved vekselvirkning med inonene i krystallstrukturen. Imidlertid er det flere andre teorier, og det foregår stadig forskning innenfor dette feltet. Flere Nobelpriser er delt ut til forskere innenfor superledning.[33]

Halvledere[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Halvleder

En microprocessor type Intel 80486DX2 er eksempel på avansert bruk av halvledere. Senteret av enheten har en størrelse på 12×6,75 mm.

Halvledere har større ledningsevne enn isolatorer, men de er dårligere ledere enn metallene. Silisium og germanium er eksempler på slike ledere. En spesiell egenskap med halvledere er at økende temperatur gir økt ledningsevne (konduktivitet), dette i motsetning til ledere.[34] Halvledere er også svært følsom for små mengder urenheter, noe som endrer de elektriske egenskapene drastisk. Nettopp dette er bakgrunnen til at halvlederne er avgjørende viktige komponenter i elektroniske komponenter.[35]

I silisium og germanium er det fire elektroner i det ytterste elektronskallet, disse er del av den konvalente krystallstrukturen. Ved lave temperaturer er alle de fire ytterste elektronene del av bindingene, da kan heller ikke valenselektronene «hoppe» fra valensbåndet til ledningsbåndet. Dette er grunnen til at halvlederne er isolatorer ved lave temperaturer, det er nemlig bare elektroner som har fått energi nok til å være i ledningsbåndet som kan bevege seg fritt når et ytre elektrisk felt blir påsatt. Imidlertid er det lite energi som skal til for å løfte elektroner fra valens- til ledningsbåndet. Allerede ved romtemperatur er det elektroner i ledningsbåndet som har anledning til å bevege seg fritt i krystallstrukturen.[35]

Når et elektron forlater ledningsbåndet etterlater det seg en ledig plass. Denne plassen kan fylles av et elektron fra naboatomet, dermed blir det naboatomet som får en ledig plass. En ledig plass kalles et hul, og i halvledere er dette en egen type ladningsbærer som kan flyttes rundt i metallet. En kan se på dette som en boble som beveger seg i en veske. I en ren halvleder er det alltid likt antall valensbåndhull og lednignsbåndelektroner. Når et elektrisk felt påtrykkes vil disse bevege seg, men med de har motsatt retning. Hullet i valensbåndet opptrer som en positiv ladning, til tross for alle bevegelige ladningsbærere i valensbåndet er elektroner.[36]

En fosforurenhet (P) i et materiale bestående av silisium (Si), representerer en donor og gir en n-type halvleder. I atommodellen sees fosforatomet i midten med et femte valenselektron. Dette er løst bunnet til atomkjernen og kan dermed lett vandre rundt i materialet.

For å øke ledningsevnen i en halvleder er doping vanlig. For eksempel kan det i smeltet silisium (Si) tilsettes en meget liten mengde fosfor (P). Silisium har fire elektroner i sitt ytterste skallet, altså valensbåndet, mens fosfor har fem. I bildet til høyre er det vist en atommodell av situasjonen der fosforatomet ligger i senter omgitt av flere silisiumatomer. Det femte valenselektronet til fosforatomet er løst bundet, og det er heller ikke del av den kovalente bindingen som ellers gjør seg gjeldende i stoffet. Dermed kan dette elektronet selv ved romtemperatur enkel få nok energi til å hoppe opp i ledningsbåndet, dermed er det fritt til å vandre i materialet. I tillegg til fosfor, er det typisk nitrogen (N), arsen (As), antimon (Sb) og vismut (Bi) som brukes til doping i denne typen halvlederne. Ledningsevnen er så og si bare relatert til negativ ladning, dermed kalles slike dopede halvledere for n-type halvleder.[37]

En aluminiumsurenhet I et materiale bestående av silisium (Si). I denne atommodellen sees aluminiumsatomet i midten med bare tre valenselektroner. Dermed kan dette atomet lett «låne» et elektron fra et av sine naboatomer, det oppstår da et hull som kan vandre fritt rundt i stoffet.

En annen type doping er å benyttet en liten mengde av bor (B), aluminium (Al), gallium (Ga), indium (In) eller thallium (Tl). I figuren til høyre er det vist en atommodell der silisium er dopet med aluminium. Aluminium vil like å forme fire kovalente bånd, men har bare tre valenselektroner. Imidlertid kan det «låne» et elektron fra et av sine naboatomer, dermed får det en komplett kovalentbånd med fire elektroner. Naboatomet som gir fra seg et elektron får nå et «hul», dette oppfører seg som en positiv ladning og kan forflytte seg rundt i krystallstrukturen. Aluminiumsatomet blir det en kaller for en akseptor, ved at det tar til seg et elektron ekstra. Fra før var aluminiumsatomet nøytralt, men nå er det blitt netto negativt. Selve atomet er ikke i stand til å forflytte seg, derimot kan hullet gjøre det og en halvleder som er dopet med akseptorer får god ledningsevne takket være positiv ladningsforflytning. En kaller slike materialer for p-type halvleder.[37]

En essensiell komponent i elektronikken er en diode, den består av en en såkalt pn-overgang, der en halvdel er en p-type halvleder og den andre n-type. Det spesielle med en diode er at den har gode lederegenskaper, men bare for strøm der påtrykket spenning er i en bestem retning. Det vil si at om spenningen snur, så vil den knapt lede noe strøm i det hele tatt. Slike komponenter brukes til å likerette strøm.

En pn-overgangens virkemåte kan forklares slik: Si at diodens p-typeterminal tilknyttes positiv terminal på en spenningskilde, for eksempel et batteri, mens n-typeterminalen tilknyttes batteriets negative terminal. Da får p-typeregionen et høyere potensial enn n-typeregionen, som blir det samme som å si at det oppstår et elektrisk felt fra p-regionen til n-regionen. Da vil hull som det er mange av i p-regionen flytte seg mot pn-overgangen og over i n-regionen. I n-regionen er det mange frie elektroner som lett flyter seg i motsatt retning og inn i p-regionen. I denne situasjonen leder pn-overgangen (i dioden) strøm. Om en nå bytter tilkoblingen til batteriet, vil det elektriske feltet forsøke å flytte elektroner fra p-regionen og inn i n-regionen, og motsatt hull fra n-regionen til p-regionen. Imidlertid er det veldig få frie elektorer i p-regionen og få hull i n-regionen. I denne revers retningen blir strømmen mye mindre, selv om spenning fra batteriet er like stor.[38]

Andre komponenter som fungerer ved å utnytte dopede halvledere er lysdioder og transistorer. En transistor har tre terminaler, og ved å sette på en liten strøm til dens base kan en større strøm gå gjennom de to andre terminalene. Ved å variere den lille strømmen inn på baseterminalen kan en kontrollere strømmen gjennom transistoren, dermed kan den brukes som forsterker, for eksempel i en radiomottager.

Strømmåling[rediger | rediger kilde]

Den bevegelige spolen i et amperemeter av d'Arsonval-typen. Den oransje tråden er en tynn leder som er viklet om det bevegelige ankeret. Strømmen som skal måles går gjennom denne. N og S er henholdsvis magnetisk nord- og sørpol, som setter opp et konstant og kraftig magnetfelt gjennom ankeret.

Til måling av strømstyrke brukes et amperemeter som enten kan være analogt som i bildet til venstre eller digitalt. Digitale instrumenter gir måleresultatet som tall på en skjerm, mens i de analoge instrumentene er det en visernål som peker på måleverdiene på en skala. Det analoge amperemeteret er et elektromekanisk instrument som fungerer ved å utnytte krefter mellom strømførende ledere og magnetiske felter.

Mye brukt er et d'Arsonval-meter oppkalt etter den franske vitenskapsmannen Jacques-Arsène d'Arsonval (1851-1940). Dette instrumentet kalles også galvanometer, og brukes både for å måle strøm og spenning. Instrumentet har en spole med mange vindinger på et bevegelig anker der strømmen ledes gjennom. Ankeret med spolen kan dreie rundt i et konstant sterkt magnetfelt. Magnetfeltet skapes av permanentmagneter som står arrangert rundt ankeret som vist på illustrasjonen til høyre. Ankeret er belastet med en liten spiralfjær og visernålen er festet til ankeret. Når det går strøm gjennom spolen vil det virke en kraft mellom ankeret og magnetfeltet, dermed vris ankeret. Det er en fjær som balanserer denne kraften med en motkraft som er proporsjonal med vinkelutslaget. Utslaget som ankeret gjør er igjen proporsjonalt med strømmen.[39]

Et krav til et amperemeter er at det skal påvirke kretsen som skal måles så lite som mulig, derfor er det minst mulig motstand i det. Dermed blir spenningsfallet over instrumentet svært liten.[40] En annet annet krav som står i kontrast til det som er sakt over, er at en ikke ønsker stor strøm gjennom selve instrumentet, dermed kan det være behov for å sette en resistans i parallell med d'Arsonval-meteret.[41] Det at strømmen gjøres liten gjør at spolen og ledningene i instrumentet kan være tynne.[40] Ved å varier størrelsen på motstanden i serie med instrumentet kan måleområdet varieres.[42] Om derimot strømmen som skal måles er svært stor, som for eksempel kan være tilfelle i energiforsyningen, vil det være upraktisk å konstruere et instrument for kanskje mange tusen amper. I slike tilfeller brukes strømtransformatorer slik at målestrømmen, altså strømmen som går gjennom amperemeteret, vil være svært mye mindre enn den virkelige strømmen.

Farer med elektrisk strøm[rediger | rediger kilde]

Skala som viser effekten av strømgjennomgang av en vekselstrøm I med varighet T gjennom kroppen fra venstre hånd til fot. Diagrammet er fremstilt med logaritmiske akser. Grafen er definert av IEC publikasjon 60479-1.[43]
AC-1: umerkelig
AC-2: merkbar, men ingen muskel reaksjon
AC-3: muskelkontraksjon med reversible effekter
AC-4: mulige irreversible effekter
AC-4.1: opp til 5% sannsynlighet for ventrikkelflimmer
AC-4.2: 5-50% sannsynlighet for ventrikkelflimmer
AC-4.3: over 50% sannsynlighet for ventrikkelflimmer.

Farene ved å få elektrisk støt avhenger av type strøm, eksponeringstid, strømstyrke og strømbanen gjennom kroppen. En regner at vekselstrøm er tre til fem ganger mer farlig enn likestrøm med samme strømstyrke. Mengden avsatt energi i kroppsvevet er avhengig av eksponeringstiden, derfor gjør langvarig strømgjennomgang større skade. Ved strømgjennomgang vil en kunne få krampe i kroppens muskler, dermed greier en ikke å slippe taket om en har grepet rundt en leder. Dermed kan eksponeringen i verste fall bli langvarig.[44]

Strømstyrken gjennom kroppen vil avhenge av dens motstand, samt lengden av strømbanen gjennom kroppen. I tillegg vil risikoen avhenge av hvilke organer strømmen går gjennom, altså strømbanen. Ved tørr hud kan mye av strømmen komme til å gå på utsiden av kroppen, dermed beskyttes indre organer. Våt hud og strømbanene fra en hånd gjennom føttene er derfor mer farlig enn noe annet. Det som gjør strømgjennomgang i kroppen spesielt farlig er risikoen for ventrikkelflimmer.[44] Ved stor strømgjennomgang er ødeleggelse av kroppens indre organer en årsak til hurtig død.

Strømstyrke i forskjellige sammenhenger[rediger | rediger kilde]

Strømmen i kretsene i en datamaskin kan typisk være så små at de måles i nanoampere (1 nA = 10-9) eller picoampere (1 pA = 10-12). Strømmene som typisk går i kretsene i en radio eller fjernsynsmottager vil være i området milliampere (1 mA = 10-3) eller mikroampere (1 μA = 10-6). Et batteri i en lommelykt vil typisk gi en strøm på mellom 0,5 og 1 A. Typisk vil batteriet i en bil kunne levere en strøm på 200 A når det leverer effekt til motorens startmotor.[45]

Verdens desidert største kraftverk er det som tilhører De tre kløfters demning med en ytelse på 18,3 GW. Kraftverket forsyner tre kraftlinjer med en spenning på 500 kV, og to av disse er for likestrøm (HVDC). Den største av disse likestrømslinjene har en kapasitet på 7,2 GW. Om effekten deles på spenningen fås strømmen, som vil være på 14,4 kA.[46]

Strømmen i et lyn vil typisk variere mellom 5 og 50 kA, avhengig av tordenværets intensitet. Varigheten varierer mellom 10 og 50 μs (0,00001 til 0,00005 sekunder). NASA har rapportert om lyn med en strøm helt opp mot 100 kA, men det finnes også rapporter om rekordlyn på over 200 kA.[47]

Forskere ved University of Toronto meldte i juni 2011 at de hadde funnet noe som de mente måtte være den største strømmen noen gang observert i verdensrommet, med en styrke på 1018 A (1 EA, eller en trillion ampere). Teorien er at strømmen har sammenheng med et svart hull i galakse to milliarder lysår fra jorden. Det svarte hullet skaper et magnetfelt som induserer denne strømmen i noe som omtales som «en stor kosmisk jet».[48]

Se også[rediger | rediger kilde]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, p. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 0-7487-6748-7.
  2. ^ Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measurement, p. 37, Merrill Pub. Co., 1988 ISBN 0-675-20449-6.
  3. ^ A-M Ampère,Recuil d'Observations Électro-dynamiques, p. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (in French).
  4. ^ a b c James W. Nilsson: Electric Circuits side 5-6.
  5. ^ Young og Freedman: University physics side 710.
  6. ^ a b c Young og Freedman: University physics side 847.
  7. ^ a b Young og Freedman: University physics side 848.
  8. ^ a b c Young og Freedman: University physics side 848-849.
  9. ^ a b c Young og Freedman: University physics side 850.
  10. ^ a b c d e f Young og Freedman: University physics side 853.
  11. ^ Young og Freedman: University physics side 854.
  12. ^ Young og Freedman: University physics side 864.
  13. ^ Young og Freedman: University physics side 863.
  14. ^ Young og Freedman: University physics side 864.
  15. ^ Bjørn Pedersen. «James Prescott Joule». Store norske leksikon. Besøkt 29. august 2015. 
  16. ^ a b Young og Freedman: University physics side 887.
  17. ^ Cunningham, Andrew Cunningham; Nicholas Jardine (1990). Romanticism and the Sciences. CUP Archive. s. 228. ISBN 0521356857. 
  18. ^ Richard Fitzpatrick (2007). «Ampère's Circuital Law». 
  19. ^ a b Young og Freedman: University physics side 972.
  20. ^ a b Young og Freedman: University physics side 932.
  21. ^ a b c d Young og Freedman: University physics side 966.
  22. ^ Adam Hart-Davis (2012). «Michael Faraday». Enginers. Penguin Group. ISBN 978-1-4053-7569-6. 
  23. ^ Young og Freedman: University physics side 996.
  24. ^ Young og Freedman: University physics side 1094.
  25. ^ Taku Okada, Toshiaki Iitaka, Takehiko Yagi & Katsutoshi Aoki. «Electrical conductivity of ice VII». Nature.com. Besøkt 2. september 2015. 
  26. ^ A. Crofts (1996). «Lecture 12: Proton Conduction, Stoichiometry». University of Illinois at Urbana-Champaign. Besøkt 2. september 2015. 
  27. ^ Paul Fleury Mottelay (2008). Bibliographical History of Electricity and Magnetism (Reprint of 1892 utg.). Read Books. s. 247. ISBN 1-4437-2844-6. 
  28. ^ Francis A. Carey, Richard J. Sundberg (2007). Advanced organic chemistry (5 utg.). Springer. s. 11. ISBN 0-387-68346-1. 
  29. ^ Hong, Alice (2000). «Dielectric Strength of Air». The Physics Factbook. 
  30. ^ Hong, Alice (2000). «Dielectric Strength of Air». The Physics Factbook. 
  31. ^ A. Crofts (1994). «What are Plasmas?». plasmas.org. Besøkt 2. september 2015. 
  32. ^ Young og Freedman: University physics side 852.
  33. ^ Helmer Fjellvåg. «Superleder». snl.no. Besøkt 2. september 2015. 
  34. ^ John Haugan: Fysikk for ingeniører del V, side 128.
  35. ^ a b Young og Freedman: University physics side 1452.
  36. ^ Young og Freedman: University physics side 1453.
  37. ^ a b Young og Freedman: University physics side 1454.
  38. ^ Young og Freedman: University physics side 1456-1457.
  39. ^ James W. Nilsson: Electric Circuits side 45.
  40. ^ a b Sigurd Stensholdt: Elektrisitet side 96-97.
  41. ^ James W. Nilsson: Electric Circuits side 46.
  42. ^ James W. Nilsson: Electric Circuits side 48-49.
  43. ^ Weineng Wang, Zhiqiang Wang, Xiao Peng, Effects of the Earth Current Frequency and Distortion on Residual Current Devices, Scientific Journal of Control Engineering, Dec 2013, Vol 3 Issue 6 pp 417-422
  44. ^ a b Erik Wahlström. «Farer ved strøm og spenning». NTNU. Besøkt 15. august 2015. 
  45. ^ Young og Freedman: University physics side 848.
  46. ^ «Three Gorges Dam Hydroelectric Power Plant, China». power-technology.com. Besøkt 6. september 2015. 
  47. ^ «Facts and Figures About Lightning». A. Harfield Ltd. Besøkt 7. september 2015. 
  48. ^ Dean Praetorius. «'Space Lightning': Highest Electrical Current In The Universe Found». The Huffington Post. Besøkt 6. september 2015. 

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • Hallseth, Haugan, Hjelmen og Isnes (1990). Fysikk for ingeniører (norsk) (1 utg.). NKI Forlaget. ISBN 82-562-2068-6. 
  • Sigurd Stensholdt (1974). Fysikk PSSE (norsk). 3 – Elektrisitet (1 utg.). Universitetsforlaget. ISBN 82-00-25342-2.  [Yrkesopplæringsrådet for håndverk og industri]
  • Hugo D. Young og Roger A. Freedman (2008). University Physics (engelsk) (XII utg.). Addison Wesley. ISBN 978-0-321-50130-1. 
  • James W. Nilsson (1990). Electric Circuits (engelsk) (tredje utg.). Ames, Iowa: Addison-Wesley. ISBN 0-201-51036-7. 

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]