Ström, spänning och magnetism

Spänning driver en ström

Vi vill förstå vad ström och spänning är i en elektrisk krets. En krets är en sluten väg från batteriet, genom en lampa och tillbaka till batteriet. Spänning är det som driver strömmen runt i kretsen, och den mäts i volt, V. Ström är hur mycket laddning som flyter förbi varje sekund, och den mäts i ampere, A. Titta på de blå prickarna i bilden. De är elektroner som rör sig genom tråden. Dra i reglaget för spänningen. Mer spänning ger en större ström, och lampan lyser starkare.

Resistans och Ohms lag

En del i kretsen kan hindra strömmen mer eller mindre. Det kallas resistans och mäts i ohm, Ω. En komponent med en viss resistans kallas ett motstånd. Ohms lag binder ihop spänning, resistans och ström: U = R · I. Titta på bilden och dra spänningen från 6 V till 12 V. Strömmen blir dubbelt så stor när resistansen är densamma. Dra sedan i resistansen. Större resistans ger mindre ström.

Mäta ström och spänning

Strömmen mäter du med en amperemeter. Den kopplas i serie, alltså in i själva slingan. Då går samma ström genom mätaren som genom motståndet. Spänningen mäter du med en voltmeter. Den kopplas parallellt, med en sladd på var sida om motståndet. Titta på bilden. Mätaren med A sitter i slingan, och mätaren med V sitter över motståndet.

Säkerhet först

I skolan bygger du kretsar med batterier eller ett labbaggregat på några volt. En spänning under 50 V ger sällan en farlig stöt. Ett vägguttag har 230 V, och en stöt därifrån kan vara livsfarlig. Titta på bilden. Batteriet går bra att bygga med, men vägguttaget använder du aldrig till egna kretsar. En tråd direkt mellan batteriets poler har nästan ingen resistans. Då blir strömmen stor, och både tråden och batteriet blir heta.

Ørsteds försök

År 1820 gjorde den danske fysikern Hans Christian Ørsted ett försök. Han såg att en kompassnål vred sig när ström gick i en tråd bredvid. Utan ström låg nålen still. Titta på kompassnålarna runt tråden i bilden. De ställer sig i ringar runt tråden. Strömmen skapar alltså ett magnetfält runt ledaren. Tryck på Vänd strömmen, så vänder nålarna också.

Elektromagneten

Lindar du tråden till en spole samlas magnetfältet inuti spolen. Titta på bilden. Fältlinjerna runt spolen ser ut som runt en stavmagnet. Tryck på Stavmagnet och jämför. Dra i reglaget för strömmen. Större ström ger ett starkare fält. En järnkärna i spolen gör fältet ännu starkare, och då har du en elektromagnet.

Induktion: magneten ger en spänning

Det fungerar också åt andra hållet. För du en magnet in i en spole uppstår en spänning i spolen. Det kallas induktion. Tryck på Stoppa in magneten och titta på mätaren. Nålen slår ut bara medan magneten rör sig. Står magneten still blir spänningen noll. Dra i reglaget för tiden Δt. Ju snabbare magneten rör sig, desto större blir spänningen. Så fungerar generatorer, transformatorer och dynamiska mikrofoner.

Elmotor och högtalare

Elmotorer och högtalare bygger på det omvända. En ström i ett magnetfält påverkas av en kraft. Titta på tråden i bilden. Den sitter i ett magnetfält och böjs åt sidan när strömmen går. Tryck på Vänd strömmen, så böjs den åt andra hållet. I en elmotor får kraften en spole att snurra. I en högtalare får den membranet att röra sig fram och tillbaka.

Hemma: parallellkoppling och säkring

Hemma är uttag och lampor parallellkopplade. Varje apparat får då hela spänningen och tar sin egen ström. Strömmarna läggs ihop i ledningen fram till säkringen. Tryck på apparaterna i bilden och titta på strömmen. Blir summan större än säkringen tål, här 10 A, löser den ut och bryter strömmen. Säkringen skyddar ledningen från att bli för varm. Elcentralen öppnar du aldrig själv.

Sammanfattning

I en sluten krets driver spänningen (volt, V) en ström (ampere, A) genom ett motstånd (ohm, Ω). Ohms lag: U = R · I. Dubbla spänningen ger dubbla strömmen om motståndet är oförändrat. Strömmen mäts med en amperemeter i serie, spänningen med en voltmeter parallellt.

En ström skapar ett magnetfält runt ledaren. En spole med järnkärna blir därför en elektromagnet. Omvänt ger en magnet som rör sig i en spole en spänning: induktion. Det är principen i generatorer, transformatorer och dynamiska mikrofoner. Elmotorer och högtalare bygger på det omvända: en ström i ett magnetfält påverkas av en kraft som sätter något i rörelse.

Säkerhet först. I skolan bygger du kretsar med batterier eller ett labbaggregat på några volt. En spänning under 50 volt ger sällan en farlig stöt. Ett vägguttag har 230 V, och en stöt därifrån kan vara livsfarlig. Därför använder du aldrig vägguttaget till egna kretsar. En tråd direkt mellan batteriets poler har nästan inget motstånd. Då blir strömmen stor, och tråden och batteriet blir heta. Följ alltid lärarens instruktioner.

Sambandet mellan elektricitet och magnetism upptäcktes genom ett försök. År 1820 såg den danske fysikern Hans Christian Ørsted att en kompassnål vred sig när ström gick i en tråd bredvid. Utan ström låg nålen still. Försöket visade att en ström skapar ett magnetfält. Det ändrade modellen: elektricitet och magnetism hör ihop.

Hemma är uttag och lampor parallellkopplade. Varje apparat får då hela spänningen och tar sin egen ström. Strömmarna läggs ihop i ledningen fram till säkringen. Blir summan större än säkringen tål, till exempel 10 A, löser den ut och bryter strömmen. Den skyddar ledningen från att bli för varm. Elcentralen öppnar du aldrig själv.

Ett motstånd på 20 Ω kopplas till 4,5 V. Strömmen blir I = U / R = 4,5 / 20 ≈ 0,23 A.

Vanliga missförstånd

• Många tror: Strömmen förbrukas i en komponent, så mindre kommer tillbaka.

  Men en amperemeter visar lika stor ström före och efter en lampa i serie. Det är energin som omvandlas, till exempel till ljus och värme i lampan.

• Många tror: En amperemeter kan kopplas parallellt, precis som en voltmeter.

  Men en amperemeter kopplas i serie, så att hela strömmen går genom den. Den har nästan inget motstånd, så parallellt blir strömmen stor och mätaren kan skadas.

• Många tror: Något påverkas magnetiskt bara om ström går genom det.

  Men en ström skapar ett magnetfält runt ledaren. Ørsteds kompassnål vred sig fast ingen ström gick genom nålen, bara i tråden bredvid.

Källor

1. Ohms lag (I = U / R), Nationalencyklopedin
2. 20.2 Ohm's Law (strömmen är proportionell mot spänningen), OpenStax College Physics 2e
3. 21.4 DC Voltmeters and Ammeters (amperemeter i serie, voltmeter parallellt), OpenStax College Physics 2e
4. Elektromagnet (spole med ström ger ett magnetfält), Nationalencyklopedin
5. 23.1 Induced Emf and Magnetic Flux (magnet som rör sig i en spole ger spänning), OpenStax College Physics 2e
6. Transformator (bygger på induktion), Nationalencyklopedin
7. 22.8 Motors and Meters (elmotor: kraft på ström i ett magnetfält), OpenStax College Physics 2e
8. Elektrisk ström, Wikipedia på svenska
9. Elektrisk spänning, Wikipedia på svenska
10. Högtalare (ström i magnetfält ger kraft), Wikipedia på svenska
11. Om el och elsäkerhet (under 50 volt sällan en farlig stöt, en stöt från 230 V kan vara farlig), Elsäkerhetsverket
12. Hans Christian Ørsted (1820: en ström i en tråd vrider en kompassnål), Wikipedia (engelska)
13. 21.1 Resistors in Series and Parallel (i en parallellkoppling läggs strömmarna ihop), OpenStax College Physics 2e
14. 20.6 Electric Hazards and the Human Body (säkringen bryter strömmen när den överstiger gränsen; för stor ström överhettar ledningen), OpenStax College Physics 2e
15. Kursplan i fysik, Lgr22, Skolverket