print logo

Elektrisitet

Elektrisitet - Elektriske ladninger kan enten være positive eller negative. Ladninger med samme fortegn frastøter hverandre med en kraft og ladninger med motsatt fortegn tiltrekker hverandre med en kraft. Det trengs energi for å atskille ladninger og denne energien frigis igjen når ladningene får anledning til å komme sammen igjen. Et system med ladninger kan derfor ha potensiell energi. Den vanlige materien er elektrisk nøytral, dvs. med like mange positive og negative ladninger. I kraftstasjonen har ladningene blitt atskilt. Kraften som skyldes tiltrekning eller frastøtning mellom ladninger er gitt ved Coulombs lov:

Coulombs lov

hvor Q1 og Q2 er størrelsen på de to ladningene, r er avstanden mellom sentrene i de to ladningene og eoereo×ere er en konstant kalt absolutt permittivitet eller elektrisk feltkonstant. Permittivitet i vakuum () = 8.85×10-12C2 m-2 N-1. Permittiviteten til andre stoffer er en proporsjonalitetsfaktor av denne og kalles dielektrisitetskonstanten eller relativ permittivitet (e=). Statisk elektrisitet er akkumulering av negativ eller positiv elektrisk ladning i et område og som skyldes forflytning av elektroner. Enheten for ladning (Q) måles i coulomb. Ladningen av et mol ioner er gitt ved Faradays konstant som er Avogadros tall multiplisert med elementærladningen

hvor e er elementærladningen til et proton (eller elektron) 1.602·10-19 C. Det betyr at 1 coulomb er ca. lik ladningen til 10 mmol av et enverdig ion og 5 mmol av et toverdig ion. Vi kan betrakte spenning som en potensiell forskjell i drivkraft som får ladninger til å bevege seg. Elektrisk strøm er forflytning av ladninger fra et sted til et annet. Strømmen I er lik dQ/dt og måles i ampere:

En strøm på en coulomb per sekund er lik en ampere. Strøm vil bevege seg fra et sted til et annet hvis det er en potensialforskjell mellom stedene målt i volt og at stedene henger sammen med noe som kan lede elektroner. Når en coulomb flyttes gjennom en potensialforskjell på 1 volt frigis en Joule energi. (1 V=1 J coulomb-1). Energien som frigis og kan brukes til arbeid (W) når strømmen flytter seg fra et sted til et annet er lik potensialforskjellen mellom stedene (V) multiplisert med ladningene som er overført (Q)

Arbeid

Hastigheten som energien frigis med målt i Watt (W) er lik potensialforskjellen V multiplisert med strømmen (I)

Effekt

F.eks. vil et 1.5 V batteri som har 200 mA som kan strømme gjennom en lyspære gi 0.3 W. Hvis denne pæren lyser i et minutt vil 18 J med energi bli frigitt når 12 coulomb med ladning går gjennom lyspæren. Hvor mye strøm som går gjennom en leder avgjøres av motstanden og ble oppdaget av Robert Ohm i 1827. Ifølge Ohms lov er potensialforskjellen lik strømmen multiplisert med motstanden:

Ohms lov

Motstanden (resistansen) som måles i ohm (W-1W), er den inverse av konduktansen (G) som måles i Siemens (, mho).

Strøm

Resistivitet (motstandsevne) er motstanden mellom to motsatte sider (W cm) av 1 cm kube og konduktivitet (ledningsevne) er den inverse verdien (S cm-1). En potensialforskjell mellom to punkter angir muligheten for strøm mellom punktene, men hvorvidt det virkelig vil bevege seg en strøm avhenger av impedansen. Resistanse er den enkleste form for impedanse.

Impedanse

Impedansen (vekselstrømmotstanden) er omvendt proporsjonal med kapasitansen og frekvensen til bølgefunksjonen til spenning/strøm.

Bringes en ladet leder i nærheten av en uladet vil dette gi

endringer i fordelingen av positive og negative ladninger i den uladete lederen. Hvis den uladete lederen bringer i kontakt med den ladete med en ledning vil det bli overført ladninger og den tidligere uladete lederen blir ladet. Fenomenet kalles elektrostatisk interferens. To plater med ledende materiale kan atskilles med en isolator (ikke-leder, f.eks. luft) i en kondensator. Hvis potensialforskjellen V tilføres over kondensatoren vil en ladning Q bygge seg opp på platene. Denne ladningen er proporsjonal med potensialforskjellen og proporsjonalitetskonstanten kalles kapasitanse (C) målt i enheten farad. 1 farad= 1 coulomb×volt- 1.

Ladning

Hvis spenningen over kondensatoren endrer seg vil ladningen bygges opp på den ene platen og flyttes vekk fra den andre slik at vi kan snakke om at det går strøm gjennom kondensatoren

dv/dt

Denne sammenhengen som tilsvarer Ohms lov for en kondensator fremkommer når vi deriverer Q=V×C:

Strømmen blir proporsjonal med endringen i potensial (spenning). Er potensialforandringen meget rask blir strømmen meget stor (impedansen tilsynelatende liten). Hvis potensialendringen skjer sakte vil strømmen bli liten (tilsynelatende stor impedanse). Det betyr at en kondensator har en impedanse som avhenger av hvor raskt potensialet skifter. Dette kan uttrykkes hvis vi betrakter en sinusformet spenning over kondensatoren (V=V0 sin (wt) hvor w er vinkelhastigheten.

Strøm

Det betyr at strømmen har bølgeform og er maksimal når spenningen er lik 0 (strømmen er 90o ute av fase med spenningen). Amplituden er høyden av en av toppene i cosinus- kurven.

Cellemembraner virker som tynne isolatorer mellom ledende løsninger og har en kapasitanse lik ca. 1 mF. Ethvert punkt i området mellom platene i en kondensator vil ha sitt eget potensial. Kraften som virker på en ladet partikkel i et visst punkt kalles elektrisk felt.

Elektrisk felt

Kraften kan uttrykkes som en vektor og derfor er det elektriske feltet også en vektor. Samlingen av elektriske feltvektorer kalles elektriske kraftlinjer. Det elektriske potensialet er den samme for alle punkter langs en leder. Det betyr at det ikke er noe elektrisk felt langs en leder. Potensialforskjellen mellom to kondensatorplater avhenger av antall ladninger det er plass til på platene. Det betyr jo større areal på platene desto større kapasitanse. Dessuten vil det jo nærmere platene er hverandre desto mer ladning kan de lagre og større blir kapasitansen. For en kondensator med parallele plater blir kapasitansen i farad (C):

Kapasitanse

hvor A (m2) er arealet av platene, d (m) er avstanden og e er permittiviteten. Ladningene på en kondensator fungerer som et energilager. Hvor mye energi som kan lagres kan beregnes ut fra mengden arbeid som må utføres for å lade opp kondensatoren.

Kondensator og energilagring

Avhengig av evnen stoffer har til å lede strøm kan de deles inn i ledere, ikke-ledere (isolatorer) og halvledere. Elektroner som har evnen til å flytte seg vekk fra atomene de tilhører sies å være i ledningsbånd, et energinivå over grunntilstanden. Hvis energiforskjellen mellom grunntilstand (grunnivå) og ledningsbånd er mindre enn den termiske energien (ca. 4 kJ mol-1) så har vi en leder. Er det stor energiforskjell har ikke elektronene mulighet til å komme opp i ledningsbåndet og vi har en isolator. Hvis noen av elektronene er i ledningsbåndet og noen i grunntilstanden har vi en halvleder. Antall elektroner som befinner seg i ledningsbåndet (N) kan beregnes ut fra Boltzmanns energifordelingsformel:

Boltzmanns energifordelingsformel

hvor N0 er totalantallet valenselektroner og E er energiforskjellen mellom grunntilstand og ledningsbåndet. I karbongruppen i det periodiske system finnes silisium og garmanium som brukes som halvledere. Antallet ledningselektroner kan økes ved å tilføre "forurensninger" av andre grunnstoffer. Noen som har overskudd av elektroner (n, negative) og noen som har plass til elektroner i ledningsbånd og gir opphav til "hull" (p, positive)

I en termistor som brukes til å måle temperatur vil mengden konduksjonselektroner øke etterhvert som temperaturen øker og gir derved minsket motstand.

Publisert 4. feb. 2011 10:16 - Sist endret 4. feb. 2011 10:16