Elektricitet
Från Rilpedia
Elektricitet är ett fysikaliskt fenomen. Grunden till elektricitet är att materia kan ha elektrisk laddning. Fenomenet tar sig uttryck i välkända former som blixtar och statisk elektricitet liksom i elektromagnetiska fält och elektromagnetisk induktion. Ordet elektricitet kommer av det grekiska ordet för bärnsten, ηλεκτρον (elektron) och slutligen från latinets ēlectricus (bärnstensliknande). Ordet myntades av britten William Gilbert år 1600 vid hans experiment med statisk elektricitet.
I dagligt tal räcker ordet elektricitet för att beskriva ett antal fysikaliska effekter. I vetenskaplig terminologi är däremot denna term vag, och det är bättre att tala om följande inbördes relaterade men distinkta fenomen:
- Elektrisk laddning — en egenskap hos vissa subatomära partiklar och som bestämmer deras elektromagnetiska interaktioner. Elektriskt laddad materia både skapar och påverkas av elektromagnetiska fält.
- Elektrisk ström — en rörelse eller flöde av elektriskt laddade partiklar, som vanligen mäts i ampere.
- Elektromagnetiskt fält — ett kraftfält som skapas av en elektrisk laddning på laddningar i dess närhet.
- Elektrisk potential — förmågan hos ett elektriskt fält att utföra arbete, vilket vanligen mäts i volt.
- Elektromagnetism — en grundläggande interaktion mellan magnetfältet och närvaron och rörelsen hos en elektrisk laddning.
Elektriska fenomen har studerats sedan antiken, även om vetenskapliga framsteg inom området inte gjordes innan 16- och 1700-talen. Praktiska användningsområden för elektriciteten förblev dock få tills dess att ingenjörer under det senare 1800-talet lärde sig att använda elektricitet i hem och inom industrin. Den snabba expansionen av elektrisk teknik vid den transformerade samhället i grunden. Elektricitetens ovanliga flexibilitet som energikälla betyder att den kan användas i en rad sammanhang, inklusive för transport, uppvärmning, ljus, kommunikation och beräkning. Elektriciteten kan förväntas utgöra ryggraden hos det industriella samhället över en överskådlig framtid.[1]
Innehåll |
Historia
För några få generationer sedan använde man inte elektricitet. Gatlamporna var gaslampor, transportmedlet var häst & vagn och maten kokades på vedspisar. På den tiden visste man knappt vad elektricitet var. Idag är vi helt beroende av elektriciteten; vi använder den i princip jämt.
Statisk elektricitet var känd redan under antiken. Under 600-talet f Kr upptäckte grekerna att om man gnuggade päls mot bärnsten, så kunde bärnstenen dra till sig lätta föremål. Efterhand upptäckte man flera andra ämnen med samma egenskap. Den första som studerade detta mer ingående var den engelska fysikern William Gilbert (1544–1603). Han kallade attraktionen som bildades för elektrisk kraft efter det grekiska ordet elektron, som betyder just bärnsten.
Idag förklarar vi elektriska fenomen med begreppet elektrisk laddning. Fransmannen Charles Dufy (1698–1739) var den första som visade att det finns två sorts laddningar, men det var Benjamin Franklin som införde begreppet positiv och negativ laddning. Omkring 1820 upptäckte Hans Christian Ørsted elektromagnetismen, för vilken André-Marie Ampère omgående formulerade matematiska ekvationer. Detta ledde till ökad experimentell aktivitet bland forskare under 1800-talet.
På 1900-talet blev det klart att positiv laddning är knuten till protonen och negativ laddning till elektronen.
Teori
Man brukar beskriva elektricitet med klassisk elektrodynamik. Enligt denna teori består elektricitet av rörliga laddningar, som kan vara positiva eller negativa. Lika laddningar stöter bort - repellerar - varandra, medan olika laddningar drar till sig - attraherar - varandra. Om positiva och negativa laddningar finns på samma plats förintar de varandra i en elektrostatisk urladdning. Laddningarna påverkas också av material - material delas vanligen in i elektriska ledare, där laddningarna kan röra sig och på så sätt bilda en elektrisk ström, och isolatorer, som laddningarna inte kan röra sig genom.
En elektrisk ström räknas som positiv till sin riktning för ett flöde av positivt laddade partiklar från en punkt med högre elektrisk potential (spänning) till en punkt med lägre elektrisk potential. Strömstyrka kan bestämmas av potentialskillnaden mellan punkterna (spänningsfall som räknas i volt) och motståndet mellan dem (resistans om strömmen är likström, men impedans om strömmen är växelström). Vid likström kan strömstyrkan räknas ut med formeln I = U / R (där I är ström, U spänning och R resistans. Om strömmen periodiskt växlar riktning (växelström) blir formeln I = U / Z (där Z är impedans).
Elektrisk laddning
Elektrisk laddning eller elmängd[2] (Q, q) är den fysikaliska storhet som påverkas av elektromagnetisk växelverkan, en av de fyra fundamentala krafterna. I Coulombs lag har laddning samma roll som massa i Newtons gravitationslag, men skillnaden är att laddning förekommer i två varianter, positiv och negativ.
Att det finns två och endast två typer av statisk elektricitet har varit känt sedan 1700-talet. Du Fay myntade termerna vitreös och resinös, för "glaselektricitet" och "kådaelektricitet".[3] Laddningar av samma typ repellerar varandra, medan växelverkan mellan laddningar av olika typ är attraktiv. Benjamin Franklin upptäckte att man kunde betrakta dessa som positiva och negativa laddingar, vars algebraiska summa är konserverad. Detta betyder att den totala laddning varken kan förnyas eller förintas, vilket gör den till en av de elementära egenskaper materia besitter.
Elektrisk laddning kvantifieras till negativa eller positiva multipler av elementarladdningen e.
Elektrisk ström
Elektrisk ström uppstår då en elektrisk laddning förflyttas. Ström definieras som laddning per tidsenhet. De laddade partiklarna är vanligtvis elektroner men kan även vara joner. I en elektrisk krets säger man av historiska skäl att strömmen går från högre till lägre potential även om elektronerna rör sig i motsatt riktning.
Elektriskt fält
Ett elektriskt fält är ett vektorfält som beskriver skillnader i den elektriska potentialen i rummet. Det kan beskrivas med "pilar" i rummet, som pekar från positiva laddningar till negativa. Elektriska fält påverkar andra laddningar med en kraft. Man kan också, kanske mer korrekt, säga att det elektriska fältet medierar kraftverkan mellan laddade föremål. Konceptet elektriskt fält introducerades av Michael Faraday.
Den elektriska fältstyrkan är en vektor med SI-enheten newton per coulomb (N C-1), eller om man så vill (och helt ekvivalent), volt per meter (V m-1). Riktningen för fältet i en given punkt definieras som riktningen på den kraft som fås på en positiv testladdning i punkten. Beloppet av fältet definieras som kvoten mellan kraftens belopp och laddningens storlek. Ett elektriskt fält innehåller elektrisk energi, med en energitäthet proportionell mot kvadraten på fältstyrkan. I en ofta använd analogi mellan elektriska och mekaniska storheter kan man säga att det elektriska fältet är för laddning vad acceleration är för massa och krafttäthet är för volym.
En laddning i rörelse omger sig inte bara med ett elektriskt fält, utan även med ett magnetiskt fält, och i en allmännare teori är dessa två fält inte längre separata fenomen – vad en observatör uppfattar som ett elektriskt fält kan en observatör i ett annat referenssystem uppfatta som en blandning av elektriska och magnetiska fält. Därför talar man inom fysiken ofta om ”elektromagnetism” och ”elektromagnetiska fält”. Inom kvantelektrodynamiken benämns det elektromagnetiska fältkvantat foton, en elementarpartikel med kvantiserad energi.
Elektrisk spänning
Elektrisk spänning är en skillnad i elektrisk potential mellan två punkter. Om punkterna skulle komma i kontakt med varandra genom en elektrisk ledare som till exempel en metalltråd eller resistor, uppstår en elektrisk ström som strävar att utjämna potentialskillnaden mellan punkterna. Strömmen består av en förflyttning av laddade partiklar, vanligtvis elektroner. En sammankoppling som praktiskt taget saknar motstånd kallas kortslutning.
Elektrisk spänning mäts i SI-enheten volt som förkortas V. Eftersom 1 V = 1 J/As, är elektrisk spänning den energi som laddningen 1 As avger eller upptar när den rör sig genom ett elektriskt fält. Enheten volt är ingen grundenhet i SI utan definierias som den spänning som krävs över t ex en resistans för att strömstyrkan 1 A ska generera effekten 1 W enligt effektformeln effekt = spänning • ström. En storhet som anger den elektriska spänningen mellan två punkter brukar betecknas U (av ty. Unterschied som betyder 'differens', 'skillnad'). Ett exempel är Ohms lag U=R • I som ger oss sambandet mellan spänningen, resistansen i sammankopplingen och styrkan hos den ström som därvid uppstår.
Elektromagnetism
Varje elektriskt laddat föremål omges av ett elektriskt fält. I varje punkt har fältet en viss styrka, och en viss riktning. När ett elektriskt laddat föremål placeras i ett elektriskt fält, påverkas det av en elektrisk kraft, som är proportionell dels mot styrkan av fältet, dels mot den egna laddningen. När ett elektriskt laddat föremål rör sig genom ett elektriskt fält, påverkas det av en magnetisk kraft.
Elektrisk laddning och magnetism är två sidor av samma kraft, elektromagnetism. Enkelt uttryckt är elektromagnetism det som uppstår ur att en foton växelverkar med en laddad partikel. Varje rörelse av elektriska laddningar ger upphov till ett magnetfält, och varje magnetfält påverkar elektriska laddningar att röra sig. Den fundamentala kraften förmedlas av fotoner och växelverkar med alla laddade partiklar. Den elektromagnetiska kraften ligger bakom i princip alla fenomen i vår vardag som inte orsakas av gravitationen. Den skapar bland annat kemiska bindningar, normalkrafter (som hindrar föremål från att flyta in i varandra), friktion och ytspänning.
Elektricitet som naturfenomen
Elektriska spänningar och urladdningar uppstår på många håll i naturen. Urladdningar i atmosfären kallas åska. Elektricitet spelar även stor roll i levande organismer, se bioelektricitet.
Elektroteknik
Den industrialiserade delen av världen är fullständigt präglad av elektrotekniska system. Några former av detta är elkraftteknik och elektronik.
Elkraftteknik
Användning
Elektricitet används bland annat för uppvärmning, kylning, belysning och motorer. Elektriciteten har kemiska verkningar vid elektrolys av ämnen i vätska.
Produktion
Elektrisk energi omvandlas av andra energiformer. En generator använder rörelseenergi. En solcell använder ljus. En bränslecell använder kemisk energi. Elektricitet produceras vanligen i kraftverk, till exempel kärnkraftverk eller vattenkraftverk.
Överföring
Elöverföring, det vill säga överföring av elektrisk energi långa sträckor, sker med högspänningsledningar. Eldistribution är överföring av el till hushåll.
Se kraftledning och transformator.
Handel med elektricitet
Då trygg försörjning av elkraft är en förutsättning för ett modernt samhälle och då ingen kan garantera problemfri leverans uppstår ett behov av att skapa ett gemensamt elnät som kopplar samman alla producenter och konsumenter i ett större område. I Skandinavien samordnas elhandeln via en elbörs som kallas Nordpool. Det man sätter ett pris på är elektrisk energi, vanligtvis i enheten kilowattimme.
Skador av elektricitet
Det är farligt att få elektriska strömmar genom kroppen. Strömstyrkor på knappt 1 milliampere brukar kunna förnimmas som kittlande, och strömmar över cirka 10 mA ger kramp i muskler som inte kan hävas förrän strömmen bryts. Spänningar som överstiger klenspänning anses vara farliga. Elektrisk ström kan dessutom ge brännskador.
Det finns flera viktiga faktorer för hur kroppen påverkas när en elektrisk ström passerar igenom den:
- vilka kroppsdelar som är utsatta
- hur lång tid man blir utsatt för strömmen.
- hur stor strömstyrkan är (vilket i sig bestäms av spänningen och hur fuktig man är)
- hur den elektriska strömmen passerar igenom kroppen.
- om det är lik- eller växelström och i det senare fallet växelströmmens frekvens.
Farligast är om strömmen passerar thorax och hjärtat (till exempel genom att man med ena handen rör ett strömförande föremål och med den andra en jordad diskbänk). Kramper i hjärtat leder till hjärtflimmer eller hjärtstillestånd. Flimmer uppstår vid några tiotals milliampere, stillestånd vid något hundratal eller mer.[4]
Skadeverkan avtar vid högre frekvenser, vid 10 kilohertz har känseltröskeln ökat till den tiodubbla, och strömmar på 1 ampere vid 1 megahertz kan passera utan att man känner något eller får skador. Detta utnyttjas bland annat vid elektrokirurgi där den värme som utvecklas får blodet att koagulera.[4]
Se även
Litteratur
- Elektricitet : historien om universums mäktigaste kraft av David Bodanis, övers. av Margareta Eklöf (2005), ISBN 91-1-301100-6, ISBN 91-7232-024-9
Referenser
- ↑ Jones, D.A., ”Electrical engineering: the backbone of society”, Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1–10
- ↑ Svenska Elektriska Kommissionen: SI måttenheter: Storheter och enheter, Swedish Standards Institute, Stockholm 1988 "Elektricitet och magnetism (1971)",.
- ↑ Charles François de Cisternay du Fay (1734). ”A Discourse concerning Electricity”. Philosophical Transactions. http://www.sparkmuseum.com/BOOK_DUFAY.HTM.
- ↑ 4,0 4,1 Wobschall, D. Circuit Design for Electronic Instrumentation. McGraw-Hill. 1987. Sid. 157f.
