Vad är elektricitet?

I detta kapitel ska vi gå igenom grundläggande ellära. Vi kommer att stifta bekantskap med storheterna spänning, ström, resistans och effekt. Vi kommer också att räkna på hur de olika storheterna hänger samman med varandra (ett samband som kallas Ohms lag).

För mer djupgående kunskap om elektronik och inkoppling se Grundläggande elektronik i Arduino-avsnittet.

Allting som driver våra elektriska och elektroniska apparater är en spänningskälla. Ett batteri är en typ av spänningskälla. En USB-port är en annan typ av spänningskälla och ett eluttag är en tredje typ.

Vad spänning är kan beskrivas med ett klassiskt skolexperiment där ett snöre används för att transportera vatten. Genom att förbinda två bägare med ett snöre (eller hoprullat hushållspapper) och fylla den ena bägaren med vatten, kan vi se hur vattnet flyttar sig från den ena bägaren till den andra. Detta beror på att den ena bägaren är full med vatten och den andra bägaren är tom på vatten. Det är alltså en skillnad mellan bägarna.

Skillnaden mellan bägarna får vattnet att rinna från den ena till den andra.

Efter en lång stund har vattennivåskillnaden mellan bägarna jämnat ut sig. Då slutar vattnet rinna.

När det är lika mycket vatten i bägarna slutar vattnet rinna.

Ett batteri har två poler: en pluspol och en minuspol som strömmen går mellan. De två polerna motsvarar bägarna i vattenliknelsen och spänningen beskriver förhållandet mellan de två polerna. Spänning mäts i volt (V) och betecknas med bokstaven U i formler (från tyskans unterschied som betyder skillnad).

Olika spänningskällor har olika spänningar. Ett alkaliskt AA-batteri har exempelvis spänningen 1,5 V när det är helt nytt. En mobilladdare med USB-kontakt har spänningen 5 V och eluttaget i väggen har spänningen 230 V. Det är alltså större skillnad (högre spänning) mellan de två polerna i eluttaget än polerna på ett alkaliskt AA-batteri.

Klassiska handfläktar drivs vanligtvis på två AA-batterier. När handfläkten är igång laddas batterierna ur, vilket får batteriernas spänning att sjunka. Den sjunkande spänningen avspeglas tydligt i fläktens hastighet. När batterierna är nya är deras spänning hög och fläkten snurrar snabbt. När batterierna börjar ta slut är deras spänning låg och fläkten snurrar långsamt.

När det är lika mycket vatten i bägarna slutar vattnet rinna.

Med gamla batterier (låg spänning) snurrar fläkten långsamt.

Samma fenomen syns tydligt med ficklampor. Jämför hur starkt en ficklampa lyser med nya respektive gamla batterier. Förr i tiden märktes också fenomenet på bärbara kassett­bandspelare. När batterierna började ta slut snurrade kassettdäcket långsamt och ljudet blev dovare.

I vattenliknelsen symboliserar vattennivåskillnaden spänningen. I samma liknelse motsvarar vattnet som rinner mellan bägarna strömmen. Om inte bägarna (polerna) är förbundna med varandra finns det en spänning men ingen ström. När bägarna (polerna) förbinds med varandra sluts kretsen och en ström börjar gå mellan polerna.

Om inte kretsen är sluten går ingen ström.

Genom att sluta kretsen börjar en ström gå från pluspolen till minuspolen.

I elektriska sammanhang mäts ström i ampere (A) och betecknas med bokstaven I i formler (kommer från franskans intensité de courant som betyder strömstyrka).

Det finns två typer av spänning: likspänning och växelspänning. Spänningen på ett batteri är det tydligaste exemplet på likspänning. Kännetecknande för likspänning är nämligen att det finns en fast pluspol och en fast minuspol. Strömmen som kommer från en likspänningskälla kallas likström, vilket förkortas DC (från engelskans direct current). Likström går alltid i samma riktning (från plus till minus).

Batterier har likspänning och ger ut likström (DC).

Växelspänning, motsatsen till likspänning, är spänningstypen i eluttaget. Den kallas växelspänning eftersom den växlar fram och tillbaka mellan de två polerna. Växelspänningen ger i sin tur upphov till en växelström, vilket förkortas AC (från engelskans alternating current). Växelström växlar riktning fram och tillbaka.

Eluttag har växelspänning och ger ut växelström (AC).

Eftersom de flesta elektroniska apparater drivs på likspänning behöver spänningen från eluttaget omvandlas. Det är en av anledningarna till att många elektroniska apparater drivs med nätadaptrar. Utöver att justera spänningen brukar nätadaptrar också omvandla elnätets växelspänning till likspänning som driver apparaten.

Fläktmotorn i handfläkten utgör en resistans (ett motstånd). Det är fläkten som förhindrar att kretsen kortsluts och den begränsar strömmen som går från plus- till minus­polen. I en traditionell ficklampa är det en liten glödlampa som fyller motsvarande funktion.

Resistans mäts i ohm som förkortas med den grekiska bokstaven stora omega (Ω). I formler betecknas resistans med bokstaven R.

I växelspänningssammanhang finns det även andra typer av motstånd. Läs mer om dem i Växelström.

Sammanfattande bild över spänning, ström och resistans.

Spänning, ström och resistans hänger ihop på ett vackert sätt. Så länge två av faktorerna är kända kan den tredje räknas ut. Sambandet kallas Ohms lag (uppkallat efter fysikern Georg Ohm). Ohms lag säger att spänningen (U) är resistansen (R) multiplicerat med strömmen (I). 

Om exempelvis strömmen är 0,012 A och resistansen är 1000 Ω kan spänningen räknas ut på följande vis. 

U = R·I

U = 0,012·1000

U = 12 V

Självfallet går det även att vända på uträkningen för att få fram strömmen när spänningen och resistansen är känd.

I = U/R

I = 12/1000

I = 0,012 A

Det finns en klassisk "fusktriangel" som visar hur formeln ska ställas upp. Den ser ut på följande vis. Genom att hålla över storheten som ska räknas ut visar triangeln hur uträkningen ska göras. Om vi håller över R (resistansen) ser vi att resistansen är spänningen (U) dividerat med I (strömmen).

Klassisk "fusktriangel" för Ohms lag.

Effekt är ett begrepp som vi funderar över dagligen. När vi värmer lunchmaten i mikro­vågsugnen funderar vi över vilken effekt vi ska ställa mikrovågsugnen på. Ju högre effekten är, desto snabbare går maten att värma. Många funderar också över effekten när de väljer TV. Ju högre effekt TV:n har, desto mer kostar den att ha igång. Effekten säger dock inte allt om kostnaden då den också beror på hur mycket (eller hur länge) en apparat används. En vattenkokare har mycket hög effekt, men är ändå energisnål eftersom den kokar upp vattnet snabbt.

I likspänningssammanhang är effekten helt enkelt det vi får om vi multiplicerar spänningen med strömmen. Resultatet (produkten) är effekten angiven i watt (W). I formler betecknas effekt med bokstaven P.

Eftersom effekten, spänningen och strömmen hänger ihop kan en av faktorerna räknas ut om de två andra är kända. Om spänningen är 12 V och strömmen är 2 A kan effekten beräknas på följande sätt.

P = U·I

P = 12·2

P = 24 W

Eftersom effektformeln är uppbyggd på samma sätt som Ohms lag, går det att ställa upp en liknande triangel för enkel uträkning.

Det går till och med att kombinera effektberäkningsformeln med Ohms lag och bygga ett "fuskhjul" med alla möjliga kombinationer.

I el- och elektroniksammanhang är det inte alltid praktiskt att prata om hela volt och hela ampere. Då används SI-prefix för att ange exempelvis tusendelar eller tusental av något. 0,025 A brukar skrivas som 25 mA (precis som 0,025 m kan skrivas som 25 mm och 2500 g kan skrivas som 2,5 kg). 

Här följer en sammanställning över de vanligaste SI-prefixen. 

Fråga 1a

Beräkna spänningen utifrån följande specifikationer:

• ström: 25 mA
• resistans: 360 Ω.

Fråga 2b

Alice har ett 12 V-batteri. Hon kopplar det till en komponent som har resistansen 24 Ω. Hur mycket ström flyter genom kretsen?

Fråga 3c

Bob har kopplat ett alkaliskt 1,5 V-batteri till en lampa som drar 20 mA. Vilken resistans utgör lampan?

Fråga 4d

Beräkna effekten när spänningen är 4,5 V och strömmen är 20 mA.

Fråga 5e

Beräkna spänningen när du känner till resistansen (50 Ω) och effekten (8 W).

Fråga 1a: Spänningen är 9 V. Fråga 1b: 500 mA flyter genom kretsen. Fråga 1c: Lampan utgör 75 Ω resistans. Fråga 1d: Effekten är 90 mW. Fråga 1e: Spänningen är 20 V.