I det här kapitlet ska vi titta på hur sambandet mellan spänningen, strömmen och resistansen ser ut i en elektrisk krets. En krets är det vi får om vi kopplar ihop olika elektriska komponenter med hjälp av ledare. Komponenterna kan till exempel vara ett batteri, en lampa och en strömbrytare.

När vi vill rita en elektrisk krets förenklar vi den väldigt mycket. Vi tar bara med precis det som vi behöver. Till exempel ritar vi en ledare som ett rakt streck. Vi ritar inte hur komponenterna faktiskt ser ut inuti.

En ficklampa är ett bra exempel på en elektrisk krets. I en ficklampa har vi ett eller flera batterier. Batterierna är ofta runda cylindrar med en positiv och en negativ pol. Men när vi ritar ett batteri i en krets förenklar vi det till två streck: ett kortare streck som är minuspolen och ett lite längre streck som är pluspolen. Sen ritar vi streck för att visa hur batteriet kopplas till de andra komponenterna med ledare. I ficklampan nedan är två batterier kopplade till en lampa. Symbolen för lampan är en cirkel med ett kryss i. Vi har också en strömbrytare, för att kunna tända och släcka lampan. Symbolen för strömbrytaren är två prickar på en ledare. Ledaren mellan prickarna kan ritas på två sätt. Antingen ritas ledaren så att den kopplar ihop prickarna, då är lampan tänd. Eller så ritas ledaren så att prickarna inte kopplas ihop, då är lampan släckt.

När vi trycker på strömbrytaren så att lampan tänds eller släcks säger vi att kretsen är sluten eller att den är öppen. I en sluten krets är ledare och andra elektriska komponenter ihopkopplade så att strömmen kan gå hela vägen från pluspolen till minuspolen. När en ström kan gå genom hela kretsen lyser lampan. När vi öppnar strömbrytaren så slocknar lampan. Eftersom det inte längre finns en ledare hela vägen mellan pluspolen och minuspolen, så kan det inte längre gå en ström genom kretsen.

Vad händer om vi kopplar in fler lampor i kretsen? Vilket resultat förväntar vi oss? Med två lampor kopplade efter varandra, "i serie", kommer resistansen att öka. Om resistansen ökar blir det svårare för elektronerna att ta sig fram och strömmen blir lägre. Vi kan också begränsa strömmen genom att koppla in ett motstånd i kretsen. Ett motstånd (kallas även resistor) är en elektrisk komponent med en given resistans. Motstånd används i elektriska kretsar för att kontrollera hur stor strömmen i kretsen blir.

I exemplet med ficklampan var alla komponenterna kopplade efter varandra “i serie”. Vi säger att det är en seriekopplad krets. Men en elektrisk krets är inte alltid så enkel som ficklampan. När vi kopplar samman komponenter finns det två huvudsakliga sätt att göra det på. Vi kan seriekoppla dem eller parallellkoppla dem.

I seriekopplade kretsar sitter alla komponenterna på rad, som i ett pärlband.

Om lamporna är kopplade i serie går lika stor ström genom varje lampa. Lamporna delar på spänningen och om de är likadana lyser de lika starkt. Varje lampa kommer därför att lysa svagare än om det bara fanns en lampa i kretsen. En nackdel med att ha alla lamporna kopplade i serie är att om en lampa går sönder bryts kretsen. Då slocknar alla de andra lamporna också.

För att undvika att alla lamporna slocknar om en går sönder kan vi istället parallellkoppla lamporna.

När lamporna är parallellkopplade är varje lampa kopplad direkt till batteriets poler med en ledare. När kretsen är kopplad på det sättet är det samma spänning över varje lampa. Vi tänker oss att alla lamorna vi använder är likadana. Då kommer två parallellkopplade lampor att lysa lika starkt som en krets med bara en lampa. Eftersom flera lampor lyser lika starkt går det åt mer energi och batteriet tar slut fortare. En fördel med att parallellkoppla lamporna är att om en lampa går sönder så fortsätter de andra lamporna att lysa.

Strömmen följer “minsta motståndets lag”. Det betyder att i en parallellkopplad krets med olika motstånd i de olika delarna kommer strömmen att välja den väg där motståndet är minst. Hur starkt en lampa lyser beror på hur stor spänningen är över lampan. Hur stor strömmen genom lampan är beror sedan på hur stor resistans det är i lampan.

Det finns resistans i de flesta elektriska komponenter. Till exempel finns det resistans i en lampa, och om man kopplar flera lampor i serie så ökar den totala resistansen.

Två likadana, parallellkopplade lampor kommer att lysa lika starkt. Spänningen över dem är samma och eftersom de är likadana så har de samma resistans. Då kan vi räkna ut att strömmen genom varje lampa kommer att vara lika stor. Men om vi kopplar in en lampa till, nu i serie med en av våra lampor, så kommer den ensamma lampan att lysa starkast.

För att studera vad som händer när vi kopplar kretsar på olika sätt behöver vi kunna mäta spänningen och strömmen i kretsen.

Spänningen mellan två punkter i en elektrisk krets mäter vi med en voltmeter och strömmen mäts med en amperemeter. Det är viktigt att förstå hur dessa instrument används för att koppla in dem rätt när man använder dem. Ofta använder man en multimeter, som kan mäta både ström och spänning. Multimetern kan inte mäta ström och spänning på samma gång utan man ställer in vad den ska mäta.

Oavsett vilket mätinstrument man använder så kopplar man in det i kretsen med ledare. Men hur man kopplar ledarna till kretsen beror på vad man vill mäta. När vi gör mätningar påverkar vi alltid det vi mäter lite grann, men genom att koppla på rätt sätt kan vi påverka så lite som möjligt.

Spänning betecknas med bokstaven U. När vi mäter spänningen mellan två punkter i en krets parallellkopplar vi voltmetern. En minnesregel är att när vi mäter spänningen, U, ska instrumentet vara utanför kretsen.

[Bild på hur man kopplar en voltmeter]

Om vi istället vill mäta hur mycket ström som passerar mellan två punkter använder vi en amperemeter. Amperemetern ska kopplas i serie, någonstans mellan punkterna vi vill mäta. Ström betecknas med bokstaven I, och minnesregeln här är: när vi mäter strömmen, I, ska mätningen göras i kretsen.

[Bild på hur man kopplar en amperemeter]

Vi kan nu mäta både ström och resistans i våra två kretsar. En med seriekopplade lampor och en med parallellkopplade lampor.

Alla lamporna är lika, så motståndet är lika stort i alla.

Spänningen över de parallellkopplade lamporna är större än spänningen över varje enskild lampa i den seriekopplade kretsen. Seriekopplade lampor delar på spänningen, och därför lyser de svagare.

Strömmen genom de seriekopplade lamporna är också mindre än strömmen genom de parallellkopplade lamporna. Det beror på att motståndet i kretsen ökar när vi seriekopplar flera lampor. Vi ska kika lite mer på hur strömmen i kretsen beror på både spänningen och motståndet.

Vi såg i förra kapitlet att det finns ett samband mellan spänningen, U, och strömmen, I, som beror på resistansen, R. Sambandet kallas Ohms lag och skrivs:

U=R∙I

Nu kan vi mäta hur det faktiskt ser ut i en elektrisk krets. Till vår hjälp har vi ett spänningsaggregat. Med ett batteri får vi alltid samma spänning, men med ett spänningsaggregat kan vi ändra spänningen som vi kopplar in i kretsen.

Vi kopplar en liten krets med ett spänningsaggregat och en lampa och mäter både spänning och ström. Sedan gör vi om samma sak med två likadana lampor kopplade i serie.

[bild på två kretsar som det mäts på]

Vilket resultat förväntar vi oss? Med två lampor kopplade i serie kommer resistansen att öka. Om resistansen ökar blir det svårare för elektronerna att ta sig fram och strömmen minskar.

Med spänningsaggregatet kan vi ändra hur stor spänning vi kopplar på kretsarna. Om vi ökar spänningen förväntar vi oss att strömmen kommer att öka eftersom vi ger elektronerna mer energi. Men hur ändras strömmen när spänningen ökar? Och hur påverkas det av vilket motstånd vi använder i kretsen?

[bild på mätresultat]

Vi ökar spänningen i kretsen och mäter strömmen för några olika värden på spänningen. Sen ritar vi ett diagram med våra mätpunkter. Det visar sig att strömmen ökar linjärt med ökande spänning.

I kretsen med två lampor är resistansen dubbelt så stor som i kretsen med en lampa. För att få samma ström i kretsen med två lampor måste vi alltså ha dubbelt så hög spänning som för en lampa. Vi ser också att strömmen är noll om vi inte lägger på någon spänning, oavsett hur stor resistansen är.

När man gör mätningar och ritar diagram är det viktigt att man använder rätt storheter och rätt enheter. Storheterna som vi arbetar med här är spänning, ström och resistans. Dessa anges ofta som U, I och R. Enheterna är måtten som vi mäter storheterna i. Spänning mäts i volt som förkortas V, ström i ampere som förkortas A och resistans mäter vi i ohm som förkortas med den grekiska bokstaven Ω. Sambandet mellan de här tre storheterna är Ohms lag, I = U / R.

Tillbaka till våra exempel med en eller två lampor kopplade till ett spänningsaggregat.

I=UR=...

Vi har tidigare sett att effekt är hur mycket energi som går åt per sekund. I elektriska kretsar mäter vi spänning som hur mycket elektrisk energi varje laddning har. Ström mäter vi som laddningar per sekund. Genom att multiplicera spänningen i en krets med hur mycket ström som flyter genom kretsen får vi reda på hur mycket energi som går åt per sekund. Det är detta som är den elektriska effekten. Effekt betecknas med P, ström med I och spänning med U. Elektrisk effekt kan alltså beräknas som P =UI

Effekt mäter vi i enheten joule per sekund, J/s (energi/tid). Den här enheten kallas också watt (förkortas W).

Vad står det på elräkningen?

Be dina föräldrar att få titta på en elräkning. Hur mycket man betalar varje månad beror på hur mycket elektrisk energi man har utnyttjat. I fysiken brukar vi mäta energi i joule, J, men på elräkningen står det istället kWh - vad är det?

De flesta elektriska apparater är märkta med vilken effekt de drar. Mikrovågsugnen är ett bra exempel. På de flesta mikrovågsugnar kan man ändra effekten. Vill vi tina något lugnt och långsamt kanske vi ställer in mikron på 150 W. Vill vi istället snabbt värma en macka använder vi full effekt, 1 000 W. Watt är ju samma sak som joule per sekund. Det innebär att vi använder 1 000 joule varje sekund när vi kör mikron på 1 000 W. Har vi igång mikron länge går det åt mer energi. En tryckning på snabbknappen sätter igång mikron på full effekt (1 000 W) i 30 sekunder. Då går det åt 30 000 joule. Vi räknar alltså ut energiförbrukningen som effekten multiplicerat med hur lång tid det tar.

Men på elräkningen står det sällan hur många joule som har förbrukats. I stället används en annan enhet, kilowattimmar (kWh). “Kilo” betyder tusen, så om vår mikrovågsugn drar 1 000 W, kan man skriva det som 1 kW. Om vi låter mikron vara i gång i en timme så har den förbrukat energin 1 kilowattimme, vilket skrivs 1 kWh.

Elektriska kretsar är grunden för nästan all modern teknik, från ficklampor och mobiler till datorer, bilar och hela elnät. För att ström ska kunna gå behövs en sluten krets, där elektronerna kan röra sig genom ledare och komponenter. Med hjälp av kopplingsscheman kan vi rita kretsar på ett enkelt sätt och visa hur batterier, lampor, strömbrytare och motstånd hänger ihop. När komponenter kopplas i serie delar de på spänningen, och om en del av kretsen bryts slutar hela kretsen att fungera. När komponenter kopplas parallellt får varje gren samma spänning, och en lampa kan fortsätta lysa även om en annan går sönder.

För att förstå vad som händer i en krets använder vi tre viktiga storheter: spänning (U), ström (I) och resistans (R). Spänningen mäts i volt och beskriver hur mycket energi laddningarna får. Strömmen mäts i ampere och beskriver hur mycket laddning som passerar varje sekund. Resistans mäts i ohm och beskriver hur svårt det är för strömmen att ta sig fram. Sambandet mellan dem kallas Ohms lag: U=I⋅R. Genom att mäta med voltmeter och amperemeter kan vi undersöka hur kretsar fungerar i praktiken. Vi kan också räkna ut den elektriska effekten med formeln P=U⋅I, alltså hur mycket energi som används varje sekund. På så sätt hänger elektriska kretsar ihop med både vardagliga apparater och sådant vi ser på elräkningen, där energianvändningen ofta mäts i kilowattimmar (kWh).