Titta på sladden till en lampa eller en mobilladdare. På utsidan finns plast eller gummi, men om du tittar inuti sladden hittar du tunna trådar av metall. Metallen behövs för att den elektriska strömmen ska kunna ta sig fram genom sladden. Plasten runt omkring har motsatt uppgift. Varför kan vi leda elektrisk ström genom metall, samtidigt som plasten runt omkring skyddar oss från strömmen?

[Bild: En genomskuren elkabel där metalltrådarna och plasten runt omkring syns tydligt.]

Olika material leder ström olika bra. För att det ska kunna gå en elektrisk ström genom ett material måste elektriska laddningar kunna förflytta sig i materialet. Hur lätt det är beror på vilket material det är. Material där elektriska laddningar lätt kan förflytta sig kallas ledande material eller ledare. Metaller är bra ledare. Koppar används till exempel ofta i elektriska ledningar eftersom elektroner lätt kan röra sig genom metallen. I andra material har laddningarna mycket svårare att förflytta sig. Sådana material kallas isolatorer. Plast, gummi och glas är exempel på material som isolerar bra.

Det förklarar varför en elektrisk sladd kan vara uppbyggd av metall på insidan och plast på utsidan. Metallen leder strömmen dit vi vill ha den, medan plasten hindrar strömmen från att ta andra vägar och skyddar oss från att komma i kontakt med den ledande metallen. Men även material som leder ström gör motstånd mot strömmen. Hur svårt det är för strömmen att ta sig fram beskriver vi med materialets resistans. Stor resistans betyder att det är svårt för strömmen att ta sig fram. Liten resistans betyder att strömmen lättare kan ta sig fram. Metaller har vanligtvis låg resistans och är därför bra ledare. Isolerande material har mycket hög resistans och leder därför nästan ingen ström alls.

I det här avsnittet ska vi undersöka ledande material, metaller, isolatorer och resistans. Då kan vi också förstå varför vi använder olika material i elektriska apparater – och varför en vanlig sladd behöver både metall och plast.

En ledare är ett material som leder elektrisk ström bra. Metaller – som koppar, aluminium, silver och järn – är bra ledare. Det beror på hur elektronerna är bundna i materialet. I en metall är några av atomernas elektroner inte bundna till en bestämd atom utan kan röra sig genom materialet. När ett elektriskt fält uppstår i metallen påverkas dessa elektroner och börjar röra sig åt ett bestämt håll. Då får vi en elektrisk ström.

Koppar används ofta i elektriska ledningar eftersom det är en metall som både leder ström mycket bra och är relativt enkel att forma till tunna trådar. Aluminium leder inte riktigt lika bra, men är lättare och används därför bland annat i stora kraftledningar.

Även andra material än metaller kan leda elektrisk ström. Saltvatten leder till exempel ström eftersom det innehåller elektriskt laddade partiklar, joner, som kan röra sig genom vattnet.

I en isolator kan elektriska laddningar inte röra sig lika lätt genom materialet. Plast, gummi, glas och porslin är exempel på bra isolatorer.

Isolatorer är viktiga för elsäkerheten. Det är därför en elektrisk sladd består av en ledande metalltråd som omges av isolerande plast. Metallen gör att strömmen kan gå dit vi vill, medan plasten hindrar strömmen från att ta andra vägar – till exempel genom kroppen på den som håller i sladden.

Skillnaden mellan ledare och isolatorer är tydlig. Men alla material kan leda ström under vissa förhållanden. Luft är till exempel normalt en mycket bra isolator. Men om spänningen blir tillräckligt hög kan luften börja leda ström. Det är precis vad som händer när en blixt går genom luften.

Även bland ledare finns stora skillnader i hur lätt strömmen kan ta sig fram. Den egenskapen beskrivs med en storhet som kallas resistivitet. Ett material med låg resistivitet leder elektrisk ström bra, medan ett material med hög resistivitet leder sämre.

Resistiviteten är en egenskap hos själva materialet. Men vi pratar oftare om något som kallas resistans. Resistansen hos exempelvis en metalltråd beror både på vilket material tråden är gjord av och på trådens längd och tjocklek. En lång och tunn tråd har större resistans än en kort och tjock tråd av samma material.

När elektrisk ström går genom ett material med resistans omvandlas en del av den elektriska energin till värme. Det utnyttjar vi till exempel i brödrostar, vattenkokare och elektriska element.

"Mellan" ledare och isolatorer finns halvledare. Kisel är den vanligaste halvledaren. Kisel är grunden för nästan all modern elektronik.

Halvledare leder ström sämre än ledare som metaller, men bättre än isolatorer som plast. Men det speciella med halvledare är att deras elektriska egenskaper kan påverkas och styras. Genom att tillsätta mycket små mängder av andra ämnen till kisel kan man förändra hur lätt elektriska laddningar kan röra sig genom materialet. Detta kallas dopning.

På så sätt kan man tillverka bland annat dioder, lysdioder, solceller och transistorer. En transistor kan fungera som en mycket liten elektrisk strömbrytare. I processorn i en dator eller mobiltelefon finns miljarder sådana transistorer som kan slå av och på elektriska signaler oerhört snabbt.

Halvledare är därför en av anledningarna till att dagens datorer, mobiltelefoner och annan elektronik över huvud taget är möjliga.

Det är inte bara fasta material som leder ström. Vatten kan också fungera som en ledare. Men varför leder vatten elektricitet så bra? Det finns många laddade joner i vatten. Joner är atomer eller molekyler som antingen har för många elektroner (negativa joner) eller för få (positiva joner). Det är dessa joner som gör att vatten leder elektricitet. Salter som är lösta i vatten delas upp i joner och gör vattnet ledande. Du kan läsa mer om vatten och om salter på Din Kemi.

Vatten har en annan egenskap som är kopplad till elektricitet. Vatten består av vattenmolekyler som har en form som påminner om Musse Pigg. Syreatomen är "huvudet" och väteatomerna "öronen". I molekylen är syret negativt laddat, och vätet är positivt laddat. Musse Pigg-formen gör att vattenmolekyler är dipoler. Det betyder att de inte har en jämn fördelning av sina laddningar, utan att en sida av molekylen är mer negativt laddad och en sida är mer positivt laddad. Det här är en av de egenskaper som gör vatten till en så fantastisk molekyl.

• Olika material är olika bra på att leda elektrisk ström. Material kan delas in i ledare, isolatorer och halvledare.

• Metaller är bra ledare eftersom det finns elektroner som kan röra sig genom materialet. Koppar används därför ofta i elektriska ledningar.

• Isolatorer, som plast, gummi och glas, leder ström mycket dåligt och används bland annat för att skydda oss från elektrisk ström.

• Resistivitet beskriver hur bra eller dåligt ett material leder ström. Låg resistivitet innebär att materialet leder ström bra.

• Resistansen hos en ledare beror både på materialets resistivitet och på ledarens längd och tjocklek. En lång och tunn tråd har större resistans än en kort och tjock.

• Halvledare, till exempel kisel, har elektriska egenskaper som kan styras. Därför används de i bland annat transistorer, lysdioder och solceller och är grunden för modern elektronik.

Det finns också material som under speciella förhållanden kan bli supraledande. När ett material blir supraledande sjunker dess elektriska resistans till noll. En elektrisk ström kan då flyta utan att energi förloras genom elektrisk resistans. Problemet är att de supraledare vi känner till måste kylas till mycket låga temperaturer för att fungera. Det gör dem betydligt svårare och dyrare att använda än vanliga elektriska ledare.

Trots det används supraledare redan idag. Eftersom en supraledande ledning kan bära mycket stora strömmar kan man använda den för att skapa mycket starka elektromagneter. Sådana magneter finns till exempel i magnetkameror på sjukhus och i stora forskningsanläggningar.

[Bild på MR kamera]

Forskare försöker hitta material som kan vara supraledande vid högre temperaturer. Om supraledare en dag kunde fungera vid rumstemperatur skulle det kunna få stor betydelse för framtidens teknik, eftersom elektrisk energi då skulle kunna transporteras med mycket små förluster.

Fakta: Vad händer när temperaturen ändras?

Temperaturen kan påverka ett materials förmåga att leda elektrisk ström. Men olika material påverkas på olika sätt. I metaller ökar resistiviteten vanligtvis när temperaturen stiger. Det beror på att atomerna i metallen vibrerar mer när de blir varma. Det gör det svårare för elektronerna att ta sig fram, och därför får en varm metalltråd större resistans än en kall.

I halvledare händer ofta det motsatta. När temperaturen ökar får fler elektroner tillräckligt med energi för att kunna bidra till den elektriska strömmen. Därför kan halvledare leda ström bättre när de blir varmare.

För vissa material händer något ännu märkligare om de kyls till mycket låga temperaturer. Under en bestämd kritisk temperatur kan resistansen plötsligt försvinna helt. Materialet har då blivit en supraledare.