Elektricitet finns överallt runt omkring oss. Lampan i taket, spisen i köket, mobiltelefonen, tv:n och bilen – allt är beroende av el. I naturen dyker elektricitet upp i allt från åskvädrets våldsamma blixtar till de svaga strömmar som styr musklerna i våra kroppar och får hjärnan att fungera. Men vad är elektricitet egentligen? Här kommer vi att få lära oss mer om vad en elektrisk ström är och lite senare hur den används i elektriska kretsar.

Vad händer egentligen när du trycker på strömbrytaren för att tända lampan?

Som vi såg i kapitel 1 består materia av atomer och dessa består i sin tur av elektroner, protoner och neutroner. Elektronerna har en negativ laddning och protonerna har en lika stor, men positiv laddning. Neutronerna är neutrala, de har ingen laddning. Eftersom det finns lika många elektroner som protoner i en atom är dessa neutrala. Materia byggs sedan upp av flera atomer, antingen av samma sort eller olika. I vissa material kan elektronerna transporteras genom materialet. Det gör det möjligt att skapa en elektrisk ström. Den elektriska strömmen är hur många laddningar som passerar per sekund.

De flesta har nog någon gång gnidit en ballong mot håret, och sen satt fast den mot taket eller en vägg. Det här tricket fungerar tack vare det som kallas statisk elektricitet.

När man gnider ballongen mot håret lossnar elektroner som ”fastnar” på ballongen. Både håret och ballongen är dåliga ledare, men det går att få elektronerna att flytta från det ena materialet till det andra. Ballongen får fler elektroner, och håret får färre. Eftersom ballongen inte är en ledare stannar elektronerna sedan kvar på ytan. Elektronerna, som är negativt laddade, gör att ballongen blir negativt laddad – den får fler elektroner än normalt. Håret, som nu har färre elektroner än normalt, blir positivt laddat.

Olika material är olika bra på att släppa ifrån sig eller ta emot elektroner, så det här tricket funkar bara med vissa kombinationer av material – som till exempel plast/gummi och hår.

Föremål som har olika laddning dras till varandra, de attraherar varandra. De negativa laddningarna i ballongen attraherar de positiva laddningarna i håret. Håller man ballongen nära håret kan man se hur hårstråna sträcker sig mot ballongen. Om laddningarna istället är likadana, till exempel två ballonger som man har gnuggat mot håret, så stöter de bort varandra, de repellerar varandra. Den kraft som drar ihop eller stöter bort laddningarna är en elektrisk kraft.

Varför fastnar då ballongen i taket? Taket har ingen laddning, det är neutralt. När ballongen kommer nära taket kommer den negativa laddningen stöta bort elektroner som befinner sig på ytan av taket. Området nära ballongen blir då svagt positivt laddat. Nu uppstår det en attraktion mellan ballongen och taket. Kraften är liten, men eftersom ballongen är lätt räcker det för att den ska hänga kvar i taket.

Statisk elektricitet kan få en ballong att fastna på väggen. Men statisk elektricitet spelar också en viktig roll i naturen. Humlor använder elektriska krafter när de samlar pollen från blommor.

[Bild på humla med pollen som flyger]

När en humla flyger genom luften byggs en elektrisk laddning upp på dess kropp. Humlan blir oftast positivt laddad. Blomman och marken har en annan elektrisk laddning, vilket gör att det uppstår ett elektriskt fält mellan humlan och blomman. När humlan närmar sig en blomma påverkas de små pollenkornen. Eftersom olika laddningar attraherar varandra dras pollen mot humlans håriga kropp. Pollenkorn kan till och med lossna och röra sig mot humlan innan den hunnit röra vid blomman. Den statiska elektriciteten hjälper alltså humlan att samla pollen.

Men elektriciteten kan också ge humlan information. När en humla landar på en blomma förändras blommans laddning. Humlor kan känna av mycket svaga elektriska fält med hjälp av de små håren på kroppen. På så sätt kan de bland annat skilja mellan blommor med olika elektriska signaler, vilket kan hjälpa dem när de letar efter mat.

Olika föremål kan alltså få en laddning till exempel av att elektroner gnids loss. Mellan laddningar uppstår en elektrisk kraft. Om vi placerar en ledare mellan två områden med olika laddning så skapas ett flöde av laddningar.

Vi tänker oss ett batteri, som har en sida med negativ laddning och en sida med positiv laddning. Om vi kopplar ihop dem med till exempel en sladd så kommer elektronerna att vilja röra sig, från överskottet i den negativa sidan till underskottet i den positiva sidan. Det uppstår en ström av elektroner. Det är den typen av ström vi använder för att driva alla elektriska apparater.

Elektriska ledare brukar tillverkas av koppar eftersom det är en metall som leder ström väldigt bra. Varje elektron rör sig ganska långsamt, i koppar har de en hastighet på ungefär 0,1 mm/s. Men eftersom det finns elektroner i hela ledningen som kan påverka varandra tänds lampan nästan direkt när du trycker på strömbrytaren. Informationen i ledaren färdas nästan med ljushastigheten.

Skillnaden i laddning mellan batteriets negativa och positiva sida leder till en spänning. Spänningen är batteriets förmåga att driva en elektrisk ström och den energi som elektronerna har som omvandlas till elektrisk energi. Är spänningen noll händer inget, men om den är stor kan det skapas en stor ström i ledaren. Hur stor strömmen blir beror inte bara på spänningen utan också på hur stort motstånd det finns i ledaren. Det motståndet kallas resistans.

Resistans

Resistansen beror på vilket material ledningen är gjord av, men också på hur tjock den är och hur lång den är. En lång, tunn ledning av ett material som leder ström dåligt har hög resistans. En kort, tjock ledning av ett material som leder ström bra har låg resistans. Här gäller också “minsta motståndets lag”. Strömmen tar hellre en väg med lite motstånd, än en väg med mycket. Dessutom gör resistansen att det blir varmt i ledningen om det leds en stor ström genom den. Det utnyttjar vi i värmeelement, hårtorkar, brödrostar, strykjärn med mera.

Spänning mäts i enheten volt (V). Ström mäts i ampere (A), och resistans i ohm (Ω). Om spänningen ökar kommer också strömmen att öka. Men om resistansen ökar kommer strömmen istället att minska. Sambandet mellan strömmen, spänningen och resistansen kan skrivas som:

I={U/R}

I formler förkortar man spänning med U, resistans med R och ström med I. Det här sambandet kallas för Ohms lag, efter en tysk fysiker. Vi kommer att se hur vi använder det i nästa kapitel.

Forskare har länge drömt om material med oändligt stor ledningsförmåga. Det skulle i princip betyda att resistansen blev noll. Om man kunde överföra elektroner helt utan motstånd skulle man till exempel kunna bygga svävande tåg, supersnabba datorer och man skulle kunna lagra energi väldigt effektivt. Den här sortens material kallas för supraledare, och finns faktiskt redan. Tyvärr fungerar de bara vid väldigt låga temperaturer.

Ett annat exempel på kraftiga laddningar är åskväder. I åskmoln samlas negativa laddningar i den nedre delen av molnet, och positiva i den övre. Det kan också uppstå skillnader i laddning mellan åskmolnet och marken. När skillnaden mellan laddningarna blir tillräckligt stor sker en urladdning i form av en blixt. I det här fallet rör det sig om väldigt stora krafter. Elektronerna som ”hoppar” mellan molnet och marken släpper lös så mycket energi att det inte bara uppstår en kraftig ljusblixt, det bildas också en ljudvåg. En åskknall. När åskan går ska man undvika att vara under höga träd. Man ska inte heller bada eftersom vatten leder elektricitet bra.

Elektricitet handlar om elektriska laddningar och hur de påverkar varandra och kan förflytta sig. Elektroner har negativ laddning och protoner positiv laddning. Laddningar med samma tecken stöter bort varandra, medan positiva och negativa laddningar dras till varandra. Den kraft som verkar mellan laddningarna kallas elektrisk kraft.

När elektroner flyttas från ett föremål till ett annat kan föremålen bli elektriskt laddade. Ett föremål som får ett överskott av elektroner blir negativt laddat, medan ett föremål som förlorar elektroner blir positivt laddat. Detta kallas statisk elektricitet och kan till exempel få en ballong som gnuggats mot håret att fastna på en vägg. Elektriska laddningar och krafter förekommer också i naturen. Humlor kan få hjälp av statisk elektricitet när de samlar pollen och en blixt är en mycket kraftig elektrisk urladdning.

När elektriska laddningar rör sig genom ett material får vi en elektrisk ström. I metalliska ledare är det elektroner som rör sig. För att få en ström i en elektrisk krets behövs en spänning, till exempel från ett batteri. Spänningen kan beskrivas som det som driver laddningarna genom kretsen. Spänning mäts i volt (V) och ström i ampere (A).

Alla ledare gör ett visst motstånd mot strömmen. Detta kallas resistans och mäts i ohm (Ω). Resistansen beror bland annat på vilket material ledaren består av och hur lång och tjock den är. En lång och tunn ledare har större resistans än en kort och tjock ledare av samma material. När ström går genom ett material med resistans omvandlas elektrisk energi till värme, något som utnyttjas i exempelvis brödrostar, hårtorkar och elektriska element.

Spänning, ström och resistans hänger ihop. Högre spänning ger större ström om resistansen är oförändrad, medan större resistans ger mindre ström om spänningen är densamma. Sambandet beskrivs med Ohms lag: I = U/R.

Kortsammanfattning

• Elektricitet handlar om elektriska laddningar och hur de påverkar och kan förflytta sig.

• Elektroner har negativ laddning och protoner positiv laddning. Lika laddningar stöter bort varandra, medan olika laddningar dras till varandra.

• Statisk elektricitet uppstår när ett föremål får ett överskott eller underskott av elektroner. Det kan till exempel få en ballong att fastna på en vägg. Även humlor använder elektriska krafter när de samlar pollen.

• En blixt är en kraftig elektrisk urladdning som uppstår när skillnaden i laddning blir tillräckligt stor.

• Elektrisk ström är ett flöde av elektriska laddningar. Ström mäts i ampere (A).

• Spänning är det som kan driva en elektrisk ström genom en krets. Spänning mäts i volt (V).

• Resistans är ett mått på motståndet mot elektrisk ström. Resistans mäts i ohm (Ω).

• Stor spänning ger större ström, medan stor resistans ger mindre ström. Sambandet beskrivs av Ohms lag:

  I = U/R

• När ström går genom ett material med resistans omvandlas en del av den elektriska energin till värme. Det utnyttjas bland annat i brödrostar, hårtorkar och elektriska element.

Våra kroppar fungerar också tack vare elektricitet. Svaga strömmar kontrollerar bland annat våra muskler. Exakt hur det fungerar är en fråga för kemi och biologi, men det är intressant även för fysiker. Italienaren Luigi Galvani (1737–98) upptäckte att grodors benmuskler drog ihop sig om han satte lite järn på ena sidan av dem, och lite brons på andra. Idag vet vi att det beror på att det uppstår en svag ström mellan de olika metallerna, men det förstod inte Galvani. Det gjorde däremot en annan italienare, Alessandro Volta (1745–1827). Inspirerad av Galvanis experiment byggde han det första elektriska batteriet, Voltas stapel. Det bestod av plattor av silver och zink, och istället för grodor hade han tyg indränkt i en sur lösning mellan metallerna (mer om batteri i nästa kapitel). Volta har fått ge namn åt enheten för spänning (volt). Galvanis experiment inspirerade också Mary Shelley (1779–1851) att skriva den första science fiction-romanen, där forskaren Dr. Frankenstein väcker liv i ett monster med hjälp av elektriciteten från ett åskväder.

Precis som hos grodor dras människors muskler ihop om vi får ström i oss. Om vi råkar ta i en strömförande ledning dras musklerna i vår hand alltså ihop, och handen sluter sig. Är strömmen tillräckligt stark kan man fastna i ledningen, vilket naturligtvis inte är bra. Det bästa är att aldrig röra vid strömförande ledningar.

Så länge det inte finns en ledning mellan plus- och minuspolen på ett batteri händer inget särskilt. Att koppla ihop plus- och minuspolen kallas för att sluta en krets. Om vi gör det med en sladd kan vi utnyttja strömmen för att till exempel driva en brödrost. Men om något har gått fel med brödrosten kan den bli strömförande. Då riskerar vi att sluta kretsen med våra kroppar när vi rör vid brödrosten. Stark ström kan bränna sönder vävnader, och påverkar hjärtat. I värsta fall kan man dö om man får ström genom kroppen.

Genom att jorda våra elektriska apparater kan man styra vart en oönskad laddning tar vägen. Vanligen gräver man ner till exempel ett spett eller en platta av koppar i jorden (och det är därför vi säger att något är "jordat"). Sen drar man ledningar dit, och kopplar apparater som brödrosten till de ledningarna. Om brödrosten går sönder är den konstruerad så att det ska vara ett mindre motstånd för strömmen att gå ner i kopparplattan än in i en människa.

Idag har vi också ofta jordfelsbrytare installerade. En jordfelsbrytare mäter om det blir ett fel som gör att en ström går via jordsladden och stänger i så fall snabbt av systemet.