Hva er elektrisitet?

I dette kapittelet skal vi ta for oss grunnleggende elkunnskap. Vi skal bli kjent med mengden av spenning, strøm, motstand og effekt. Vi skal også beregne hvordan de ulike mengdene er knyttet til hverandre (en forbindelse som kalles Ohms lov).

For mer inngående kunnskap om elektronikk og tilkobling se Grunnleggende elektronikk i Arduino-delen.

Alt som drifter våre elektriske og elektroniske enheter er en spenningskilde. Et batteri er en type spenningskilde. En USB-port er en annen type spenningskilde og et eluttak er en tredje type.

Vi kan beskrive hva spenning er med et klassisk skoleeksperiment der en snor brukes til å transportere vann. Ved å koble sammen to beger med en snor (eller sammenrullede papirhåndklær) og fylle ett beger med vann, kan vi se hvordan vannet beveger seg fra det ene begeret til det andre. Det er fordi det ene begeret er fullt av vann og det andre begeret er tomt. Det er altså en forskjell på begrene.

Forskjellen mellom begrene gjør at vannet renner fra det ene til det andre.

Etter en lang stund har vannstandsforskjellen mellom begrene utjevnet seg. Da slutter vannet å renne.

Når det er like mye vann i begrene, slutter vannet å renne.

Et batteri har to poler: en positiv pol og en negativ pol som strømmen går mellom. De to polene tilsvarer begrene i vanneksempelet og spenningen beskriver forholdet mellom de to polene. Spenningen måles i volt (V) og er betegnet med bokstaven U i formler (fra det tyske unterschied som betyr forskjell).

Ulike spenningskilder har ulike spenninger. Et alkalisk AA-batteri har for eksempel en spenning på 1,5 V når det er helt nytt. En mobillader med USB-kontakt har en spenning på 5 V og eluttaket i veggen har en spenning på 230 V. Det er dermed større forskjell (høyere spenning) mellom de to polene på eluttaket enn polene til et alkalisk AA-batteri.

Klassiske håndvifter drives vanligvis av to AA-batterier. Når håndviften er slått på utlades batteriene, det fører til at spenningen på batteriene synker. Den fallende spenningen reflekteres tydelig i hastigheten til viften. Når batteriene er nye, er spenningen høy og viften snurrer raskt. Når batteriene begynner å gå tomme, er spenningen lav og viften snurrer sakte.

Når det er like mye vann i begrene, slutter vannet å renne.

Med gamle batterier (lav spenning) snurrer viften sakte.

Det samme fenomenet sees tydelig med lommelykter. Sammenlign hvor sterkt en lommelykt lyser med nye og gamle batterier. Tidligere ble fenomenet også lagt merke til på bærbare kassettavspillere. Da batteriene begynte å gå tomme, snurret kassettspilleren sakte og lyden ble dempet.

I vanneksempelet symboliserer vannstandsforskjellen spenningen. I samme eksempel tilsvarer vannet som renner mellom begrene, strøm. Hvis begrene (polene) ikke er koblet til hverandre, finnes det en spenning, men ingen strøm. Når begrene (polene) er koblet til hverandre, lukkes kretsen og det begynner å gå strøm mellom polene.

Hvis kretsen ikke er lukket, går det ingen strøm.

Ved å lukke kretsen begynner det å gå en strøm fra den positive polen til den negative.

I elektrisk sammenheng måles strøm i ampere (A) og betegnes med bokstaven I i formler (kommer fra det franske intensité de courant som betyr strømstyrke).

Det er to typer spenning: likespenning og vekselspenning. Spenningen på et batteri er det tydeligste eksemplet på likespenning. Et kjennetegn ved likespenning er at det er en fast positiv pol og en fast negativ pol. Strømmen som kommer fra en likespenningskilde kalles likestrøm, som er forkortet med DC (fra engelsk, direct current). Likestrøm går alltid i samme retning (fra pluss til minus).

Batterier har likespenning og avgir likestrøm (DC).

Vekselspenning, det motsatte av likespenning, er spenningstypen i eluttaket. Det kalles vekselspenning fordi det veksler frem og tilbake mellom de to polene. Vekselspenningen gir i sin tur opphavet til en vekselstrøm, som er forkortet AC (fra engelsk, alternating current). Vekselstrøm skifter retning frem og tilbake.

Eluttak har vekselspenning og avgir vekselstrøm (AC).

Fordi de fleste elektroniske enheter driftes med likespenning, må spenningen fra eluttaket konverteres. Det er en av grunnene til at mange elektroniske enheter driftes med strømadaptere. I tillegg til å justere spenningen, konverterer strømadaptere også strømnettet til likespenning som driver enheten.

Viftemotoren i håndviften utgjør en motstand (resistans). Det er viften som forhindrer kretsen i å kortslutte og den begrenser strømmen som går fra den positive polen til den negative. I en tradisjonell lommelykt er det en liten glødepære som fyller den tilsvarende funksjonen.

Motstand måles i ohm som er forkortet med den greske bokstaven omega (Ω). I formler er motstand betegnet med bokstaven R.

I vekselspenningssammenheng finnes det også andre typer motstand. Les mer om dem i Vekselstrøm

Oppsummeringsbilde av spenning, strøm og motstand.

Spenning, strøm og motstand henger sammen på en vakker måte. Så lenge to av faktorene er kjent, kan den tredje beregnes. Forholdet kalles Ohms lov (oppkalt etter fysikeren Georg Ohm). Ohms lov sier at spenning (U) er motstand (R) multiplisert med strøm (I). 

For eksempel, hvis strøm er 0,012 A og motstand er 1000 Ω, kan spenningen beregnes som følger. 

U = R·I

U = 0,012·1000

U = 12 V

Det er selvfølgelig også mulig å regne ut strømmen når spenningen og motstanden er kjent.

I = U/R

I = 12/1000

I = 0,012 A

Det er en klassisk "juksetriangel" som viser hvordan formelen skal settes opp. Det ser slik ut. Ved å holde over mengden som skal beregnes, viser trekanten hvordan utregningen skal utføres. Holder vi over R (motstanden), ser vi at motstanden er spenningen (U) delt på I (strømmen).

Klassisk "juksetriangel" for Ohms lov.

Effekt er et begrep vi tenker over daglig. Når vi varmer lunsjen i mikrobølgeovnen tenker vi på hvilken effekt vi skal stille inn mikrobølgeovnen på. Jo høyere effekt, jo raskere varmes maten opp. Mange tenker også på effekten når de skal velge TV. Jo mer effekt TV-en har, jo mer koster den i bruk. Effekten sier imidlertid ikke alt om kostnaden fordi den også er avhengig av hvor mye (eller hvor lenge) en enhet brukes. En vannkoker har veldig høy effekt, men er likevel energieffektiv fordi den koker opp vannet raskt.

I likespenningssammenheng er effekten rett og slett det vi får hvis vi multipliserer spenning med strøm. Resultatet (produktet) er effekt uttrykt i watt (W). I formler er efekt betegnet med bokstaven P.

Fordi effekt, spenning og strøm er knyttet til hverandre, kan vi regne oss fram til en av dem hvis de to andre er kjent. Hvis spenningen er 12 V og strømmen er 2 A, kan effekten beregnes som følger.

P = U·I

P = 12·2

P = 24 W

Fordi effektformelen er bygget opp på samme måte som Ohms lov, er det mulig å sette opp en lignende trekant for enkel utregning.

Det er også mulig å kombinere effektutregningsformelen med Ohms lov og bygge et "juksehjul" med alle mulige kombinasjoner.

I elektrisitets- og elektronikksammenheng er det ikke alltid praktisk å snakke om hele volt og hele ampere. Da brukes SI-prefikset for å indikere for eksempel tusendeler eller tusentall av noe. 0,025 A skrives vanligvis som 25 mA (akkurat som 0,025 m kan skrives som 25 mm og 2500 g kan skrives som 2,5 kg). 

Her følger en sammenstilling av de vanligste SI-prefiksene.