Elektrisk spänning
Elektrisk spänning eller potentialskillnad, väsentligen samma sak som elektromotorisk kraft, är skillnaden i elektrisk potential mellan två punkter i en elektrisk krets. Spänning betecknas med U och har enheten volt (V). Enheten volt är ingen grundenhet i SI utan definieras som den spänning som krävs över en elektrisk last för att strömstyrkan 1 A skall generera effekten 1 W = 1 J/s. Beteckningen U kommer från tyskans Unterschied som betyder 'differens', 'skillnad' och används i bland annat svensk litteratur. I engelskspråkig litteratur betecknas spänning vanligen V (voltage) eller E (electromotive force). Den elektriska spänningen mellan två punkter i ett elektrostatiskt fält (inga energiomvandlingar äger rum, fältet genereras av laddningar i vila) är lika med det arbete som fältkrafterna uträttar per enhetsladdning som förs längs en godtycklig väg mellan punkterna. Om laddningsmängden Q transporteras mellan punkterna A och B kan spänningen mellan punkterna skrivas som. Definitionen förutsätter att det elektrostatiska fältet är virvelfritt, det vill säga att linjeintegralen av den elektriska fältstyrkan runt en godtycklig sluten väg (fältkrafternas arbete på en enhetsladdning) är lika med noll enligt. Om avståndet mellan plattorna är s, är arbetet W = F⋅s vid förflyttning av laddningsmängden Q mellan plattorna och den elektriska spänningen blir. En laddad partikel i ett elektriskt fält har en potentiell energi på grund av att fältet utövar en kraftverkan på partikeln, det vill säga, ett arbete uträttas av det elektriska fältet när en laddning flyttas runt i fältet. Den elektriska potentialen i en punkt är definierad som den potentiella energin per enhetsladdning som är placerad i denna punkt. Den elektriska potentialen är således en skalär vars tilldelade värde beror på den potentiella energins nollpunkt. Den elektriska potentialen kan även anges i förhållande till en godtyckligt vald referenspunkt där referenspunkten tilldelas potentialen noll. Potentialen anges med tecken, som väljs så, att arbete måste tillföras utifrån för att föra en positiv laddning från en punkt med lägre potential till en punkt med högre. I samband med beräkningar sätts ofta referenspunktens avstånd till oändligheten och referenspunkten tilldelas värdet noll. Vid praktiska problem sätts vanligen jordens potential till noll. Mellan två punkter 1 och 2 i en ledare råder en spänning U12 som är lika med potentialskillnaden mellan punkterna. där linjeintegralen kas beräknas längs en godtycklig väg S mellan 1 och 2. När elektriska fält skall åskådligöras grafiskt, förbinds ofta punkter med samma potential till sammanhängande linjer, ekvipotentiallinjer. De elektriska fältlinjerna är överallt vinkelräta mot ekvipotentiallinjerna. Om punkter med olika potential kommer i kontakt med varandra genom en elektrisk ledare, till exempel en metalltråd eller resistor, uppstår en elektrisk ström som strävar att utjämna potentialskillnaden mellan punkterna. Strömmen består av en förflyttning av laddade partiklar, vanligtvis elektroner. En supraledare är en ledare som saknar resistans till skillnad mot en vanlig ledare vilken har en viss resistans som ger upphov till värmeutveckling i ledaren vid kortslutning. I en supraledare kan elektronerna ledas i en ring där strömmen kan cirkulera utan att potentialskillnader uppstår. där är belastningens resistans och I är strömstyrkan. Joules effektlag kan då skrivas. där P är den utvecklade effekten. Instrument för att mäta spänningar inkluderar voltmetern, potentiometern och oscilloskopet. Voltmetern fungerar genom mätning av strömmen genom en fast resistor, som, enligt Ohms lag, är proportionell mot spänningen över motståndet. Potentiometern fungerar genom att balansera den okända spänningen mot en känd spänning i en bryggkrets.
Elektrisk konduktivitet
Elektrisk konduktivitet (även elektrisk ledningsförmåga, specifik konduktivitet, specifik ledningsförmåga eller enbart konduktivitet) är ett mått på hur väl ett material kan transportera elektrisk laddning och är multiplikativ invers till resistivitet. Konduktivitet är detsamma som konduktans per längdenhet och mäts i Internationella måttenhetssystemet (SI) i enheten Siemens per meter (S/m eller A·V−1·m−1). God elektrisk ledningsförmåga är ett utmärkande drag för metaller. Genom jämförelse med Ohms lag i dess vanliga form ser vi att resistansen R hänger ihop med σ och resistiviteten ρ enligt. Resistansen beror av kroppens geometri (stavens längd och tvärsnittsarea), medan konduktiviteten är en ren materialegenskap. Ledningsförmåga är därför en mer fundamental egenskap, som kan användas för att ge Ohms lag den mer allmänna formen. där J är elektrisk strömtäthet i A/m² och E elektrisk fältstyrka i V/m. Denna form är användbar inte bara för en fast kropp utan även för en ledande vätska eller ett plasma. Elektrisk konduktivitet är kanske den materialegenskap som har största värdeomfång. Skillnaden i konduktivitet mellan metaller och isolatorer är mer än femton tiopotenser. Detta gör det möjligt att transportera elektrisk energi över hundratals kilometer genom högspänningsledningar, medan det räcker med korta luftgap, porslinsisolatorer eller plastskikt for att separera dem från varandra och från omgivningen. Material som får en strömtäthet av storleksordningen 1 ampere/cm² vid ett elektriskt fält på 1 millivolt/meter har metallisk ledningsförmåga: σ = 107 S/m. Material som leder mindre än 1 nanoampere/cm² vid 1000 V/m har en ledningsförmåga på 10−8 S/m och benämns isolatorer. Material, vars ledningsförmåga ligger på gränsen mellan metall och isolator kallas halvledare. Germanium är exempel på halvledare. Grundämnenas elektriska egenskaper – tabell över grundämnenas elektriska typ, konduktivitet och resistivitet.
Resistans
Resistans är ett visst slag av strömbegränsande förmåga hos en elektrisk krets. Ju högre resistansvärde kretsen har, desto högre spänning krävs för att driva en ström av en viss storlek genom kretsen. Resistans mäts vanligtvis i ohm. Vid likström kan strömmens storlek i en ledare beräknas genom att spänningen över ledaren divideras med dess resistansvärde i enlighet med Ohms lag. Om strömmen är en växelström räcker det i det allmänna fallet inte med att ta hänsyn till enbart resistansen för att beräkna en ledares egenskaper då man istället måste beräkna dess impedans, vilken är sammansatt av resistans och reaktans. I kopplingsscheman och beräkningsuttryck betecknas resistansen vanligtvis med R. En resistor är en komponent för att åstadkomma resistans. Till skillnad från ett induktivt eller kapacitivt element har en resistor ingen fasvridande förmåga. Resistansen för en elektrisk ledning kan beräknas med. För en odopad halvledare minskar resistansen exponentiellt med temperaturen. Dopade halvledare har ett betydligt mer komplicerat temperaturberoende. När temperaturen ökar från absoluta nollpunkten minskar resistansen mycket snabbt i takt med att donatorer och acceptorer frigör sina respektive laddningsbärare. Vid högre temperaturer kommer resistansen att öka på grund av att de fria laddingsbärarnas rörlighet minskar (ungefär som i en metall). Vid ytterligare temperaturökning kommer beteendet att likna det för odopade halvledare då dopningsämnenas bidrag till det totala antalet fria laddingsbärare blir försumbart. Den elektriska resistansen för elektrolyter är i hög grad icke-linjär och varierar från fall till fall varför inga generella ekvationer kan ställas upp. Resistor, färgavkodning med mera. Induktans, frekvensberoende motstånd. Kapacitans, frekvensberoende motstånd.
Impedans
Elektrisk impedans är det elektriska motståndet för en växelström och mäts i SI-enheten ohm (Ω). Impedansen består av två mot varandra vinkelräta (ortogonala) komponenter, en resistans och en reaktans. Reaktansen hos en krets uppvisar endera induktiv eller kapacitiv karaktär och orsakar en fasvridning mellan spänning och ström i intervallet -90° till +90°. och dess belopp skrivas som. Fasvridningen kan beräknas som. Med hjälp av Ohms lag kan man beräkna beloppet för spänningen över en växelströmskrets enligt. där U = spänningens belopp, Z = impedansens belopp och I = strömstyrkans belopp). Det är vanligt att impedansen skrivs som ett komplext tal. Resistansen anges då av det komplexa talets realdel och reaktansen anges av det komplexa talets imaginärdel. Användande av komplexa tal gör det möjligt att samtidigt behandla de ingående storheternas belopp och fasvinklar (se jω-metoden). Impedans förekommer i alla elektriska kretsar och komponenter. Termen impedans introducerades av Oliver Heaviside juli 1886. I en avhandling år 1893, var Arthur Kennelly den förste att använda komplexa tal för att representera impedanser. En elektrisk krets uppbyggd av passiva komponenter (resistorer, induktorer, kondensatorer) kan idealiseras till en tvåpol (se bild). Om till exempel alla komponenterna i en krets är resistorer, kan dessa ersättas (oberoende av hur de är kopplade) med en enda komponent, en ersättningsresistans. Impedansen för en tvåpol kan beräknas med hjälp av regler för kombinationer av impedanser i serie- eller parallellkoppling. Reglerna är identiska med de för resistorer, men i det allmänna fallet är impedansen ett komplext tal. Seriekopplade komponenter genomflyts av ström med samma strömstyrka. Den totala impedansen är summan av alla komponenters impedans. För parallellkopplade komponenter är spänningen över varje komponent densamma. Om U är spänningen över kretsen och Z (ersättningsimpedansen) är den impedans som ger samma belastning som de parallella grenarna kan dessa strömmar skrivas som.
Ellära
Ellära är ett läroämne som utgör en obligatorisk del av alla inriktningar på svenska gymnasieskolans elprogram. Den innefattar undervisning i fysik och kemi som specifikt relateras till elektricitet. Ellära är rent teoretiskt ämne och dess praktiska motsvarighet kallas elkunskap eller elkompetens. Elläran omfattar till stor del matematiska beskrivningar av elektriska fenomen, till exempel beräkningar av spänningar, strömstyrkor, effekter och impedanser där till exempel Ohms lag och Kirchhoffs lag är grundläggande. Om ellära på skolverkets webbplats.
Konduktans
Konduktans är ett mått på elektrisk ledningsförmåga. Det är det reciproka värdet av en ledares resistans R. där konduktansen betecknas med G och har enheten siemens S. 1 S = 1 Ω-1. Ibland betecknas konduktans, företrädesvis i USA, Mho och med symbolen ℧. Om resistansen R ersätts med konduktansen G kan Ohms lag skrivas. "Siemens lag" eller Ohms lag för ledningsförmåga. Konduktivitet (elektrisk ledningsförmåga, σ) är reciproken av resistivitet (ρ) och uppfyller sambandet. En ledares konduktans och konduktivitet erhålls därför som. där A är ledarens tvärsnittsarea och L är ledarens längd. Det totala motståndet för en seriekoppling av resistanser är. Det totala motståndet R för en parallellkoppling av n resistorer kan bestämmas ur.
Resistor
En resistor, även kallad motstånd, är en passiv elektronisk komponent som utgör ett hinder för elektronernas rörelse i ett elektriskt fält. Dess resistans är ett mått på storleken av detta hinder och beräknas som kvoten mellan spänning och ström enligt Ohms lag. Resistorn är en av de vanligaste komponenterna i elektriska kretsar. Konstruktionen består av en oftast isolerad kropp med anslutningar, där innehållet är ett motståndselement, tillverkat av ett material med känd resistivitet (ρ), i form av en stav, ett rör, folie, ytskikt eller tråd med viss längd (l) och area (A). Detta beskrivs enligt. Enheten för resistans är ohm (Ω). Motstånd som kan anses oberoende av ström, spänning och yttre faktorer, till exempel temperatur eller ljus, kallas för "linjära motstånd" eller bara "motstånd". Om resistansen varierar med ström, spänning eller yttre faktorer benämns komponenten för "olinjärt motstånd", eller med ett namn som anger vad motståndet är beroende av. På grund av brus i resistorer utsätts den signal som transporteras genom motståndet för distorsion. Termiskt brus och strömbrus samt dessas spänningsberoenden förorsakar störningar som i vissa applikationer behöver iakttas. En ideal resistor saknar induktans och kapacitans. Varje verklig resistor har dock en viss impedans vilket ger en frekvensberoende signalöverföring. För en enkel tråd är den karaktäristiska impedansen. Om ett motstånd kyls ned mot absoluta nollpunkten, kommer för vissa ämnen det elektriska motståndet att upphöra (supraledning). Det finns olika typer av resistorer. De flesta har en konstant resistans och kallas därför fasta resistorer. Andra har en resistans som kan varieras, till exempel skjut- och vridresistorer, och kallas därför variabla resistorer. Reglaget för att ställa in volymen på en radio är en typ av vridresistor. När volymkontrollen vrids, minskar eller ökar resistansen i en krets som reglerar ljudstyrkan. Linjära motstånd har märkningsscheman, enligt vilka komponentvärden anges med färgband. Termistor (temperaturberoende motstånd, NTC och PTC). Varistorn (icke-linjära, spänningsberoende motstånd). Fotomotstånd (ljusberoende motstånd).
Elektronik
Elektronik är den gren av elektrotekniken som bygger på rörelserna hos elektroner i vakuum, gaser eller fasta material (inklusive halvledare). I modernt språkbruk omfattas även användningen av elektroniska komponenter, inom bland annat radio, television, datateknik, kommunikation, informationsteknik och mätteknik. Traditionellt betecknas elektrisk apparatur utan aktiva komponenter som ej elektronisk. Exempel på icke-elektronisk utrustning är därför värme-element, elmotorer och enklare elkraftöverföring. Elektroniken har en central roll i den pågående "informationsrevolutionen" eftersom datorer och annan kringutrustning är uppbyggd av olika elektroniska komponenter. De mest grundläggande lagarna som beskriver hur elektronik fungerar är Ohms lag och Kirchhoffs lagar samt även Maxwells ekvationer. Beståndsdelarna i elektronik kallas komponenter. Komponenterna är uppdelade i olika typer beroende på deras egenskaper. När komponenter kopplas samman så bildas kretsar. Komplexa komponenter brukar även kallas kretsar. Exempel: transistor, MOSFET, CMOS, diod, DIAC, TRIAC, operationsförstärkare, tyristor. Exempel: motstånd, kondensator, spole. Exempel: förstärkare, oscillator, blandare. Kraftigt integrerade komponenter. Exempel: relä, strömställare. EDA-programvara som till exempel Kicad används för att sätta samman ett kopplingsschema. Detta överförs sedan till en mönsterkortslayout där bland annat korrigeringar för fysiska och mekaniska förhållanden görs.
Växelström
Växelström, AC (eng. alternating current), är en elektrisk ström vars riktning växlar. Om strömmen vid en viss tidpunkt har en viss riktning kommer den vid en senare tidpunkt att ha motsatt riktning. Kraftverksproducerade växelströmmar och växelspänningar är periodiska och följer med tämligen stor noggrannhet en sinuskurva. Framförallt är det möjligheten att transformera växelströmmen som gjort den till standard i de allmänna elnäten. Därigenom kan man enkelt åstadkomma en lämplig spänning för olika apparater och maskiner, samtidigt som kraftöverföringen sker med högspänningsledningar vilka ger relativt små överföringsförluster. Ljud- och radiosignaler som transporteras med elledningar är också exempel på växelström. Dessa typer av växelströmmar bär information genom modulering av AC-signalen (bärvågen), såsom ljud (audio) eller bilder (video). Dessa strömmar alternerar med mycket högre frekvenser än de som används vid kraftöverföring. Av grundläggande betydelse är växelströmmar och växelspänningar som varierar sinusformigt med tiden. En allmän sinusformad växelstorhet kan skrivas. Tiden för en period, perioden eller periodtiden är. Antalet perioder per sekund, periodtalet eller frekvensen. Enheten för frekvens är hertz (1 Hz). För en sinusformad växelstorhet är. Induktiva och kapacitiva kretsar orsakar fasförskjutning mellan spänning och ström. Om växelströmmen varierar enligt sin(ωt) blir spänningen över kretsen. och spänningen ligger således 90° före strömmen. En växelspänning över en kondensator orsakar en upp- och urladdnining av kondensatorn enligt. Om spänningen varierar som sin(ωt) blir strömmen genom kondensatorn. det vill säga, strömmen ligger 90° före spänningen. Om de induktiva och kapacitiva kretsarna har förluster (resistiva förluster, värmeutveckling) kommer fasförskjutningarna att variera mellan 0 och ±90°. Till exempel kan den resulterande fasvridningen för en seriekoppling av tre komponenter med resistans, induktans respektive kapacitans, beräknas som. enligt visardiagrammet till höger. En passiv växelströmskrets (som inte innehåller transistorer, ström/spänningskällor eller andra "aktiva" element) kan abstraheras till en tvåpol med konstanta egenskaper, en komponent med enbart två anslutningsklämmor. Beroende på dess uppbyggnad kommer tvåpolen att ha en kapacitiv eller induktiv karaktär, vilket bestämmer kretsens fasvridande förmåga och hur den behandlar mottagen effekt. En induktiv eller kapacitiv tvåpol har en energilagrande förmåga. Energi lagras i elektromagnetiska fält (laddningskonfigurationer) under en del av växelströmsperioden. Denna effektdel, som kallas reaktiv effekt, kommer att sändas tillbaka till växeleffektkällan under en annan del av växelströmsperioden. Förhållandet mellan växelspänning och växelström för en passiv tvåpol är enligt Ohms lag. där Z är kretsens impedans, vilken i det allmänna fallet är sammansatt av resistans och reaktans. Vid behandling av effektutveckling i växelströmskretsar är det viktigt att skilja mellan momentaneffekt och medeleffekt. Momentaneffekten är definitionsmässigt p = ui, det vill säga produkten av spänningens och strömmens momentanvärden (ögonblicksvärden). I det allmänna fallet varierar både u och i med tiden och således även p. För momentaneffekten är det också nödvändigt att ange om p står för mottagen eller avgiven effekt. Tvåpolen i vidstående figur har motoriskt referensval, vilket innebär att momentaneffekten referensmässigt står för mottagen effekt sett från tvåpolen. Om effekten är mottagen eller avgiven anges av p:s tecken. Den mottagna effekten kan då skrivas. vilket kan skrivas om till. där U är spänningens effektivvärde och I är strömmens effektivvärde. Om φ definieras som. det vill säga, som faskillnaden mellan spänning och ström, kan effekten skrivas som. Den av tvåpolen förbrukade effekten (medeleffekten) är den konstanta delen. vilken också kallas aktiv effekt och har enheten watt.
