Teknikprov om elektricitet & elektronik (åk.8)

Alla Inga Spara

• Växelström är en ström som ändrar riktning kontinuerligt och kallas även för AC. För att förstå växelström måste man först titta på hur växelspänning uppstår. Växelspänning är skapad i en generator, av en ledare som roterar mellan magnetiska fältlinjer. När många fältlinjer korsas i den positiva halv perioden bildas den högsta positiva växelspänningen i ledaren. När inga fältlinjer korsas är spänningen noll. I nästa halvperiod är spänningen den högsta negativa för att sedan vara tillbaka på noll igen. Det kallas för att det har gått en växelspänning period. Ansluter man en belastning, t.ex en lampa, till denna spänning bildas växelström. Växelströmmen och växelspänningens utseende är till formen så kallade sinuskurvor. Växelström används över hela världen i de distribuerad elsystemen.
• Likströmmen går i en och samma riktning hela tiden då elektronerna i ett batteri vill till pluspolen. Om man kopplar ihop plus- och minuspolen då så kommer elektronerna börja vandra genom ledaren. Kopplar man då dit en glödlampa till exempel så kommer elektronerna behöva vandra igenom lampan också och därav kommer den lysa. Vissa batterier kan laddas ut, det beror på spänningen, att när tillräckligt med elektroner tagit sig över till pluspolen. Elektronerna har spridit ut sig och det är därför lika ”trångt” på båda polerna, och av den orsaken så ”längtar” elektronerna inte någonstans. Spänningen är borta och lampan slocknar. Användningsområdet för likström är elektroniska kretsar där de flesta komponenterna är anpassade för att styras av likström. Man kan använda en Graetzbrygga för att rikta likström. Ett annat sätt att få likström på är att använda ett switchat nätaggregat. I datorer finns det en nätdel där omvandlingen från växelström till likström sker. Ett till exempel på likström är den man får ifrån batterier, som redovisar ovan. I korthet är likström en elektrisk ström som alltid har samma riktning, elektronerna vandrar alltså i samma riktning hela tiden från minuspolen till pluspolen. Galvanisk ström är en äldre benämning på likström som i viss mån fortfarande används. Det var den kände uppfinnaren Thomas Alva Edison som uppfann likströmmen runt året 1870.
• Den stora skillnaden är att likström går åt ett håll och växelström skiftar håll hela tiden. Växelström tar inte slut medan batterier som styrs av likström kan göra det. Växelströmmen är lätt att reglera spänningen på medan det är mycket komplex att göra samma sak med likström. Detta är den stora anledningen till varför man använder växelström i elnät och inte likström. Växelström är mycket farligare att komma i kontakt med, i nästan alla fall livsfarlig, detta på grund av att växelström är mycket kraftfullare än likström. Likström är dock mycket mer lönsamt att använda om man tänker på att förlusterna av linjeutsläpp minskar. Linjeutsläpp är när elektroner i atomer förvandlas från höga till låga energinivåer, då släpps en foton - en masslös energienhet ut som kan betraktas som likvärdig med en våg.
• Elektrisk spänning är elektrisk potentialskillnad, en fysikalisk storhet med beteckning U, men mäts i volt (V). Enheten är uppkallad efter den italienske fysikern Alessandro Volta (1745–1827), som uppfann Voltas stapel och sannolikt det första kemiska batteriet. När man definierar spänning kan man utgå ifrån två stycken laddade plattor. Den ena är positiv och den andra är negativ. Det bildas ett elektrisk fält mellan de två plattorna. Man kan placerar en negativ laddning som kommer vilja vara vid den negativt laddade plattan, på grund av att i fältet påverkas den av en kraft. Den kraften gör att den här negativa laddningen vill dra sig till den andra plattan. Den här kraften betecknas med F. Man kan bestämma kraften genom att man tar laddningen (Q) och multiplicerar det med fältstyrkan (E) - F=Q•E. tar man ”tag” i laddningen (Q) och trycker den uppåt, tills den kommer till den övre plattan (den negativa plattan), måste man applicera en kraft när man trycker upp laddningen. När man applicerar en kraft och gör det under en viss sträcka så utför man ett arbete. Det här arbetet betecknas med W. Arbetet kan bestämmas som kraft gånger avståndet mellan två plattor (W=F•d). Man kan då se att F:et, som är laddningen multiplicerat med fältstyrkan, kan ersättas med Q och E. Då blir W=F•d=Q•E•d. När man ”trycker upp” den här laddningen så laddar man den med energi också, vilket innebär att när den befinner sig på den översta plattan så har den elektrisk potentiell energi, som betecknas Ep. Ep får då vädret Q•E•d som motsvarar ngn i gravitationsfältet. Detta gör att man också kan definiera 0-nivån för potentiell energi, för den här laddningen i det här fältet. När den är vid den negativa plattan, alltså där den vill vara, har den 0 potentiell energi. Då kan man också se att energin har ändrats från 0 upp till värdet Q•E•d. Det här kallas för en energiändring, som ibland kallas energiomsättning. Energiomsättning betecknas med deltaE ( E). Som i det här fallet fås genom att ta energin den har i minuspolen som är Q•E•d. Energin laddningen hade från början innan den blev uppflyttad finns kvar, då man kan se att energiomvandlingen i det här fallet, när vi flytta från den ena plattan till den andra, bara blir just Q•E•d. Energiändring= E= Q•E•d. Det här behöver man nu när man definierar begreppet spänning . Begreppet elektrisk spänning innebär att man tar den energiändring som sker, i det här fallet förflyttar laddningen som är QEd, som man också kallar delta E dividerat med laddningen, E/Q. Det man får fram då när man beräknat kvoten är det som vi kallar spänning, E/Q=U. Man säger att spänningen mellan de två plattorna är just U. Enheten man använder för spänning är volt. 1 Volt = 1 J/C (enheten för energi). Då kan man se att volt är en härledd enhet: [1 V=1 J/C].
• Seriekoppling innebär att komponenterna är kopplade i serie eller på en rad på samma ledare. Det är vanligt att batterier eller lampor är seriekopplade. Om en lampa slocknar slocknar de andra. Lamporna lyser svagare eftersom elektronerna får mer motstånd när de färdas genom ledaren.
• Parallellkoppling är en elektrisk koppling där alla komponenter är anslutna till samma spänningsuttag. Det är vanligt att belysnings i större lokaler är parallellkopplade. Om ett belysningselement går sönder fortsätter de övriga att lysa.
• Sluten krets inom elektrotekniken är en elektronisk krets som det flödar ström igenom. Den är alltså inte bruten någonstans. Elektronerna går från pluspol till minuspol.
• Elektrisk ström som betecknas med SI-enheten ampere (A), uppkallad efter den franske fysikern André-Marie Ampère. Elektrisk ström är ett flöde av elektriska laddningar. Strömmens storlek definieras som laddningsmängd per tidsenhet. Den elektriska laddningen i form av partiklar är vanligtvis elektroner men kan även vara joner i en elektrolyt.
• (Elektronerna hittar en annan väg). Kortslutning uppstår då en del av en elektrisk krets förbigås genom att kretsen (i allmänhet oavsiktligt) förbikopplas så att strömmen kan ta en "genväg". Strömmen går direkt ifrån pluspolen till minuspolen utan motstånd, då bildas ofta en ljusbåge för att strömmen blir så hög. Säkringar - en anordning som bryter strömmen vid en viss strömstyrka - används för att förhindra överhettning och eldsvådor vid kortslutning.
• Resistorn används för att öka eller minska motståndet/resistansen i en elektrisk krets. Det finns två huvudtyper av resistorer, fasta och variabla. En resistor med fast motstånd ger alltid samma motstånd i kretsen. Om man har ett fast motstånd kan man med hjälp av en färgskala avläsa resistansens storlek. Resistor kallas även strömbegränsare, motstånd och reostat.
• Enheten för resistans är Ohm (ᘯ - grekiska symbolen omega) och beteckningen är R. År 1827 upptäckte den tyske fysikern Georg Simon Ohm det viktiga sambandet mellan spänning, ström och resistans. Detta samband fick namnet ”Ohms lag”. 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.
• Ohms lag säger att spänningen är lika med strömmen gånger resistansen. När man skriver formler med elektriska storheter betecknas spänning med U, ström med I och resistans med R. Ohms lag är en viktig formel när det gäller att kunna räkna ut ström och spänning. Formeln för Ohms lag: (U=RxI) Formeln för att mäta strömstyrka: (I=U/R) Formeln för att beräkna resistans: (R=R/U) U= spänning (volt) R= resistansen (Ohm) I= strömstyrka (ampere)
• Ledare är vanligtvis metaller. I ett ledande material är de yttersta elektronerna inte bundna till en särskild atom, utan rör sig istället fritt inuti materialet. Om en spänningskälla kopplas över en ledare kan de negativt laddade elektronerna röra sig mot strömkällans positiva pol. Enligt bandstruktur modellen finns det två band i ett material: valensbandet, där atomens yttersta elektroner finns, och ledningsbandet, dit elektronerna kan förflytta sig. I en ledare överlappar ledningsbandets botten, alltså dess lägsta möjliga energinivåer för elektroner - valens bandets översta del. Det innebär att det inte finns något bandgap mellan banden. Så det finns alltid gott om elektroner i ledningsbandet som kan bära elektrisk ström om en spänning läggs över ledaren.
• I en isolator är alla yttre elektroner valenselektronerna hårt bundna till atomer. Glas är en isolator och dess främsta beståndsdelar är kiseldioxid (SiO2). Kiseldioxid är en kristallstruktur av kisel och syreatomer, som delar på elektroner i kovalenta bindningar, det finns inga elektroner. Om en spänning läggs över en isolator finns alltså inga fria elektroner som kan bära ström. Enligt bandstruktur modellen finns det ett stort bandgap mellan valen bandets topp och lednings bandets botten. För att ta sig över galen behöver behöver det tillföras en stor mängd energi t.ex genom en mycket stark spänning. I normala fall finns det inte tillräckligt med tillgänglig energi för att elektronerna ska kunna ta sig över gapet, så det uppstår inget flöde av elektroner, och således ingen ström.
• Kiseldioxid är en isolator, men ämnena kisel och germanium är exempel på halvledare. Halvledare är de grundämnen i det periodiska systemet med egenskaper som ligger någonstans mellan ledarnas och isolatorns. Halvledarens atomer som har fyra valenselektroner vardera bildar kovalenta bindningar med fyra grann-atomer, och fyller på så sätt sina yttersta skal. Enligt bandstruktur modellen finns det ett gap mellan valensbandet och ledningsbandet. Men gapen är mindre än hos isolatorerna. Så det kan räcka med en liten mängd energi för att frigöra en elektron. Om materialet till exempel värms upp tillförs en del elektroner tillräckligt mycket energi för att kunna förflytta sig till ledningsbandet och bära ström om en spänning läggs över halvledaren.
• Mycket av modern elektronik som t.ex solceller, lysdioder och integrerade kretsar innehåller halvledarmaterial. Genom att dopa material får man material som inte leder ström så bra, att leda ström. Alltså att tillföra små mängder av andra ämnen kan man öka halvledarens ledningsförmåga. Det finns två typer av dopade halvledarmaterial, p-typen & n-typen. Kisel eller germanium atomer som har fyra valenselektroner var binder till varandra genom att dela på elektronerna i sina yttre skal. Material av N-typ skapas genom att man tillför en liten mängd av ett ämne som har 5 elektroner i sitt yttersta skal exempelvis arsenik eller fosfor. Men när man tillför arsenik blir det en elektron över vid varje arsenik-kisel-bindning. De överblivna elektronerna blir då tillgängliga som som ledningselektroner. Material är då av N-typ, eftersom de huvudsakliga laddningsbärarna är negativt laddade elektroner. Material av P-typ skapas av att man tillför en liten mängd av ett ämne med tre elektroner i sitt yttersta skal, t.ex aluminum eller galjon. Om kisel blandas med aluminium saknas en elektron vid bindningarna och det uppstår en positiv nettoladdning, ett så kallat hål. Materialet är då av P-typ eftersom laddningsbärarna är positivt laddade hål. Om en spänning läggs över material flyttar sig hålen eftersom elektroner från intilliggande atomer ”flyttar in” i befintliga hål och lämnar nya hål efter sig. Det processen gör i praktiken att hålen rör sig åt ena hållet, medan elektronerna rör sig åt det andra, från atom till atom.
• Dioder används i många moderna elektroniska apparater. En diod gör att ström kan flöda åt ett håll, men inte åt det andra. Dioder är alltid kopplade i serie med strömbergänings motsånd som ökar kretsens resistans och skyddar dioden från att skadas av allt för stark spänning eller ström. En diod fungerar genom att en bit material av P-typ med positivt laddade hål som laddningsbärare placeras så den får kontakt med material av N-typ, vars laddningstid är negativt laddade elektroner. Området där de två typerna möts kallas för en PN-övergång. Vid övergången flyttas sig en del elektroner från N sidan över till P sidan, och fyller hålen. Samtidigt flyttar sig en del hål från P-sidan till N-sidan och fylls med elektroner. När elektronerna flyttar sig från N-sidan till P-sidan blir en del av P-sidan negativt laddad. Samtidigt blir en del av N-sidan positivt laddad när elektronerna försvinner. Resultatet blir ett område runt PN-övergången, ett så kallat spärrskikt, där det finns mycket få rörliga elektroner eller hål.

Alla Inga Spara