Som tidligere nævnt har vi brug for mere end blot en kontinuerlig vej (dvs. et kredsløb), før der kan opstå en kontinuerlig strøm af ladninger: vi har også brug for midler til at skubbe disse ladningsbærere rundt i kredsløbet. Ligesom kugler i et rør eller vand i et rør kræver det en eller anden form for påvirkningskraft for at sætte strømmen i gang. Med elektroner er denne kraft den samme som den kraft, der virker i statisk elektricitet: den kraft, der opstår ved en ubalance mellem de elektriske ladninger. Hvis vi tager eksemplerne med voks og uld, der er blevet gnedet sammen, kan vi konstatere, at overskuddet af elektroner i voksen (negativ ladning) og underskuddet af elektroner i ulden (positiv ladning) skaber en ubalance af ladning mellem dem. Denne ubalance manifesterer sig som en tiltrækningskraft mellem de to objekter:
Hvis en ledende ledning placeres mellem det ladede voks og uld, vil elektroner strømme igennem den, idet nogle af overskuddet af elektroner i voksen haster gennem ledningen for at komme tilbage til ulden og udfylde underskuddet af elektroner der:
Den ubalance af elektroner mellem atomerne i voks og atomerne i uld skaber en kraft mellem de to materialer. Da der ikke er nogen vej for elektronerne til at strømme fra voks til uld, kan denne kraft kun tiltrække de to genstande sammen. Nu, hvor en leder bygger bro over den isolerende kløft, vil kraften imidlertid få elektronerne til at strømme i en ensartet retning gennem ledningen, om end kun kortvarigt, indtil ladningen i det pågældende område neutraliseres, og kraften mellem voks og uld aftager. Den elektriske ladning, der dannes mellem disse to materialer ved at gnide dem mod hinanden, tjener til at lagre en vis mængde energi. Denne energi er ikke ulig den energi, der er lagret i et højtliggende vandreservoir, som er blevet pumpet fra en dam på et lavere niveau:
Tyngdekraftens påvirkning af vandet i reservoiret skaber en kraft, der forsøger at flytte vandet ned til det lavere niveau igen. Hvis der føres et passende rør fra reservoiret tilbage til dammen, vil vandet under tyngdekraftens påvirkning strømme ned fra reservoiret gennem røret:
Det kræver energi at pumpe dette vand fra dammen med lavt niveau til reservoiret med højt niveau, og vandets bevægelse gennem rørledningen tilbage ned til sit oprindelige niveau udgør en frigivelse af den energi, der er lagret fra den tidligere pumpning. Hvis vandet pumpes op til et endnu højere niveau, vil det kræve endnu mere energi at gøre det, og der vil således blive lagret mere energi, og der vil blive frigivet mere energi, hvis vandet får lov til at strømme gennem et rør tilbage ned igen:
Elektroner er ikke meget anderledes. Hvis vi gnider voks og uld sammen, “pumper” vi elektroner væk fra deres normale “niveauer”, hvilket skaber en tilstand, hvor der eksisterer en kraft mellem voks og uld, idet elektronerne søger at genetablere deres tidligere positioner (og balance i deres respektive atomer). Den kraft, der tiltrækker elektronerne tilbage til deres oprindelige positioner omkring deres atomers positive atomkerner, svarer til den kraft, som tyngdekraften udøver på vandet i reservoiret, og som forsøger at trække det ned til dets tidligere niveau. Ligesom pumpning af vand til et højere niveau resulterer i, at der oplagres energi, resulterer “pumpning” af elektroner for at skabe en ubalance i den elektriske ladning i, at der oplagres en vis mængde energi i denne ubalance. Og ligesom det at give vandet mulighed for at strømme ned igen fra reservoirets højde resulterer i en frigivelse af den lagrede energi, resulterer det at give elektronerne mulighed for at strømme tilbage til deres oprindelige “niveau” i en frigivelse af den lagrede energi. Når ladningsbærerne befinder sig i denne statiske tilstand (ligesom vand, der sidder stille, højt oppe i et reservoir), kaldes den energi, der er lagret der, for potentiel energi, fordi den har mulighed (potentiale) for frigivelse, som endnu ikke er blevet fuldt realiseret.
Forståelse af spændingsbegrebet
Når ladningsbærerne befinder sig i denne statiske tilstand (ligesom vand, der sidder stille, højt oppe i et reservoir), kaldes den energi, der er lagret der, for potentiel energi, fordi den har mulighed (potentiale) for frigivelse, som endnu ikke er blevet fuldt realiseret. Når du på en tør dag skraber dine gummisålssko mod et stofmåtte, skaber du en ubalance af elektrisk ladning mellem dig selv og tæppet. Når du skraber dine fødder, lagrer du energi i form af en ubalance mellem de ladninger, der er tvunget væk fra deres oprindelige placering. Denne ladning (statisk elektricitet) er stationær, og du er slet ikke klar over, at der overhovedet lagres energi. Men når du placerer din hånd mod et dørhåndtag af metal (med masser af elektronmobilitet til at neutralisere din elektriske ladning), vil denne lagrede energi blive frigivet i form af en pludselig strøm af ladninger gennem din hånd, og du vil opfatte det som et elektrisk stød! Denne potentielle energi, der er lagret i form af en elektrisk ladningsubalance og kan fremkalde ladningsbærere til at strømme gennem en leder, kan udtrykkes som et begreb kaldet spænding, som teknisk set er et mål for potentiel energi pr. ladningsenhed eller noget, som en fysiker ville kalde specifik potentiel energi.
Definitionen af spænding
Defineret i forbindelse med statisk elektricitet er spænding et mål for det arbejde, der kræves for at flytte en ladningsenhed fra et sted til et andet, mod den kraft, der forsøger at holde de elektriske ladninger i balance. I forbindelse med elektriske energikilder er spænding den mængde potentiel energi, der er til rådighed (det arbejde, der skal udføres) pr. ladningsenhed for at flytte ladninger gennem en leder.Fordi spænding er et udtryk for potentiel energi, der repræsenterer muligheden eller potentialet for frigivelse af energi, når ladningen bevæger sig fra et “niveau” til et andet, er den altid refereret mellem to punkter. Overvej analogien med vandreservoiret:
På grund af forskellen i faldhøjden er der potentielt mulighed for, at der frigives meget mere energi fra reservoiret gennem rørledningen til sted 2 end til sted 1. Princippet kan forstås intuitivt ved at lade en sten falde ned: Hvad resulterer i et voldsommere nedslag, en sten, der falder fra en meters højde, eller den samme sten, der falder fra en kilometers højde? Det er indlysende, at et fald fra større højde medfører en større energiudløsning (et voldsommere slag). Vi kan ikke vurdere mængden af oplagret energi i et vandreservoir blot ved at måle vandmængden, lige så lidt som vi kan forudsige, hvor voldsomt en faldende sten vil ramme os ved blot at kende stenens vægt: i begge tilfælde må vi også tage hensyn til, hvor langt disse masser vil falde fra deres oprindelige højde. Den mængde energi, der frigøres ved at lade en masse falde, er relativ til afstanden mellem dens start- og slutpunkt. På samme måde er den potentielle energi, der er til rådighed for at flytte ladningsbærere fra et punkt til et andet, relativ til disse to punkter. Derfor udtrykkes spænding altid som en størrelse mellem to punkter. Interessant nok er analogien med en masse, der potentielt “falder” fra en højde til en anden, en så passende model, at spænding mellem to punkter undertiden kaldes et spændingsfald.
Generering af spænding
Spænding kan genereres på andre måder end ved at gnide visse typer materialer mod hinanden. Kemiske reaktioner, strålingsenergi og magnetismens påvirkning af ledere er nogle af de måder, hvorpå spænding kan frembringes. Eksempler på disse tre kilder til spænding er batterier, solceller og generatorer (som f.eks. “generator”-enheden under motorhjelmen på din bil). For nu vil vi ikke gå i detaljer med, hvordan hver af disse spændingskilder fungerer – det er vigtigere, at vi forstår, hvordan spændingskilder kan anvendes til at skabe ladningsstrøm i et elektrisk kredsløb. Lad os tage symbolet for et kemisk batteri og bygge et kredsløb trin for trin:
Hvordan virker spændingskilder?
Alle spændingskilder, herunder batterier, har to punkter for elektrisk kontakt. I dette tilfælde har vi punkt 1 og punkt 2 i ovenstående diagram. De vandrette linjer af varierende længde angiver, at der er tale om et batteri, og de angiver endvidere den retning, som dette batteris spænding vil forsøge at skubbe ladningsbærere gennem et kredsløb. At de vandrette linjer i batterisymbolet ser adskilte ud (og dermed ikke kan fungere som en vej for ladningsstrømmen) er der ingen grund til bekymring: i virkeligheden repræsenterer disse vandrette linjer metalplader nedsænket i et flydende eller halvfast materiale, der ikke blot leder ladninger, men også genererer den spænding, der skal skubbe dem videre ved at interagere med pladerne. Læg mærke til de små “+”- og “-“-tegn umiddelbart til venstre for batterisymbolet. Den negative (-) ende af batteriet er altid den ende med den korteste streg, og den positive (+) ende af batteriet er altid den ende med den længste streg. Den positive ende af et batteri er den ende, der forsøger at skubbe ladningsbærere ud af det (husk, at vi ved konvention tænker på ladningsbærere som værende positivt ladede, selv om elektroner er negativt ladede). På samme måde er den negative ende den ende, der forsøger at tiltrække ladningsbærerne. Når batteriets “+”- og “-“-ender ikke er forbundet med noget, vil der være spænding mellem disse to punkter, men der vil ikke være nogen ladningsstrøm gennem batteriet, fordi der ikke er nogen kontinuerlig vej, som ladningsbærerne kan bevæge sig igennem.
Det samme princip gælder for analogien med vandreservoiret og pumpen: uden et returrør tilbage til dammen kan den oplagrede energi i reservoiret ikke frigives i form af vandstrøm. Når reservoiret er helt fyldt op, kan der ikke ske nogen strømning, uanset hvor meget tryk pumpen måtte generere. Der skal være en fuldstændig vej (kredsløb), så vandet kan strømme fra dammen til reservoiret og tilbage til dammen, for at der kan ske en kontinuerlig strømning. Vi kan skabe en sådan vej til batteriet ved at forbinde et stykke ledning fra den ene ende af batteriet til den anden. Ved at danne et kredsløb med en sløjfe af ledning vil vi igangsætte en kontinuerlig strøm af ladning i urets retning:
Forståelse af begrebet elektrisk strøm
Så længe batteriet fortsætter med at producere spænding, og kontinuiteten i den elektriske vej ikke er brudt, vil ladningsbærere fortsætte med at strømme i kredsløbet. I lighed med metaforen om vand, der bevæger sig gennem et rør, kaldes denne kontinuerlige, ensartede strøm af ladningsbærere gennem kredsløbet for en strøm. Så længe spændingskilden fortsætter med at “skubbe” i samme retning, vil ladningsbærerne fortsætte med at bevæge sig i samme retning i kredsløbet. Denne strømstrøm i én retning kaldes en jævnstrøm eller DC. I andet bind i denne bogserie udforskes elektriske kredsløb, hvor strømretningen skifter frem og tilbage: Vekselstrøm eller AC (Alternating Current). Men indtil videre vil vi kun beskæftige os med jævnstrømskredsløb. Fordi elektrisk strøm består af individuelle ladningsbærere, der flyder i fællesskab gennem en leder ved at bevæge sig med og skubbe på de foranstillede ladningsbærere, ligesom kugler gennem et rør eller vand gennem et rør, vil mængden af strøm gennem et enkelt kredsløb være den samme på ethvert punkt. Hvis vi overvågede et tværsnit af ledningen i et enkelt kredsløb og talte de ladningsbærere, der strømmer forbi, ville vi konstatere nøjagtig den samme mængde pr. tidsenhed som i enhver anden del af kredsløbet, uanset lederlængde eller lederdiameter. Hvis vi bryder kredsløbets kontinuitet på et hvilket som helst sted, vil den elektriske strøm ophøre i hele kredsløbet, og den fulde spænding, der produceres af batteriet, vil manifestere sig på tværs af bruddet, mellem de ledningsender, der tidligere var forbundet:
Hvad er polariteten af et spændingsfald?
Se tegnene “+” og “-“, der er tegnet ved enderne af afbrydelsen i kredsløbet, og hvordan de svarer til tegnene “+” og “-” ved siden af batteriets poler. Disse tegn angiver den retning, som spændingen forsøger at skubbe strømmen i, denne potentielle retning, der almindeligvis kaldes polaritet. Husk, at spænding altid er relativ mellem to punkter. På grund af dette faktum er polariteten af et spændingsfald også relativ mellem to punkter: Om et punkt i et kredsløb bliver mærket med et “+” eller et “-” afhænger af det andet punkt, som det er refereret til. Tag et kig på følgende kredsløb, hvor hvert hjørne af løkken er markeret med et nummer til reference:
Med kredsløbets kontinuitet afbrudt mellem punkt 2 og 3 er polariteten af spændingsfaldet mellem punkt 2 og 3 “+” for punkt 2 og “-” for punkt 3. Batteriets polaritet (1 “+” og 4 “-“) forsøger at skubbe strømmen gennem kredsløbet i urets retning fra 1 til 2 til 3 til 4 og tilbage til 1 igen. Lad os nu se, hvad der sker, hvis vi forbinder punkterne 2 og 3 sammen igen, men placerer en afbrydelse i kredsløbet mellem punkterne 3 og 4:
Med afbrydelsen mellem 3 og 4 er polariteten af spændingsfaldet mellem disse to punkter “-” for 4 og “+” for 3. Læg især mærke til, at punkt 3’s “fortegn” er modsat af det i det første eksempel, hvor bruddet var mellem punkt 2 og 3 (hvor punkt 3 var mærket med “-“). Det er umuligt for os at sige, at punkt 3 i dette kredsløb altid vil være enten “+” eller “-“, fordi polariteten, ligesom selve spændingen, ikke er specifik for et enkelt punkt, men altid er relativ mellem to punkter!
GENNEMGANG:
- Ladningsbærere kan motiveres til at strømme gennem en leder af den samme kraft, der manifesteres i statisk elektricitet.
- Spænding er et mål for den specifikke potentielle energi (potentiel energi pr. enhed ladning) mellem to steder. I lægmandstermer er det et mål for det “skub”, der er til rådighed for at motivere ladningen.
- Spænding, som et udtryk for potentiel energi, er altid relativ mellem to steder, eller punkter. Nogle gange kaldes det et spændings “fald”.
- Når en spændingskilde er tilsluttet et kredsløb, vil spændingen forårsage en ensartet strøm af ladningsbærere gennem dette kredsløb kaldet en strøm.
- I et enkelt kredsløb (én sløjfe) er strømstyrken i et hvilket som helst punkt den samme som strømstyrken i ethvert andet punkt.
- Hvis et kredsløb, der indeholder en spændingskilde, brydes, vil den fulde spænding fra denne kilde forekomme over punkterne ved bruddet.
- Den +/- orientering af et spændingsfald kaldes polariteten. Den er også relativ mellem to punkter.
RELATEREDE ARBEJDSBLADE:
- Arbejdsark for spænding, strøm og modstand