Som tidigare nämnts behöver vi mer än bara en kontinuerlig väg (dvs. en krets) för att ett kontinuerligt flöde av laddning ska uppstå: vi behöver också något sätt att driva dessa laddningsbärare runt i kretsen. Precis som kulor i ett rör eller vatten i ett rör krävs det någon form av påverkande kraft för att initiera flödet. När det gäller elektroner är denna kraft samma kraft som verkar i statisk elektricitet: den kraft som produceras av en obalans av elektrisk laddning. Om vi tar exemplen med vax och ull som har gnuggats mot varandra finner vi att överskottet av elektroner i vaxet (negativ laddning) och underskottet av elektroner i ullen (positiv laddning) skapar en obalans av laddning mellan dem. Denna obalans manifesterar sig som en attraktionskraft mellan de två objekten:
Om en ledande tråd placeras mellan det laddade vaxet och ullen kommer elektroner att flöda genom den, eftersom en del av överskottselektronerna i vaxet rusar genom tråden för att komma tillbaka till ullen och fylla på bristen på elektroner där:
Obalansen av elektroner mellan atomerna i vaxet och atomerna i ullen skapar en kraft mellan de två materialen. Eftersom det inte finns någon väg för elektronerna att flöda från vaxet till ullen är allt denna kraft kan göra att dra de två objekten till varandra. Nu när en ledare överbryggar isoleringsgapet kommer kraften dock att få elektronerna att strömma i en jämn riktning genom tråden, om än bara tillfälligt, tills laddningen i det området neutraliseras och kraften mellan vaxet och ullen avtar. Den elektriska laddning som bildas mellan dessa två material genom att gnugga dem mot varandra tjänar till att lagra en viss mängd energi. Denna energi är inte olik den energi som lagras i en hög reservoar med vatten som har pumpats från en damm på lägre nivå:
Tyngdkraftens påverkan på vattnet i reservoaren skapar en kraft som försöker förflytta vattnet ner till den lägre nivån igen. Om ett lämpligt rör dras från reservoaren tillbaka till dammen kommer vattnet att strömma under inflytande av gravitationen ner från reservoaren, genom röret:
Det krävs energi för att pumpa detta vatten från dammen på låg nivå till reservoaren på hög nivå, och vattnets förflyttning genom rören tillbaka ner till sin ursprungliga nivå utgör ett frigörande av den energi som lagrats från den tidigare pumpningen. Om vattnet pumpas upp till en ännu högre nivå kommer det att ta ännu mer energi att göra det, och därmed kommer mer energi att lagras och mer energi att frigöras om vattnet tillåts strömma genom ett rör tillbaka ner igen:
Elektroner är inte mycket annorlunda. Om vi gnider vax och ull mot varandra ”pumpar” vi bort elektroner från deras normala ”nivåer”, vilket skapar ett tillstånd där det finns en kraft mellan vaxet och ullen, eftersom elektronerna försöker återupprätta sina tidigare positioner (och balansen inom sina respektive atomer). Den kraft som lockar elektronerna tillbaka till sina ursprungliga positioner runt de positiva atomkärnorna i deras atomer motsvarar den kraft som gravitationen utövar på vattnet i reservoaren och som försöker dra ner det till sin tidigare nivå. På samma sätt som pumpning av vatten till en högre nivå resulterar i att energi lagras, resulterar ”pumpning” av elektroner för att skapa en obalans i den elektriska laddningen i att en viss mängd energi lagras i denna obalans. Och på samma sätt som att tillhandahålla ett sätt för vatten att strömma tillbaka ner från reservoarens höjd leder till att den lagrade energin frigörs, leder tillhandahållandet av ett sätt för elektroner att strömma tillbaka till sina ursprungliga ”nivåer” till att den lagrade energin frigörs. När laddningsbärarna befinner sig i detta statiska tillstånd (precis som vatten som sitter stilla, högt upp i en reservoar) kallas den energi som finns lagrad där för potentiell energi, eftersom den har en möjlighet (potential) att frigöras som ännu inte har förverkligats fullt ut.
Förståelse av spänningsbegreppet
När laddningsbärarna befinner sig i detta statiska tillstånd (precis som vatten som sitter stilla, högt upp i en reservoar) kallas den energi som finns lagrad där för potentiell energi, eftersom den har en möjlighet (potential) att frigöras som ännu inte har förverkligats fullt ut. När du skrapar dina gummisulor mot en tygmatta en torr dag skapar du en obalans av elektrisk laddning mellan dig själv och mattan. När du skrapar dina fötter lagrar du energi i form av en obalans av laddningar som tvingas bort från sina ursprungliga platser. Denna laddning (statisk elektricitet) är stationär, och du kommer inte att inse att energi lagras överhuvudtaget. Men när du placerar handen mot ett dörrhandtag av metall (med mycket elektronrörlighet för att neutralisera din elektriska laddning) kommer den lagrade energin att frigöras i form av ett plötsligt flöde av laddning genom din hand, och du kommer att uppfatta det som en elektrisk chock! Denna potentiella energi, som är lagrad i form av en obalans av elektrisk laddning och som kan provocera laddningsbärare att flöda genom en ledare, kan uttryckas som ett begrepp som kallas spänning, som tekniskt sett är ett mått på potentiell energi per laddningsenhet, eller något som en fysiker skulle kalla specifik potentiell energi.
Definitionen av spänning
Definierad i sammanhanget med statisk elektricitet är spänningen måttet på det arbete som krävs för att förflytta en enhetsladdning från en plats till en annan, mot den kraft som försöker hålla elektriska laddningar i balans. I samband med elektriska kraftkällor är spänning den mängd potentiell energi som är tillgänglig (arbete som ska utföras) per laddningsenhet, för att flytta laddningar genom en ledare.Eftersom spänning är ett uttryck för potentiell energi, som representerar möjligheten eller potentialen för energiavgivning när laddningen rör sig från en ”nivå” till en annan, är den alltid refererad mellan två punkter. Tänk på analogin med vattenreservoaren:
På grund av skillnaden i fallhöjd finns det en potential för att mycket mer energi ska frigöras från reservoaren genom ledningen till plats 2 än till plats 1. Principen kan förstås intuitivt när man släpper en sten: vilket ger ett kraftigare nedslag, en sten som släpps från en meters höjd eller samma sten som släpps från en kilometers höjd? Det är uppenbart att ett fall från större höjd leder till att mer energi frigörs (ett våldsammare nedslag). Vi kan inte bedöma mängden lagrad energi i en vattenreservoar bara genom att mäta vattenvolymen, lika lite som vi kan förutsäga hur hårt en fallande sten kommer att slå genom att bara känna till stenens vikt: i båda fallen måste vi också ta hänsyn till hur långt dessa massor kommer att falla från sin utgångshöjd. Den energimängd som frigörs genom att låta en massa falla är relativ till avståndet mellan dess start- och slutpunkt. På samma sätt är den potentiella energi som finns tillgänglig för att flytta laddningsbärare från en punkt till en annan relativ till dessa två punkter. Därför uttrycks spänning alltid som en kvantitet mellan två punkter. Intressant nog är analogin med en massa som potentiellt ”faller” från en höjd till en annan en så passande modell att spänning mellan två punkter ibland kallas spänningsfall.
Generering av spänning
Spänning kan genereras på annat sätt än genom att gnugga vissa typer av material mot varandra. Kemiska reaktioner, strålningsenergi och magnetismens påverkan på ledare är några sätt på vilka spänning kan produceras. Exempel på dessa tre spänningskällor är batterier, solceller och generatorer (t.ex. generatorn under motorhuven på din bil). För tillfället kommer vi inte att gå in i detalj på hur var och en av dessa spänningskällor fungerar – viktigare är att vi förstår hur spänningskällor kan användas för att skapa ett laddningsflöde i en elektrisk krets. Låt oss ta symbolen för ett kemiskt batteri och bygga en krets steg för steg:
Hur fungerar spänningskällor?
Alla spänningskällor, inklusive batterier, har två punkter för elektrisk kontakt. I det här fallet har vi punkt 1 och punkt 2 i diagrammet ovan. De horisontella linjerna av varierande längd visar att detta är ett batteri, och de visar vidare i vilken riktning detta batteris spänning kommer att försöka driva laddningsbärare genom en krets. Det faktum att de horisontella linjerna i batterisymbolen verkar separerade (och därmed inte kan fungera som en väg för laddningsflödet) är ingen anledning till oro: i verkligheten representerar dessa horisontella linjer metallplattor som är nedsänkta i en vätska eller ett halvfast material som inte bara leder laddningar utan också genererar spänningen för att skjuta dem framåt genom att interagera med plattorna. Lägg märke till de små tecknen ”+” och ”-” omedelbart till vänster om batterisymbolen. Batteriets negativa (-) ände är alltid den med det kortaste strecket, och batteriets positiva (+) ände är alltid den med det längsta strecket. Den positiva änden av ett batteri är den ände som försöker trycka ut laddningsbärare ur det (kom ihåg att vi enligt konvention tänker på laddningsbärare som positivt laddade, även om elektroner är negativt laddade). På samma sätt är den negativa änden den ände som försöker dra till sig laddningsbärarna. Om batteriets ”+”- och ”-”-ändar inte är anslutna till något kommer det att finnas spänning mellan dessa två punkter, men det kommer inte att finnas något laddningsflöde genom batteriet eftersom det inte finns någon kontinuerlig väg genom vilken laddningsbärarna kan röra sig.
Samma princip gäller för analogin med vattenreservoaren och pumpen: utan ett returrör tillbaka till dammen kan den lagrade energin i reservoaren inte frigöras i form av vattenflöde. När reservoaren är helt fylld kan inget flöde uppstå, oavsett hur mycket tryck pumpen kan generera. Det måste finnas en fullständig väg (krets) för vattnet att flöda från dammen till reservoaren och tillbaka till dammen för att ett kontinuerligt flöde ska kunna uppstå. Vi kan skapa en sådan väg för batteriet genom att ansluta en bit tråd från batteriets ena ände till den andra. Genom att bilda en krets med en trådslinga kommer vi att initiera ett kontinuerligt flöde av laddning i riktning medurs:
Förstå begreppet elektrisk ström
Så länge som batteriet fortsätter att producera spänning och kontinuiteten i den elektriska banan inte bryts, kommer laddningsbärare att fortsätta att flöda i kretsen. Enligt metaforen för vatten som rör sig genom ett rör kallas detta kontinuerliga, jämna flöde av laddningsbärare genom kretsen för en ström. Så länge spänningskällan fortsätter att ”trycka” i samma riktning kommer laddningsbärarna att fortsätta att röra sig i samma riktning i kretsen. Detta strömflöde i en enda riktning kallas likström. I den andra delen av denna bokserie utforskas elektriska kretsar där strömriktningen växlar fram och tillbaka: Växelström eller AC (Alternating Current). Men för tillfället ska vi bara ägna oss åt likströmskretsar. Eftersom elektrisk ström består av enskilda laddningsbärare som flyter i samklang genom en ledare genom att röra sig med och trycka på laddningsbärarna framför, precis som kulor genom ett rör eller vatten genom ett rör, kommer flödesmängden genom en enskild krets att vara densamma i varje punkt. Om vi skulle övervaka ett tvärsnitt av ledningen i en enskild krets och räkna de laddningsbärare som flödar förbi, skulle vi märka exakt samma mängd per tidsenhet som i varje annan del av kretsen, oavsett ledarlängd eller ledardiameter. Om vi bryter kretsens kontinuitet i någon punkt kommer den elektriska strömmen att upphöra i hela slingan, och den fulla spänning som produceras av batteriet kommer att manifesteras över brytningen, mellan de trådändar som tidigare var anslutna:
Vad är polariteten på ett spänningsfall?
Bemärk de ”+”- och ”-”-tecken som ritats in vid ändarna av avbrottet i kretsen, och hur de motsvarar ”+”- och ”-”-tecknen bredvid batteripolerna. Dessa markeringar visar i vilken riktning spänningen försöker driva strömmen, den potentiella riktning som vanligen kallas polaritet. Kom ihåg att spänningen alltid är relativ mellan två punkter. På grund av detta faktum är polariteten hos ett spänningsfall också relativ mellan två punkter: huruvida en punkt i en krets märks med ett ”+” eller ett ”-” beror på den andra punkt som den refereras till. Ta en titt på följande krets, där varje hörn av slingan är markerat med ett nummer som referens:
Då kretsens kontinuitet är bruten mellan punkterna 2 och 3, är polariteten för spänningen som faller mellan punkterna 2 och 3 ”+” för punkt 2 och ”-” för punkt 3. Batteriets polaritet (1 ”+” och 4 ”-”) försöker driva strömmen genom slingan medurs från 1 till 2 till 3 till 4 och tillbaka till 1 igen. Låt oss nu se vad som händer om vi kopplar ihop punkterna 2 och 3 igen, men placerar ett avbrott i kretsen mellan punkterna 3 och 4:
Med avbrottet mellan 3 och 4 är polariteten på spänningsfallet mellan dessa två punkter ”-” för 4 och ”+” för 3. Lägg särskilt märke till att punkt 3:s ”tecken” är motsatt det i det första exemplet, där avbrottet var mellan punkterna 2 och 3 (där punkt 3 var märkt ”-”). Det är omöjligt för oss att säga att punkt 3 i denna krets alltid kommer att vara antingen ”+” eller ”-”, eftersom polariteten, liksom själva spänningen, inte är specifik för en enskild punkt, utan alltid är relativ mellan två punkter!
ÖVERSIKTIGHET:
- Laddningsbärare kan motiveras att flöda genom en ledare av samma kraft som manifesteras i statisk elektricitet.
- Spänningen är måttet på den specifika potentiella energin (potentiell energi per enhet laddning) mellan två platser. I lekmannatermer är det måttet på den ”knuff” som finns tillgänglig för att motivera laddningen.
- Spänningen, som ett uttryck för potentiell energi, är alltid relativ mellan två platser, eller punkter. Ibland kallas det för ett spänningsfall.
- När en spänningskälla är ansluten till en krets kommer spänningen att orsaka ett jämnt flöde av laddningsbärare genom kretsen som kallas ström.
- I en enkel (en slinga) krets är strömmen i varje punkt lika stor som strömmen i varje annan punkt.
- Om en krets som innehåller en spänningskälla bryts kommer hela spänningen från denna källa att synas över de punkter där brottet sker.
- Den +/- orienteringen av ett spänningsfall kallas polaritet. Den är också relativ mellan två punkter.
Relaterade arbetsblad:
- Arbetsblad för spänning, ström och motstånd
.