Introduktion till elektronik, del 1

I detta inlägg går Jack-Benny Persson från Cyberinfo Sverige igenom grundläggande ellära. Inlägget är det första i en serie där vi kommer att gå igenom ellära och vanliga komponenter.

Att skapa egna elektroniska prylar med Arduino och Raspberry Pi har blivit väldigt populärt. Och det är kanske inte så konstigt egentligen, för tack vare dessa små enheter kan vi nu själva skapa egna prylar, som dessutom går att koppla upp mot Internet. Och vad är väl inte roligare än att skapa något med sina egna händer och fantasi?

Men för att få ut det mesta av sitt skapande kan det vara en god idé att ha koll på grundläggande elektronik och ellära.

I denna första del av serien om elektronik kommer vi tillsammans att gå igenom grundläggande ellära och Ohms lag.

Ellära

Det finns en rad olika storheter och begrepp när det kommer till elektricitet som ligger till grund för allt inom el och elektronik. Förstår man dessa begrepp har man kommit mycket långt i sin förståelse för elektroniken och elen.

Spänning

Spänning mäts i storheten volt och benämns U på kopplingsscheman och i formler. Bokstaven U kommer från det tyska ordet unterschied som betyder skillnad. Att man använder ordet skillnad för att beteckna spänning har en logisk förklaring. Det är nämligen så att spänningen är just skillnaden mellan pluspolen och minuspolen (eller fas och neutral om vi talar om elen i våra hus). Spänningen i ett bilbatteri ligger på runt 12 volt, och detta menas just med att skillnaden mellan pluspolen och minuspolen är 12 volt. Spänningen i eluttagen i våra hushåll i Sverige är 230 volt. Ett vanligt AA-batteri är på 1,5 volt.

Skillnaden som vi talar om här är skillnaden i elektroner. Ena sidan av batteriet har ett underskott av elektroner medan den andra sidan har ett överskott av elektroner. Naturen vill alltid jämna ut denna skillnaden. Man brukar jämföra skillnaden i elektroner med skillnaden i vattennivån mellan två hinkar. När skillnaden är stor, det vill säga när den ena hinken är full och den andra är tom, kan vattnet flöda från den fulla hinken till den tomma i en slang. Men efterhand som skillnaden minskar kommer allt mindre vatten att flöda mellan hinkarna. Skillnad har jämnats ut.

Skillnaden i vattennivån mellan två hinkar. När skillnaden är stor kan vattnet flöda från den vänstra till den högra hinken. Efterhand som nivåskillnaden minskar flödar allt mindre vatten.
Skillnaden i vattennivån mellan två hinkar. När skillnaden är stor kan vattnet flöda från den vänstra till den högra hinken. Efterhand som nivåskillnaden minskar flödar allt mindre vatten.

Kopplar du in till exempel en lampa på enbart pluspolen kommer den inte att lysa. Kom ihåg att spänningen är skillnaden mellan pluspolen och minuspolen. Kopplar du in enbart pluspolen till lampan så nyttjas inte skillnaden och ingenting händer. Men så fort du kopplar in även minuspolen till lampan så händer det saker. Nu kommer elektronerna att flöda från pluspolen, genom lampan och vidare till minuspolen (se fotnot). Lampan tänds och en ström har uppstått.

När elektronerna har flödat tillräckligt länge börjar skillnaden i elektronerna mellan plus- och minuspolen att jämnas ut vilket leder till att skillnaden, alltså spänningen, minskar. Detta i sin tur gör att lampan lyser svagare. Efter ett tag tar spänningen helt slut och ingen ström kan längre flöda i kretsen. Batteriet är slut.

När skillnaden i elektroner (-) är stor kommer en ström bildas när kretsen sluts. När skillnaden upphör (lika många på varje sida) slutar lampan att lysa.
När skillnaden i elektroner (-) är stor kommer en ström bildas när kretsen sluts. När skillnaden upphör (lika många på varje sida) slutar lampan att lysa.

Ström

När en elektrisk krets är sluten flödar det en ström i kretsen (se ovan) av elektroner. Hela tiden som kretsen är sluten fortsätter dessa elektroner att flöda från plus- till minuspolen och skillnaden (spänningen) sjunker hela tiden. När spänningen (skillnaden) är helt slut, upphör även strömmen att flöda.

Ström mäts i ampere och betecknas I på kopplingsscheman och i formler. Bokstaven I kommer från franskans intensité de courant vilket betyder ungefär current intensity vilket i sin tur kan översättas till strömmens intensitet. Och det är precis som det vi mäter i ampere, alltså styrkan eller intensiteten på strömmen som flödar i kretsen. Så fort kretsen bryts så upphör strömmen att flöda. Det finns bara ström i kretsen så länge kretsen är sluten och elektronerna kan flöda.

Resistans

Nästan allt vi kopplar in i våra kretsar har någon form av elektrisk resistans. Till och med våra kablar vi använder har en viss resistans, om än relativt lite. Glödlampan vi kopplar in har en relativt stor resistans i jämförelse med kabeln. Detta beror på att tråden som går inuti glödlampan är så mycket tunnare än själva kabeln som går fram till lampan. Det är också just därför som glödlampan lyser men inte kabeln. Det är jobbigt och tungt för strömmen att passera genom den tunna tråden. Det är så jobbigt att tråden inuti glödlampan nästan brinner upp, den börjar glöda och blir varm. Detsamma kommer att hända om vi har en alltför tunn kabel, den kommer då också att börja glöda och bli varm. Ju större motståndet är desto mindre ström kan passera genom det.

Det finns också specifika komponenter vi kan använda för att skapa motstånd i kretsen. Dessa motstånd kallas resistorer.

Det elektriska motståndet mäts i ohm och betecknas med omega-symbolen Ω. På kopplingsscheman och i formler betecknas resistans med R, kort och gott för resistans.

Ohms lag

Ohms lag är döpt efter den tyske fysikern Georg Ohm och beskriver förhållandet mellan de elektriska storheterna spänning, ström och resistans. Formeln för Ohms lag är U = I × R. Med lite algebra kan vi alltså räkna fram den tredje storheten ifall vi vet de andra två. Exempelvis om vi vet vad spänningen och resistansen är så kan vi räkna fram strömmen. Vet vi vad strömmen och spänningen är så kan vi räkna fram resistansen, och så vidare. Formlerna för Ohms lag visas här nedanför.

Ohms lag
Ohms lag

En enkel laboration

Jag har en nätadapter på 9 volt och en resistor på 220 ohm. Enligt Ohms lag kan vi räkna fram strömmen i kretsen genom att ta 9/220 vilket blir 0,04 ampere vilket är 40 milliampere. Så vi testar att koppla upp kretsen enligt nedan och kopplar en multimeter i kretsen för att mäta strömmen.

Laborationen vi ska utföra
Laborationen vi ska utföra

När jag kopplat in min multimeter visar den på 41,9 milliampere, alltså ca 2 milliampere fel. Det är en helt ok felmarginal och vi ser ändå att Ohms lag faktiskt fungerar. Att inte mätresultaten stämmer helt överens med teorin beror på att det finns en viss felmarginal i både resistorn och i nätaggregatet.

41,9 milliampere i kretsen
41,9 milliampere i kretsen

Vi tar därför och kontrollerar hur det ser ut med spänningen och motståndet i kretsen. Vi börjar med att kontrollmäta spänningen från nätaggregatet vilket visar på 9,32 volt. Därefter kontrollerar vi motståndet vilket visar på 215,4 ohm.

9,32 volt ger nätaggregatet
9,32 volt ger nätaggregatet
215,4 ohm är motståndet i resistorn
215,4 ohm är motståndet i resistorn

Nu när vi vet de faktiska värdena för komponenterna gör vi en ny uträkning för att dubbelkolla våra resultat. Nu har vi istället 9.32/215.4 = 0.043 vilket är 43 milliampere. Nu är felmarginalen mindre, endast ca 1 milliampere fel (uppmätt 42 mA mot uträknat 43 mA) genomfört mot tidigare på ca 2 milliampere (uppmätt 42 mA mot uträknat 40 mA). Den resterande milliamperen beror troligen på noggrannheten i min multimeter, tillsammans med resistansen i kablar m.m. Det är svårt att få en multimeter att mäta så exakt ner på milliamperen.

Men trots felmarginalen på 1 milliampere ser vi klart och tydligt att vi kunde räkna fram strömmen genom att vi på förhand visste spänningen och resistansen. Det är detta som är Ohms lag; förhållandet mellan spänning, ström och resistans.

Resistorn som användes i labben. Guldbandet betyder 5% felmarginal.
Resistorn som användes i labben. Guldbandet betyder 5% felmarginal.

Summering

Nu har vi gått igenom grunderna för ellära och elektronik. Vi har lärt oss vad spänning, ström och resistans faktiskt är för någonting. Vi har också sett hur man kan räkna fram den tredje storheten om vi vet de andra två. Vi har fått se en laboration med en enkel krets där vi på förhand hade räknat fram strömmen. Nu är det dags att gå vidare att utforska elektroniken i nästa del.


Fotnot (strömmens riktning)

Rent tekniskt är det minuspolen som har ett överskott på elektroner och strömmen kommer att flöda från minuspolen till pluspolen i ett batteri. Men man brukar dock alltid säga att det är från plus- till minuspolen som strömmen flödar för enkelhetens skull (detta kallas ibland ”den konventionella riktningen”). Detta gör man eftersom det inte är helt säkert att det faktiskt är från minuspolen till pluspolen strömmen flödar. Positivt laddade elektroner (positroner) som rör sig från plus till minus, eller negativt laddade elektroner som rör sig från minus- till pluspolen är matematiskt samma sak (två minus tar ut varandra). I 99% av fallen behöver vi inte bry om oss den egentliga riktningen på elektronerna, och därför har man kommit överens om man normalt talar om strömmens riktning från plus- till minuspolen.

Kommentera