Elektriska kretsar
En elektrisk krets är en typ av anslutning som innehåller olika komponenter. Det är vanligt att en krets innehåller till exempel ett motstånd och strömkälla. Ett vanligt exempel på ström/spänningskälla är ett batteri.
Elektriska kretsar förekommer mycket i fysik 1 och byggs sedan på för att bli mer avancerade till fysik 2.
Ett kretsschema är en sammansättning med komponenter som hålls ihop via en ledare. Från spänningskällan går en ström i syfte att aktivera olika komponenter, exempelvis tända en lampa! Strömmens riktning är definierad som positiv ut ur pluspolen från batteriet och går runt kretsen åter in i batteriets minuspol. Sanningen är att elektronerna rör sig som bekant från låg till högre potential, men innan man visste om detta så hade strömmens riktning redan etablerat sig…lite jobbigt för oss i efterhand, men det är bara att gilla läget.
Komponenter i serie - seriekoppling
När en krets har komponenter som ligger ”efter” varandra så går samma ström igenom alla komponenter, men de får dela på spänningen från spänningskällan. Bilden på kretsschemat nedan representerar komponenter i serie.
Ett vardagligt exempel på seriekoppling är en ljusslinga på en julgran, där ligger alla ljus kopplade efter varandra och stänger man av ett ljus så stryps strömmen i hela kretsen.
Komponenter i parallellkoppling
När komponenterna i en krets parallellkopplas så ligger dem bredvid varandra snarare än efter. I detta fall så kommer komponenterna att ha samma spänning över sig, men dela ström. Det är alltså motsatsen mot seriekoppling! Hur strömmen fördelar sig beskrivs bland annat av strömfördelningslagen i avsnittet nedan.
En av fördelarna med parallellkoppling är att om någon komponent går sönder så forsätter de andra att fungera.
Nedan går vi igenom de olika komponenterna som brukar finnas i ett kretsschema. Tabellen visar en snabb sammanfattning av dessa!
Komponenter i en krets
Spänningskälla
Exempelvis ett batteri som levererar spänning till en elektrisk krets. Man kan se det som det som tillför ”kraft” till kretsen.
Symbolen för en spänningskälla är ….. och eftersom det är spänning U så är enheten Volt [V].
Ibland finns det en inre resistans hos spänningskällan, $R_i$, ibland också kallat för utgångsimpedans. Denna medför att trots att batteriet är anslutet till den elektriska kretsen så kan det fortfarande inte leverera hela sin spänning. Det beror på att spänningen från batteriet delas mellan den inre resistansen och övriga komponenters resistans.
En ideal spänningskälla saknar inre resistans. En krets som saknar spänningskälla har ingen ström, förutsatt att det inte heller finns en kondensator inkopplad. Det spelar egentligen ingen roll om kretsen är sluten eller bruten, saknas det spänningskälla $\Rightarrow$ saknas ström.
EMK – Elektromotorisk spänning/kraft är den spänning som en spänningskälla kan leverera i obelastat tillstånd. Obelastat tillstånd innebär att det inte dras någon ström ur batteriet.
Du kan läsa mer om EMK / EMS i denna artikel. (https://www.pluggie.se/uppgiftsbanken/fysik/fysik-2/fy2-ems-emk-elektromotorisk-kraft/teori/)
Polspänning är den kvarvarande, aktiva spänningen som finns i batteriet när det är belastat. Vi behöver i detta fall också inkludera komponentens inre resistans. Formeln för polspänning är
Där $\varepsilon$ är EMK/EMS, $R_i$ inre resistans och I är strömmen. Flera spänningskällor kommer att adderas ihop om de ligger så att dess poler sammanfaller, enkelt förklarat så har de + pol i samma riktning i din krets. Om dessa skulle ha + poler som ligger mot varandra så tar spänningarna ut varandra och en resultant skapas.
Resistorer
Resistorer är synonymt med motstånd i kretsen, dessa har i uppgift att hindra elektronernas rörelse framåt. Hur bra en resistor är på att utföra detta mäts i $\Omega$, ju större $\Omega$ en resistor har desto bättre är den på att bromsa ström. Enligt Ohms lag vet vi ju formeln för en resistor är
Motstånd är oberoende av ström, spänning eller temperatur. I stället kan komponentens förmåga att stoppa elektroner bestämmas genom andra materialspecifika faktorer. Resistansen hos en resistor kan beräknas med
Där R=resistans I Ohm, [$\Omega$], längden l och tvärsnittsarean hos komponenten.
Man kan alltid ersätta två eller fler motstånd med ett en ekvivalent ersättningsresistans. Detta är väldigt användbart när man vill reducera en sluten elektrisk krets för att kunna beräkna spänningen i hela kretsen.
För flera motstånd i serie så blir ersättningsresistansen $R = R_1 + R_2$
För flera motstånd i parallellkoppling blir dess ersättningsresistans $\frac{1}{R}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}$
Se kretsschemat nedan för lite mer klarhet hur man beräknar en ersättningsresistans.
Resistorer i verkligheten har även en färgkod för att på plats kunna avgöra dess resistans. Här kommer ett schema.
Om vi kollar på vårt exempel nedan.
Så ser vi att den gröna(5) och gula(4) tillsammans bildar talet 54. Dess multiplikator, den bruna (x10) gör att vi multiplicerar $54 \cdot 10 = 540 \Omega$ med toleransen som beskriver avvikelsen, blå (\pm 25%).
Kondensatorer och kapacitans
En kondensator är som ett uppladdningsbart batteri. Det är en komponent som har förmågan att lagra laddning med hjälp av ström och dess förmåga att lagra laddning kallas för kapacitans.
Laddningsmängden i en kondensator är proportionell mot spänningen över den.
Där Q är laddning [J], C är kapacitansen i Farad [F] och U spänning [V].
Att beräkna seriekopplade kondensatorer görs på samma sätt som parallellkopplade resistorer.
$\frac{1}{C}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}$ för kondensatorer i serie.
Medan parallellkopplade kondensatorer är som seriekopplade resistorer. $C=C_1 + C_2$
Ha det som minnesregel att det är ”som resistorer fast omvänt”.
Strömbrytare
En strömbrytare känner de flesta till, det vanliga i hemmet är typ en lampknapp eller liknande. Det är helt enkelt något som stänger av strömmen, men hur funkar det?
Jo, för att det ska kunna gå en ström genom en krets måste den vara sluten. Det är anledningen till att vi i fysik 1 och 2 nästan alltid arbetar med slutna kretsar.
En sluten krets $\Rightarrow$ ström
En bruten krets $\Rightarrow$ ingen ström
Och det är det som händer när vi trycker på lampknappen, vi byter läge mellan att sluta och bryta kretsen.
Strömmen har ett visst tidsförlopp, även om det går väldigt fort så tar det tid för en ström att röra sig genom en krets. Omedelbart efter att kretsen sluts så har inte strömmen hunnit etablera sig, och det finns alltså ingen ström i kretsen.
Strömdelningslagen, Kirchoffs lag
Hur strömmar delar sig i olika kretsar beskrivs av en av Kirchoffs lagar. Om man zoomar in på en specifik punkt, eller nod så säger lagen att
Kika på exemplet i figuren
Spole
En spole eller induktor är en lite mer avancerad komponent som fungerar ungefär som ett motstånd, mest för växelström men även likström. Man använder den ofta när man vill jämna ut en ström för att undvika överbelastning och skada komponenter. Den är alltså som en motsatt variant av kondensatorn – Ju högre strömmen är, desto mer bromsas den.
Spolen skapar en egen form av motspänning, elektromotorisk kraft – EMK som vi kan beräkna med $U = -L \frac{di}{dt}$ där L är spolens induktans.