Grunnleggende ellære

Sammendrag

Strøm, spenning og resistans

All ellære bygger på tre grunnstørrelser. Strøm (symbol I) er mengden ladning som flyter forbi et punkt per sekund, og måles i ampere (A). Spenning (symbol U) er «trykket» som driver strømmen fram, og måles i volt (V). Resistans (symbol R) er motstanden mot strømmen i en leder eller komponent, og måles i ohm (Ω). En god sammenligning er vann i et rør: spenningen er trykket, strømmen er hvor mye vann som renner, og resistansen er hvor trangt røret er.

Ohms lov

Sammenhengen mellom de tre størrelsene beskrives av Ohms lov: U = R · I. Spenningen er altså lik resistansen ganget med strømmen. Formelen kan snus etter hva du skal finne: I = U / R og R = U / I. Har du to av størrelsene, kan du alltid regne ut den tredje. Eksempel: en motstand på 100 Ω med 0,5 A gjennom seg gir spenningsfallet U = 100 · 0,5 = 50 V.

Effekt

Effekt (symbol P) er hvor mye elektrisk energi som omsettes per sekund, og måles i watt (W). Grunnformelen er P = U · I. Ved hjelp av Ohms lov kan den også skrives P = R · I² og P = U² / R. Effekt forteller for eksempel hvor mye varme en komponent utvikler, eller hvor mye en lyspære bruker. Eksempel: 230 V og 0,26 A gir P = 230 · 0,26 ≈ 60 W.

Serie- og parallellkobling

Komponenter kan kobles på to grunnleggende måter. I en seriekobling er komponentene koblet etter hverandre. Da er strømmen den samme gjennom alle, mens spenningen deler seg. Total resistans blir summen: R_tot = R1 + R2 + R3 … I en parallellkobling er komponentene koblet ved siden av hverandre. Da er spenningen den samme over alle, mens strømmen deler seg. Total resistans regnes som 1/R_tot = 1/R1 + 1/R2 … og blir alltid mindre enn den minste motstanden. Kunnskap om dette er nøkkelen til å forstå og feilsøke kretser.

Likestrøm og vekselstrøm

Strøm finnes i to former. Likestrøm (DC) går alltid samme vei, slik som fra et batteri. Vekselstrøm (AC) skifter retning mange ganger i sekundet; i det norske strømnettet er spenningen 230 V og frekvensen 50 Hz, altså 50 svingninger per sekund. Elektroniske kretser bruker ofte likestrøm, mens boliger og anlegg forsynes med vekselstrøm.

Måling

Størrelsene måles med et multimeter. Spenning måles ved å koble instrumentet parallelt over komponenten, mens strøm måles i serie slik at strømmen går gjennom instrumentet. Resistans måles på en komponent uten spenning på. Å måle riktig og vurdere resultatet opp mot forventet verdi er en sentral ferdighet i faget.

Nøkkelbegreper

Strøm (I) Mengden elektrisk ladning som flyter per sekund. Måles i ampere (A). Spenning (U) Den elektriske «trykkforskjellen» som driver strømmen. Måles i volt (V). Resistans (R) Motstanden mot strøm i en komponent eller leder. Måles i ohm (Ω). Ohms lov Sammenhengen U = R · I. Kan snus til I = U/R og R = U/I. Effekt (P) Elektrisk energi omsatt per sekund. P = U · I, måles i watt (W). Seriekobling Komponenter etter hverandre. Lik strøm gjennom alle, spenningen deler seg, R_tot = R1 + R2 … Parallellkobling Komponenter ved siden av hverandre. Lik spenning over alle, strømmen deler seg, 1/R_tot = 1/R1 + 1/R2 … Likestrøm og vekselstrøm Likestrøm (DC) går én vei, som fra et batteri. Vekselstrøm (AC) skifter retning; nettet er 230 V og 50 Hz.

Oppgaver

1. Forklar sammenhengen mellom strøm, spenning og resistans med egne ord, og bruk Ohms lov til å regne ut spenningsfallet over en motstand på 220 Ω med 0,1 A gjennom seg.
2. To motstander på 100 Ω og 200 Ω kobles i serie. Regn ut total resistans, og forklar hva som skjer med strømmen og spenningen i kretsen.
3. Gjør rede for forskjellen på likestrøm og vekselstrøm, og gi eksempler på hvor hver av dem brukes.

Case med modellbesvarelse

Case. Du skal koble en LED-diode som tåler maks 20 mA (0,020 A) til en 5 V likespenningskilde. LED-en har et spenningsfall på 2 V når den lyser. Hvilken forkoblingsmotstand trenger du, og hvordan begrunner du valget? Modellbesvarelse. Analyse: LED-en tåler ikke å kobles rett på 5 V – da blir strømmen for stor og dioden ødelegges. Jeg trenger en motstand i serie som «bruker opp» resten av spenningen og begrenser strømmen. Beregning: Spenningen over motstanden blir kildespenningen minus spenningsfallet over LED-en: U_R = 5 V − 2 V = 3 V. Ønsket strøm er 0,020 A, og den er lik gjennom hele seriekretsen. Med Ohms lov: R = U_R / I = 3 / 0,020 = 150 Ω. Jeg velger nærmeste standardverdi som gir litt lavere strøm for sikkerhets skyld, for eksempel 150 Ω eller 180 Ω. Kontroll: Med 150 Ω blir strømmen I = 3 / 150 = 0,020 A = 20 mA, akkurat på grensa. Effekten i motstanden er P = U · I = 3 · 0,020 = 0,06 W, så en vanlig 0,25 W-motstand holder godt. Faglig begrunnelse: Jeg bruker at strømmen er lik i en seriekobling, og at spenningen deler seg mellom komponentene. Ohms lov gir riktig motstandsverdi, og effektberegningen sikrer at motstanden ikke blir for varm. Kobling til kompetansemålene: Jeg beregner strøm, spenning og resistans i en likestrømskrets, velger riktig komponent og vurderer resultatet mot forventet verdi.

Dette kapittelet dekker

• beregne strøm, spenning, resistans og effekt i likestrømskretser
• gjøre rede for forskjellen på serie- og parallellkobling og på like- og vekselstrøm
• velge og bruke egnede instrumenter for å utføre målinger og vurdere måleresultatet opp mot forventede verdier