Ström och spänning
Sätt ett batteri i en ficklampa och lampan tänds. Något rör sig genom sladdarna och gör att lampan lyser, och det är den elektriska strömmen. Batteriet är det som sätter rörelsen i rullning, och det som driver den kallas spänning. Ström och spänning låter lika men är inte samma sak: spänningen är drivkraften, strömmen är det som faktiskt flödar.
Strömmen anger hur mycket laddning, i en vanlig sladd elektroner, som passerar en punkt varje sekund. Den mäts i ampere (A). Spänningen är energin per laddning, alltså hur mycket energi laddningarna får av batteriet eller väggkontakten, och den mäts i volt (V). Ett vanligt AA-batteri ger cirka 1,5 V, ett svenskt vägguttag ger 230 V. Ju högre spänning, desto mer energi tar varje laddning med sig genom kretsen.
Vattenmodellen gör det lättare att hålla isär dem. Tänk på batteriet som en pump som skapar ett tryck i ett slutet rörsystem. Trycket motsvarar spänningen, och vattnet som faktiskt flödar motsvarar strömmen. En smal slang bromsar flödet även om trycket är högt, precis som kretsens motstånd bestämmer hur stor strömmen blir vid en given spänning. Modellen brister om du tänker dig att vatten läcker ut ur rören på vägen, i en sluten elektrisk krets försvinner ingen laddning.
Ett batteri ger ungefär en bestämd spänning, men strömmen som faktiskt flyter beror på vad som är kopplat in. Strömmen är också lika stor i varje punkt av en enkel seriekrets: det är energin som omvandlas till ljus och värme i lampan, aldrig laddningen som försvinner på vägen.
För att mäta ström kopplar du en amperemeter i serie, rakt i vägen för laddningarna, så att allt flödar genom mätaren. För att mäta spänning kopplar du en voltmeter parallellt, över komponenten du vill undersöka, utan att bryta kretsen. Kopplar du dem fel kan du kortsluta kretsen eller skada instrumentet, så håll isär de två innan du mäter.
Det här lär du dig
- Förklara vad elektrisk ström är och att den mäts i ampere
- Förklara vad elektrisk spänning är och att den mäts i volt
- Använda vattenmodellen för att skilja ström och spänning åt, och känna igen dess begränsningar
- Mäta ström med amperemeter kopplad i serie och spänning med voltmeter kopplad parallellt
- Förklara varför strömmen är lika stor överallt i en seriekrets
Begrepp att kunna
- Elektrisk ström
- Hur mycket laddning, i metaller elektroner, som passerar en punkt i en krets varje sekund. Mäts i ampere (A), där 1 A = 1 C/s.
- Elektrisk spänning
- Energi per laddning, till exempel hur mycket energi laddningarna får av ett batteri. Mäts i volt (V), där 1 V = 1 J/C.
- Amperemeter
- Ett instrument som mäter ström. Kopplas alltid i serie så att hela strömmen tvingas gå genom mätaren.
- Voltmeter
- Ett instrument som mäter spänning mellan två punkter. Kopplas alltid parallellt, utan att bryta kretsen.
- Vattenmodellen
- En jämförelse där spänning motsvarar vattentryck och ström motsvarar vattenflöde. Hjälper till att förstå grunderna, men laddning kan inte läcka bort som vatten kan.
Vanliga svårigheter
Väntar sig samma ström oavsett vad som kopplas in
Ett batteri håller ungefär en bestämd spänning, men strömmen som flyter beror på vad som är kopplat in. En tunn glödtråd släpper igenom mindre ström än en tjock, trots att batteriet och dess spänning är exakt samma. Det är kretsens motstånd, inte bara batteriet, som avgör hur stor strömmen blir.
Tänker sig att laddningen minskar efter lampan
Eleven tänker sig att färre laddningar kommer ut ur lampan än det gick in. I en seriekrets är strömmen lika stor i varje punkt, före, i och efter lampan. Det som minskar är laddningarnas energi, den omvandlas till ljus och värme, medan själva laddningsflödet aldrig minskar på vägen.
Kopplar amperemetern parallellt eller voltmetern i serie
En amperemeter har nästan inget motstånd och måste sitta i vägen för strömmen, i serie, för att mäta allt som flödar förbi. En voltmeter har mycket högt motstånd och ska sitta vid sidan om, parallellt över komponenten, för att mäta energiskillnaden per laddning utan att stoppa strömmen. Byter du plats på dem riskerar du att kortsluta kretsen eller skada mätaren.
Vanliga missuppfattningar
- Batteriet ger alltid samma ström. Eleven tror att ett batteri levererar samma ström oavsett vad som kopplas in. Batteriet ger (ungefär) en bestämd spänning; strömmen beror på kretsens resistans.
- Strömmen förbrukas i lampan. Eleven tror att strömmen blir mindre efter en lampa eller ett motstånd. I en seriekoppling är strömmen lika stor överallt; det är energi, inte laddning, som omvandlas.
I verkligheten
En snabbladdare till mobilen är märkt 5 V, 3 A, medan en gammal laddare är märkt 5 V, 1 A
Spänningen är samma hos båda, så varje laddning bär lika mycket energi. Snabbladdaren kan däremot skicka fler laddningar per sekund, en högre ström, och levererar därför mer energi per sekund till batteriet. Det är därför telefonen laddas snabbare med den.
Sätter du fyra AA-batterier i serie i en leksak i stället för ett enda kan lampan gå sönder
Fyra batterier i serie ger ungefär 6 V i stället för 1,5 V, alltså fyra gånger mer energi per laddning. Det driver en mycket större ström genom den tunna glödtråden än den är byggd för, tråden blir överhettad och smälter av.
Tips
- Rita en enkel seriekrets med batteri och lampa och märk med pilar att strömmen är exakt lika stor i varje punkt av kretsen. Det gör missuppfattningen att strömmen minskar efter lampan omöjlig att missa.
- Säg högt för dig själv ”amperemeter i vägen, voltmeter vid sidan om” varje gång du ska mäta, innan du rör några sladdar. Den lilla regeln sparar både mätare och krets.
- Testa vattenmodellen med en trädgårdsslang: kläm ihop slangen på ett ställe och se att det rinner mindre ur änden. Flödet minskar i hela slangen, inte bara vid klämman, precis som ett motstånd minskar strömmen i hela seriekretsen.
Testa dig själv
1. Varför går det inte att säga att ett batteri ger en viss bestämd ström?
Ett batteri håller en ungefär bestämd spänning, men strömmen bestäms av vad du kopplar in. Samma 1,5 V-batteri ger en liten ström till en tunn glödtråd och en större ström till en tjock, eftersom motståndet skiljer sig åt. Strömmen är alltså en konsekvens av kretsen, inte en egenskap hos batteriet ensamt.
2. Vad händer om du av misstag kopplar en amperemeter parallellt över en lampa i stället för i serie?
Amperemetern har nästan inget motstånd, så nästan all ström tar den lätta vägen genom mätaren i stället för genom lampan. Lampan slocknar eller lyser mycket svagt, och den stora strömmen genom mätaren kan skada den. Det är därför amperemetern alltid ska sitta i serie, rakt i vägen för strömmen.
3. Du mäter med rätt kopplade instrument 6 V över en lampa och 0,5 A genom den. Vad säger egentligen de två talen?
6 V betyder att varje coulomb laddning som passerar lampan lämnar 6 joule energi, som omvandlas till ljus och värme. 0,5 A betyder att 0,5 coulomb laddning passerar varje sekund. De beskriver två helt olika saker, energin per laddning och mängden laddning per sekund, och tillsammans avgör de hur mycket energi lampan omvandlar varje sekund.
Ur kursplanen
- Fysik åk 4–6 · Fysiken i naturen och samhället
Elektriska kretsar med batterier. Hur de kan kopplas och hur de kan användas i vardaglig elektrisk utrustning.
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Sambandet mellan elektricitet och magnetism samt mellan ström och spänning i elektriska kretsar. Hur kretsarna kan användas i elektrisk utrustning.
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Några instrument för att mäta fysikaliska storheter, till exempel kraft och ström. Användning av mätvärden i enkla beräkningar, till exempel beräkningar av densitet och hastighet.
- Fysik nivå 1a1 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Elektrisk laddning och elektriska fält samt spänning, ström och resistans. Elektriska kretsar och tillämpningar.
- Fysik nivå 1b · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Elektrisk laddning och elektriska fält samt spänning, ström och resistans. Elektriska kretsar och tillämpningar av dessa.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Leder vidare till
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: