• Hem

    Hem

  • Sök

    Sök

  • resultat

    Resultat

  • forum

    Forum

  • Fler alternativ

    Fler alternativ

  • roll

    Roll

  • Hjälp och tips

    Hjälp och tips

  • profil

    Profil

  • Lämna

    Lämna

9 Elektricitet: 9.4 Ström

Teori 9.4 Ström

9.4 Ström

Låt oss nu än en gång titta på det homogena fältet mellan två plattor. Hur blir det om vi kopplar en ledare (t ex en motståndstråd) mellan plattorna?

I ledaren finns en dimma av lättrörliga elektroner. Det finns en termisk rörelse i ledaren som består av att elektroner rör sig åt alla håll och ständigt kolliderar med atomerna i ledaren. Hur lång tiden är mellan två kollisioner beror dels på vilket ämne det gäller och dels på ämnets temperatur.

Om vi nu lägger ett elektriskt fält, eller en spänning över ledaren så kommer dessa elektroner att börja röra sig mot den positiva plattan i samma takt som elektroner från den negativa plattan hoppar in i ledaren. En elektron, som befinner sig i det elektriska fältet påverkas, som du vet, av en kraft och får därmed en acceleration. Hastigheten ökar ända tills den kolliderar med en atom. När den kolliderar lämnar den över all energi till atomen. Elektronen börjar accelerera på nytt ända tills nästa kollision. Om vi skulle göra en enkel modell över rörelsen, skulle den kunna se ut ungefär så här:

9.10 Elektronernas rörelse i en ledare. Den röda linjen visar hur elektronerna rör sig och den blå linjen visar medelhastigheten. Trots att elektronen accelererar så rör den sig med samma medelhastighet hela tiden och det beror ju på att den ständigt kolliderar och tappar all fart och måste börja om. Diagrammet ger en starkt förenklad bild av vad som sker med hastigheten och därför finns inga enheter utsatta.

Elektronernas medelhastighet i ledaren kallas drifthastighet, och denna hastighet är normalt mycket mindre än den termiska hastigheten. Termisk hastighet är en rörelse "hit och dit", driften är "sakta fram". Här kan vi lägga märke till två viktiga saker:

  • Elektronerna förlorar nästan all den energi de vinner på vägen. Resultatet blir en långsam medelhastighet mot fältets riktning (elektronerna är ju negativa). Energin de förlorar ökar den termiska rörelsen i ledaren, därför blir ledaren varmare.
  • Driften är direkt proportionell mot \(E\). Om du fördubblar styrkan på fältet (eller spänningen) över ledaren så fördubblas också driften. Utan elektriskt fält är drifthastigheten noll.

När elektriska laddningar rör sig säger vi att det går en elektrisk ström. Elektrisk ström är också namnet på en fysikalisk storhet.

Elektrisk ström

När en laddning \(Q\) passerar genom ett tvärsnitt av en ledning på tiden \(t\), definieras strömmen \(I\) genom ledningen som laddningen dividerad med tiden,

Beteckningen \(I\) kommer från tyskans Intensität som betyder styrka eller intensitet.

\[ \text{Ström} = \frac{\text{laddning}}{\text{tid}} \ \text{ eller } \ I = \frac{Q}{t}\] Enheten för ström är ampere, \(\text{A}\).

9.11 Laddningen \(Q\) passerar ett tvärsnitt av ledaren på tiden \(t\). Då är strömmen \(I = Q/t\).

Elektrisk ström är alltså transporterad laddning per tidsenhet. Se figur 9.11. Vi defi nierar strömriktningen som den riktning en positiv laddning skulle röra sig. Elektronerna i en metalltråd rör sig alltså mot strömriktningen.

Strömriktning

Positiv strömriktning i en metall är den riktning som en positiv laddning skulle ha rört sig i.

Exempel 7
Elektroner på drift

Elektronerna i en metall uppför sig som gasmolekyler i en behållare. De har en termisk rörelse fylld av kollisioner, och medelhastigheten är över \(1 \ 000 \text{ km/s}\) vid rumstemperatur. Det är en enorm fart som skulle föra dig runt jorden på under en minut.

Det är de här ledningselektronerna som ger metaller många av deras speciella egenskaper: Naturligtvis är de goda ledare för elektricitet, vilket i sin tur ger dem en speglande metallglans, men de är också mycket goda värmeledare. Har du blivit serverad hett te eller soppa med silversked förstår du vad vi menar.

När det går elektrisk ström i metallen, rör sig elektronerna mot strömriktningen med en medelhastighet på cirka \(1 \text{ mm/s}\). Det kan jämföras med en vind, där vindhastigheten är mycket mindre än den termiska molekylhastigheten. Ju högre spänning vi har över ledaren, desto större drift får elektronerna, och desto större blir strömmen.

När vi slår på strömmen, startar driften praktiskt taget momentant (utan fördröjning) i hela ledningen. Det märker vi till exempel när vi tänder en lampa.

Om strömmen har samma riktning hela tiden säger vi att vi har en likström, men om vi har en ström som ändrar riktning periodiskt kallar vi den för växelström. Enheten ampere är en av grundenheterna i Sl-systemet och är uppkallad efter den franske fysikern André Ampère. Definitionen \(I = Q/t\) gäller för konstant likström som är det enda vi kommer att arbeta med. Av formeln \(I = Q/t\) får vi \(Q = It\), som visar att \(1 \text{ C} = 1 \text{ As}\).

Exempel 8
Elektriska signaler i kroppen

Kroppens biologiska processer är djupast sett av fysikalisk natur. Kroppens kommunikationssystem, det neurala nätverket, har en elektrisk sida. När du bränner dig på handen, går signaler via nervtrådar från handen till ryggmärgen och vidare till hjärnan. Signaler via andra nervtrådar går från ryggmärgen till de muskler som drar bort handen. Signalerna är elektriska.

En nervtråd består av nervceller. När en nervcell förmedlar en signal vidare till nästa nervcell, går en strömpuls genom cellväggen. Ström pulsen förmedlas av bland annat \(\text{Na\(^+\)}\)- och \(\text{K\(^+\)}\)-joner genom speciella kanaler.

En strömpuls genom en natriumkanal var \(I = 2{,}0 \text{ pA}\), och den varade i \(t = 0{,}70 \text{ ms}\). Hur stor laddning passerade genom kanalen, och hur många natriumjoner motsvarar det?

Lösning: Ur formeln \(I = Q/t\) får vi laddningen \[ Q = It = 2{,}0 \cdot 10^{-12} \cdot 0{,}70 \cdot 10^{-3} \text{ C} = 1{,}4 \cdot 10^{-15} \text{ C} \]

Varje natriumjon har underskott på en elektron, och har alltså laddningen \(1{,}60 \cdot 10^{-19} \text{ C}\). Antalet natriumjoner \(\text{ N}\) som går genom kanalen under strömpulsen, blir då: \[N = \frac{Q}{e} = \frac{1{,}4 \cdot 10^{-15}}{1{,}60 \cdot 10^{-19}} \text{ st} = 8 \ 750 \text{ st} \]

Exempel 9
Elektricitet på hjärnan

EEG (elektroencefalogram) är en enkel metod för att studera hjärnan. Med hjälp av elektroder på utsidan av huvudet kan elektrisk aktivitet inne i hjärnan mätas. Se figur 9.12. Metoden har lett till ökad kunskap om både friska och sjuka hjärnor. Signalerna kan bland annat berätta om olika sömntillstånd. Från utsidan kan man faktiskt avgöra om du drömmer. Vad du drömmer är det än så länge bara du själv som vet.

9.12 Elektricitet på hjärnan.

Copyright © 2025 Liber
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna
Lyssna