Elektricitet — definition, hvordan det virker, typer og anvendelser

Historie

Ideen om elektricitet eller det faktum, at rav får evnen til at tiltrække lysende genstande, når man gnider det, kan have været kendt af den græske filosof Thales af Milet, der levede omkring 600 f.Kr.

En anden græsk filosof, Theophrastus, har i en afhandling anført, at denne kraft også findes i andre stoffer.

Den første videnskabelige undersøgelse af elektriske og magnetiske hændelser blev dog først foretaget i 1600 e.Kr. af den engelske læge William Gilbert. Gilbert var den første til at anvende udtrykket elektrisk (græsk, elektron, "rav") om den kraft, som stoffer udøvede efter at være blevet gnedet. Han skelner også mellem magnetisk og elektrisk virkning.

Ben Franklin brugte meget tid på elektrisk forskning. Hans berømte drageeksperiment viste, at atmosfærisk elektricitet (som forårsager lyn og torden) er identisk med den elektrostatiske ladning på en Leyden-krukke. Franklin udviklede sin teori om, at elektricitet er en enkelt "væske", der findes i alt stof, og at dens virkninger kan forklares ved over- og underskud af denne væske.

Hvordan elektricitet virker

Der findes to typer af elektriske ladninger, der skubber og trækker på hinanden: positive ladninger og negative ladninger. Elektriske ladninger skubber eller trækker på hinanden, hvis de ikke rører hinanden. Det er muligt, fordi hver ladning skaber et elektrisk felt omkring sig selv. Et elektrisk felt er et område, der omgiver en ladning. I hvert punkt i nærheden af en ladning peger det elektriske felt i en bestemt retning. Hvis en positiv ladning anbringes i det punkt, vil den blive skubbet i den retning. Hvis en negativ ladning anbringes i det pågældende punkt, vil den blive skubbet i den stik modsatte retning.

Det fungerer som magneter, og faktisk skaber elektricitet et magnetfelt, hvor ens ladninger frastøder hinanden og modsatte ladninger tiltrækkes. Det betyder, at hvis man sætter to negative ladninger tæt sammen og lader dem gå, vil de bevæge sig fra hinanden. Det samme gælder for to positive ladninger. Men hvis du lægger en positiv ladning og en negativ ladning tæt sammen, vil de trække sig mod hinanden. En kort måde at huske dette på er udtrykket "modsætninger tiltrækkes, ligheder frastødes".

Alt stof i universet består af små partikler med positive, negative eller neutrale ladninger. De positive ladninger kaldes protoner, og de negative ladninger kaldes elektroner. Protoner er meget tungere end elektroner, men de har begge den samme mængde elektrisk ladning, bortset fra at protoner er positive og elektroner negative. Fordi "modsætninger tiltrækker hinanden", hænger protoner og elektroner sammen. Nogle få protoner og elektroner kan danne større partikler, der kaldes atomer og molekyler. Atomer og molekyler er stadig meget små. De er for små til at kunne ses. Ethvert stort objekt, som f.eks. din finger, indeholder flere atomer og molekyler, end nogen kan tælle. Vi kan kun anslå, hvor mange der er.

Fordi negative elektroner og positive protoner hænger sammen og danner store objekter, er alle store objekter, som vi kan se og føle, elektrisk neutrale. Elektrisk er et ord, der betyder "beskriver elektricitet", og neutralt er et ord, der betyder "afbalanceret". Det er derfor, vi ikke kan mærke, at objekter skubber og trækker på os på afstand, som de ville gøre, hvis alt var elektrisk ladet. Alle store genstande er elektrisk neutrale, fordi der er lige meget positiv og negativ ladning i verden. Vi kan sige, at verden er nøjagtigt afbalanceret eller neutral. Forskerne ved stadig ikke, hvorfor det er sådan.

Elektrisk strøm

Elektronerne kan bevæge sig rundt i hele materialet. Protoner kan aldrig bevæge sig rundt i et fast stof, fordi de er så tunge, i hvert fald sammenlignet med elektronerne. Et materiale, der lader elektroner bevæge sig rundt, kaldes en leder. Et materiale, der holder hver enkelt elektron fast på plads, kaldes en isolator. Eksempler på ledere er kobber, aluminium, sølv og guld. Eksempler på isolatorer er gummi, plastik og træ. Kobber bruges meget ofte som leder, fordi det er en meget god leder, og fordi der er så meget af det i verden. Kobber findes i elektriske ledninger. Men nogle gange bruges der andre materialer.

I en leder hopper elektronerne rundt, men de kan ikke holde sig i én retning i lang tid. Hvis der etableres et elektrisk felt inde i lederen, vil alle elektronerne begynde at bevæge sig i den retning, der er modsat den retning, som feltet peger i (fordi elektroner er negativt ladede). Et batteri kan skabe et elektrisk felt inde i en leder. Hvis begge ender af et stykke ledning forbindes med de to ender af et batteri (kaldet elektroderne), kaldes den sløjfe, der blev lavet, for et elektrisk kredsløb. Elektroner vil strømme rundt og rundt i kredsløbet, så længe batteriet skaber et elektrisk felt inde i ledningen. Denne strøm af elektroner rundt i kredsløbet kaldes elektrisk strøm.

En ledende ledning, der bruges til at føre elektrisk strøm, er ofte omviklet med en isolator som f.eks. gummi. Det skyldes, at ledninger, der fører strøm, er meget farlige. Hvis en person eller et dyr rører ved en nøgen ledning, der fører strøm, kan de komme til skade eller endda dø, afhængigt af hvor stærk strømmen er, og hvor meget elektrisk energi strømmen overfører. Du bør være forsigtig i nærheden af stikkontakter og nøgne ledninger, der kan være strømførende.

Det er muligt at tilslutte en elektrisk enhed til et kredsløb, så elektrisk strøm løber gennem en enhed. Denne strøm vil overføre elektrisk energi til enheden, så den kan gøre noget, som vi ønsker, at den skal gøre. Elektriske anordninger kan være meget enkle. I en glødepære f.eks. transporterer strømmen energi gennem en særlig ledning, der kaldes en glødetråd, som får den til at gløde. Elektriske apparater kan også være meget komplicerede. Elektrisk energi kan bruges til at drive en elektrisk motor i et værktøj som f.eks. en boremaskine eller en blyantspidsemaskine. Elektrisk energi bruges også til at drive moderne elektroniske apparater, herunder telefoner, computere og tv-apparater.

Nogle termer vedrørende elektricitet

Her er nogle få udtryk, som man kan støde på, når man studerer, hvordan elektricitet fungerer. Studiet af elektricitet, og hvordan den gør elektriske kredsløb mulige, kaldes elektronik. Der findes et ingeniørområde, der hedder elektroteknik, hvor folk finder på nye ting ved hjælp af elektricitet. Alle disse termer er vigtige for dem at kende.

• Strøm er den mængde elektrisk ladning, der strømmer. Når 1 coulomb elektricitet bevæger sig forbi et sted på 1 sekund, er strømmen 1 ampere. For at måle strømmen i et punkt bruger vi et amperemeter.

• Spænding, også kaldet "potentialforskel", er det "skub", der ligger bag strømmen. Det er den mængde arbejde pr. elektrisk ladning, som en elektrisk kilde kan udføre. Når 1 coulomb elektricitet har 1 joule energi, vil den have 1 volt elektrisk potentiale. For at måle spændingen mellem to punkter bruger vi et voltmeter.

• Modstand er et stofs evne til at "bremse" strømmen, dvs. at reducere den hastighed, hvormed ladningen strømmer gennem stoffet. Hvis en elektrisk spænding på 1 volt opretholder en strøm på 1 ampere gennem en ledning, er ledningens modstand 1 ohm - dette kaldes Ohm's lov. Når strømmen er modsat strømmen, bliver energien "brugt op", hvilket betyder, at den omdannes til andre former (f.eks. lys, varme, lyd eller bevægelse).

• Elektrisk energi er evnen til at udføre arbejde ved hjælp af elektriske apparater. Elektrisk energi er en "bevaret" egenskab, hvilket betyder, at den opfører sig som et stof og kan flyttes fra sted til sted (f.eks. langs et transmissionsmedie eller i et batteri). Elektrisk energi måles i joule eller kilowatttimer (kWh).

• Elektrisk effekt er den hastighed, hvormed elektrisk energi anvendes, lagres eller overføres. Strømmen af elektrisk energi langs elkabler måles i watt. Hvis den elektriske energi omdannes til en anden form for energi, måles den i watt. Hvis noget af den omdannes og noget af den lagres, måles den i volt-ampere, eller hvis den lagres (som i elektriske eller magnetiske felter), måles den i volt-ampere reaktive.

Generering af elektrisk energi

Elektrisk energi produceres for det meste på steder, der kaldes kraftværker. De fleste kraftværker bruger varme til at koge vand til damp, som driver en dampmaskine. Dampmaskinens turbine drejer en maskine, der kaldes en "generator". Spolede ledninger inde i generatoren drejer rundt i et magnetfelt. Dette får elektricitet til at strømme gennem ledningerne og transporterer elektrisk energi. Denne proces kaldes elektromagnetisk induktion. Michael Faraday opdagede, hvordan man gør dette.

Mange varmekilder kan bruges til at koge vand til generatorer. Varmekilderne kan anvende vedvarende energikilder, hvor forsyningen af varmeenergi aldrig løber tør, og ikke-fornyelige energikilder, hvor forsyningen til sidst vil blive opbrugt.

Nogle gange kan en naturlig strøm, f.eks. vind- eller vandkraft, bruges direkte til at dreje en generator, så der ikke er behov for varme.