elektrisk strøm
Store norske leksikon,Realfag,Fysikk,Elektromagnetisme
Elektrisk strøm er elektrisk ladning i bevegelse. Strømmen beveger seg gjennom en leder og frakter energi fra ett sted til et annet. Strømretningen er definert som bevegelsesretningen for positive ladninger.
Det oppstår strøm i en leder når vi kopler den til en spenningskilde, for eksempel når vi slår på en kokeplate. I en leder med elektrisk strøm vil det avgis varme, og ved høy nok temperatur vil elektrisk energi omdannes til lys. Elektrisk strøm kan også utnyttes til å drive elektromotorer, som for eksempel i elbiler. Energi kan transporteres over store avstander ved hjelp av elektrisk strøm. Definisjon av strøm Strøm er lik ladning som passerer et tverrsnitt av en leder per sekund. Enheten for ladning er coulomb, og enheten for elektrisk strøm er ampere, som er coulomb per sekund. Strøm måles med et amperemeter.I fysikken brukes likninger for å uttrykke sammenhenger mellom ulike fysiske størrelser. En fysisk størrelse representeres ved en bokstav. For strøm brukes I, for ladning Q og for tid t. Hvis det passerer en ladning dQ gjennom et tverrsnitt av en leder i løpet av en liten tid dt, er den elektriske strømmen I = dQ/dt. Elektrisk felt og elektrisk potensial For å forstå begrepene elektrisk felt og elektrisk potensial kan det være nyttig å sammenligne elektriske felt og tyngdefelt. Masse forårsaker et kraftfelt. Jordas kraftfelt kalles tyngdefeltet. Et legeme i et tyngdefelt påvirkes av tyngdekraft, eller som man også sier, av gravitasjonskraft. Når et legeme flyttes oppover i et tyngdefelt, får det økt potensiell energi. I Newtons gravitasjonsteori kalles potensiell energi per masseenhet (per kg) for potensial. Forskjell i potensial er lik tyngdeakselerasjon ganger høydeforskjell.Elektrisk ladning forårsaker også et kraftfelt. Det kalles et elektrisk felt. En ladning i et elektrisk felt påvirkes av en elektrisk kraft. Dersom ladningen er positiv, virker kraften i samme retning som feltet, og dersom ladningen er negativ, virker kraften i motsatt retning.Å forflytte seg i feltretningen i et elektrisk felt svarer til å forflytte seg nedover i et tyngdefelt, og en forflytning mot feltretningen i et elektrisk felt svarer til oppover i et tyngdefelt. En positiv ladning faller i feltretningen, men et elektron, som er negativt ladd, faller mot feltretningen. Når en ladd partikkel beveger seg i eller mot feltretningen, endres partikkelens potensielle energi.I et elektrisk felt er potensial definert som potensiell energi per ladningsenhet (per coulomb). Potensialforskjellen kalles for spenning. Spenning måles i volt. Spenning og elektrisk strøm Hvis en leder koples til en spenningskilde (for eksempel når vi slår på lyset), oppstår et elektrisk felt i lederen, rettet fra det høyeste potensialet, som kalles pluss, mot det laveste potensialet, som kalles minus.I metalliske ledere er det mange elektroner som kan bevege seg fritt, mens positivt ladde ioner står fast. De frie elektronene danner en elektrongass hvor elektronene beveger seg raskt i forskjellige retninger, og gassen som helhet har en liten drifthastighet. Det betyr at det er oppstått en elektrisk strøm i lederen. Siden elektronene har negativ ladning, er drifthastigheten rettet mot feltretningen. Følgelig har den elektriske strømmen samme retning som det elektriske feltet: fra høyt potensial (pluss) mot lavt potensial (minus).Innenfor visse grenser er strømmen i en leder proporsjonal med spenningen, U, over lederens endepunkter. Denne sammenhengen kalles Ohms lov. Ohms lov innebærer at forholdet mellom spenning og strøm i en leder er konstant. Denne konstanten kalles lederens resistans og betegnes med R. Ohms lov kan skrives på matematisk form I = U/R.Når det går en strøm, I, gjennom en leder, og det er en spenning, U, over den, får vi en effekt, P = UI, som måles i watt. Eksempel: Med en spenning på 220V og en strøm på 10A får vi en effekt på 2200W eller 2,2kW.Omkring en strømførende leder dannes et magnetfelt med feltlinjer som er lukkede kurver og omslutter lederen. Likestrøm og vekselstrøm Likestrøm er en elektrisk strøm som hele tiden har samme strømretning. Batterier produserer likestrøm. I vekselstrøm endres hele tiden strømretningen.På verdensbasis er praktisk talt all elektrisk energiforsyning basert på vekselstrøm. Årsakene til dette er at produksjon, transformasjon av spenning (for overføring som høyspenning) og bruk av elektrisitet med vekselspenning er det mest økonomiske og teknisk enkleste. Elektrisk strøm i forskjellige materialer I metaller består strømmen av frie elektroner som beveger seg når de utsettes for virkningen av et elektrisk felt i lederen. Det er den negative ladningen som beveger seg, mens den positive ladningen er bundet til atomene i metallets krystallgitter.I elektrolytter skyldes strømmen positive ioner som beveger seg i strømretningen og negative mot strømretningen.I gasser kan strømmen dels skyldes elektronbevegelse, dels ionebevegelse. Som regel vil det her være elektronbevegelsen som dominerer fordi de lette elektronene beveger seg mye raskere enn ionene.Elektrisk strøm kan også skyldes bevegelse av elektrisk ladede legemer, for eksempel små partikler i en væske- eller gasstrøm, og kalles da konveksjonsstrøm. En halvleder er et stoff som leder strøm dårligere enn metaller og bedre enn isolatorer. Når et elektron i en halvleder «rives» løs fra et atom og blir fritt, sier vi at det er i ledningsbåndet. Det etterlater seg en tom plass som vi kaller et hull.Eksempel: I rent silisium vil noen elektroner bli frie på grunn av termisk energi. De etterlater seg hull og faller tilbake til andre hull. Dermed vil det stadig være en vandring av elektroner og hull.I en ren halvleder er det like mange frie elektroner som hull. Disse beveger seg tilfeldig i halvlederen. Men når det slås på en spenning over lederen, oppstår et elektrisk felt i den som vil tvinge elektroner mot feltretningen og hull i motsatt retning. Det går da en elektrisk strøm i halvlederen. Samfunnsmessig betydning Elektrisk energi er vår mest anvendelige energiform. Den er lett å overføre fra et sted til et annet og kan produseres ved hjelp av mange ulike energikilder. Flere av våre viktigste fornybare energikilder, som vann- og vindkraft, må med dagens teknologi bli omdannet til elektrisk energi før den kan distribueres og tas i bruk av forbrukerne.Et moderne samfunn er nå helt avhengig av elektrisiteten, som på en eller annen måte inngår i de fleste av samfunnets aktiviteter. Dette gjør oss svært sårbare for svikt i elforsyningen, noe som effektivt vil lamme store deler av landets virksomhet. I særlig grad gjelder dette Norge, som har en uvanlig høy andel elektrisitet i sitt samlede energiforbruk (cirka 50 prosent av sluttforbruket i 2012). Elektrisiteten er derfor i vårt land den dominerende energiformen i alle sektorer av samfunnet med unntak av transportsektoren, som i stor grad baserer sin virksomhet på oljerelaterte energiformer (som forbrenningsmotoren). Det er imidlertid ventet at elektrisiteten også innen transportsektoren vil få en økende betydning etter hvert som elektriske biler blir et stadig viktigere transportalternativ. Elektrisk energi er foruten som drivkraft for maskiner og lignende, grunnlaget for mange viktige industrielle prosesser. I Norge har dette vært den viktigste kilden til industrivirksomhet før funnet av petroleum.Bruk av elektrisitet til industrielle formål, elektroteknikken, utviklet seg selvstendig ved siden av den vitenskapelige elektrisitetsforskningen. De første elektriske maskinene (elektromotoren) ble utviklet av Michael Faraday og Andre Marie Ampère (1821–1823), og de første dynamoene i 1831 av Dal Negro og Hippolyte Pixii. Den første elektriske telegrafen ble anlagt i 1837 av Johann Carl Friedrich Gauss og Wilhelm Eduard Weber, mellom det fysiske instituttet og det astronomiske observatoriet i Göttingen.Humphrey Davy eksperimenterte med den elektriske lysbuen i 1821, og Jean Bernard Léon Foucault innførte buelampen for det store publikum ved førsteoppførelsen av Giacomo Meyerbeers opera «Profeten» i Paris i 1846, da han leverte strøm til den oppgående sol på scenen fra et batteri av bunsenelementer. Denne måten å fremstille strøm på var imidlertid så dyr at det ikke kunne bli tale om noen større anvendelse. Elektrisitet til belysningsformål skjøt virkelig fart først når glødelampen (lyspæren) kom i masseproduksjon et stykke inn på 1900-tallet.Gjennombruddet i sterkstrømteknikken kan dateres til 17. januar 1867, da Werner von Siemens i Berlinakademiet meddelte prinsippet for sin dynamo-elektriske maskin, som med ett slag åpnet veien til å fremstille billig elektrisk strøm.I svakstrømteknikken kom telefonen (Alexander Graham Bell 1875). På 1900-tallet har radioteknikken, som går tilbake til Guglielmo Marconis forsøk i 1897, og de mange anvendelsene av elektroner og elektronstråler i elektronikken kommet til. Elektrokjemien kan føres tilbake til Humphrey Davys fremstilling av metallisk natrium og kalium i 1807, men det teoretiske grunnlaget ble først skapt ved Michael Faradays elektrolytiske lover i 1833. Galvanoplastikken (Moritz Hermann von Jacobi 1837), akkumulatoren (Gaston Planté 1860), elektrolytisk raffinering av kobber (Werner von Siemens & Johann Georg Halske), fremstilling av aluminium i stor målestokk, karbid med mer og Birkeland-Eydes salpeterprosess (1904) betegner også trinn i utviklingen. Les mer i Store norske leksikon elektrisitet elektromagnetisme elektrisk energi