Energiteknik 1 (Gy)/Elteknik

Ellära

Ström och spänning

När vi hanterar energiteknik så är ämnet mycket större än bara den elektriska energin, men eltekniken är ändå en central punkt i ämnet och därför är det viktigt att ha en grundläggande kunskap om detta.

Vad är då elektricitet? Elektricitet är enkelt sagt när elektroner rör sig i en ledare. En ledare är ett material som tillåter att elektroner rör sig, det kan till exempel vara en koppartråd som i en kabel, men det kan lika väl vara någon annan metall, kol eller en västska som till exempel saltvatten.

Spänning

Det som får elektriciteten att uppstå är den skillnad i elektrisk laddning som kallas spänning. Spänning kan enklast förklaras med bilden av två tunnor med vatten som är sammankopplade med en vattenslang. Om det är mer vatten i den ena tunnan så kommer det att strömma över via slangen tills det är lika mycket vatten i båda tunnorna.

Om vi nu överför liknelsen med vattentunnorna till elektricitet så är vattenslangen ledaren och mängden vatten i varje tunna representerar en elektrisk laddning. En elektrisk laddning uppstår om det finns ett överskott (positiv laddning) eller ett underskott (negativ laddning) av elektroner. Om det är högre elektrisk laddning (mer vatten i tunnan) på den ena sidan av ledaren så kommer det att uppstå det vi kallar en potentialskillnad, eller i det här fallet, en spänning mellan dem. Detta kommer att få elektronerna att röra sig genom ledarna, som vattnet genom vattenslangen, från den ena sidan till den andra tills laddningen är lika hög på båda sidor.

Man kan säga att spänning är som trycket på vattnet i en vattenslang, eller höjden på ett vattenfall.

Spänning mäts i Volt (V) och betecknas med U i formler.

Ström

När vi pratar om ström så pratar vi helt enkelt om mängden elektroner som rör sig genom ledaren. Om vi ska återgå till liknelsen med vattentunnorna så kan ström liknas vid den mängd vatten som rinner genom vattenslangen.

Man kan säga att ström är som vattnet i en vattenslang.

Ström mäts i Ampere (A) och betecknas med I i formler.

Resistans

I alla ledare så finns det ett motstånd, en resistans, som elektronerna måste ta sig igenom. Man kan säga att i liknelsen med vattenslangen så rinner vattnet olika lätt genom olika grova slangar, och på samma sätt så tar sig elektroner olika lätt genom olika material. En hög resistans gör det alltså svårare för elektronerna att ta sig fram, och material med hög resistans blir därför dåliga ledare.

Låg resistans		Hög resistans
Koppar		Glas
Silver		Gummi
Stål		Vatten

Man kan säga att resistans är som storleken på vattenslangen.

Resistans mäts i Ohm (Ω) men betecknas även med R i formler.

Ohms lag

Det finns ett samband mellan spänning, ström och resistans som fomuleras i vad som kallas Ohms lag.

$U=R\cdot I\,$

Spänning = Resistans x Ström

Detta gör att om vi har två delar så kan vi räkna ut den tredje. Om vi till exempel vet att spänningen är 9 volt och resistansen är 100 ohm så kommer strömmen att vara 9/100 = 0,09 ampere.

Likström

Symbolen för likström

Den typ av ström som vi är vanast att prata om är den där vi har en plus och en minus sida, till exempel på ett batteri. Den typen av ström kallas likström (DC - Direct Current) eftersom strömmens riktning är lika hela tiden.

Likström kan fås från:

• Batterier
• Generatorer
• Likriktning av växelström.

Växelström

Symbolen för växelström

En annan form av ström är den som kallas växelström (AC - Alternating Current) eftersom strömmens riktning hela tiden skiftar. Dessa svängningar gör att vilken sida som är plus och minus skiftar och hastigheten med vilken den skiftar mäts i svängningar per sekund, eller Hertz (Hz). Den vanligaste formen av växelström är den som vi har i våra eluttag och som har en svägningshastighet av 50 Hertz. Anledningen till att använda växelström är framför allt att den är lätt att transformera, det vill säga att ändra styrkan på spänning och ström.

Växelström kan fås från:

• Generatorer
• Växelriktning av likström

Energi

===Effekt=== är ett mått på hur snabbt energi omvandlas.

Mätteknik

Analoga och Digitala instrument

Det finns två huvudsakliga sätt att presentera informationen på mätutrustningen, analogt med en visare eller digitalt med siffror. Det absolut vanligaste idag är digitala instrument, de ger ett exaktare och mer flexibelt mätresultat, men det finns även tillfällen då analoga instrument har sina fördelar. Framför allt så kommer de till sin rätt när man mäter något som ändrar sig hela tiden, ett digitalt instrument skulle svara svårt eller omöjligt att läsa av medan ett analogt instrument gör det möjligt att uppskatta bland annat max/min-värdet av det man mäter.

• 
  Analog multimeter
• 
  Digital multimeter

Säkerhet

Säkerhet handlar om att hantera utrustningen på ett sätt som är säker för såväl dig själv som din utrustning.

Hög spänning och hög ström

Varningsskylt

Att utsättas för elektricitet med hög spänning kan vara farligt och är absolut inget att leka med, men enbart hög spänning är i sig inte nödvändigtvis farligt utan mest obehagligt och används till exempel i elpistoler och liknande. Om ni tittar på exemplen nedan så kan man inte utgå från spänningen om man vill fastställa hur farligt ett elektriskt objekt är:

1. Ett batteri kan ge till exempel 9 volt (det är olika mellan olika batterityper), något som svider till om du sätter det mot tungan men inte värre.
2. En elpistol kan ge en spänning på 50 000 volt, tillräckligt för att få dig att ramla ihop och kanske svimma men det är inte dödande.
3. Ett eluttag ger 230 volt och är direkt dödande om du inte har tur.

Det man däremot kan utgå från är strömmen, en hög ström är livsfarligt och väldigt obehaglig redan vid låga nivåer. Exakt vid vilken nivå det blir farligt är svårt att säga, det beror en hel del på omständigheterna, men följande exempel kan ge en fingervisning:

• 1 mA (0.001 ampere) ger en lätt kittlande känsla.
• 10 mA (0.01 ampere) förlamar musklerna.
• 50 mA (0.05 ampere) är dödligt.

Starkström

En typ av säkringar.

Till starkström räknas all ström som är farligt för människor, och som vi såg tidigare så kan det innefatta en mängd olika typer av ström och kan vara svårt att direkt definiera. Arbetar du med batterier eller de vanligaste formerna av elektronik så arbetar du oftast med något som kallas svagström, något som i värsta fall kan vara obehagligt om du råkar få en stöt. Men om du arbetar med saker som är kopplade till ett eluttag så hanterar du starkström och det är direkt livsfarligt om du inte är försiktig. Vissa typer av batterier är dock kapabla att skada en människa direkt genom stötar eller indirekt genom de kemikalier de innehåller eller avger, så var alltid försiktig om du är osäker på om något är farligt eller inte.

Säkringar

Säkringar är ett sätt att skydda personer och utrustning mot fel i elnätet. Säkringar har helt enkelt en övre gräns på hur mycket ström som går igenom dem innan de bryter strömmen, och de är anpassade utifrån hur mycket ström som förväntas gå igenom en given del av ett elnät. Plötsligt höjning av strömmen kan till exempel bero på fel i apparater eller felaktigt inkopplade apparater. Säkringar skyddar till viss del personer mot fel i elektriska apparater, men framför allt förhindrar de bränder och andra saker som kan hända när ett elnät överbelastas.

Jordning

Eluttag

Förutom de två strömkablar (fas och nolla) som finns i alla eluttag så finns det i vissa fall även två små jordbleck. Förutom att använda jordning för att skydda utrustningen (se ESD) så används jordning framför allt för att skydda personer mot fel i elektriska apparater. En tvättmaskin är till exempel jordad på ett sådant sätt att om något skulle bli fel i den så kan den inte bli strömförande utan strömmen leds direkt till jord. En viktig sak att tänka på är att hos jordad utrustning är det oftast bara höljet som är skyddat, om man öppnar en apparat och arbetar inuti den så skyddas man inte.

ESD

ESD-känsligt

Det är inte bara vi som kan ta skada av elektricitet, utan även de saker vi hanterar. Det mesta som är uppbyggt av elektronik är nämligen känsligt för det som kallas ESD eller Electric Static Discharge, något som vi känner igen mer som statisk elektricitet. Det betyder att så fort vi ska arbeta med någon form av elektronik så måste vi se till att vara urladdade eller allra helst konstant jordade. Det gäller såväl när vi skruvar i datorer som i annan elektronisk utrustning. Att se till att vara urladdad kan vara så enkelt som att röra vid jordad utrustning, en vattenkran eller ett vattenelement, men det är viktigt att inse att det går snabbt att bli uppladdad igen, speciellt om man har vissa typer av kläder eller en mössa/keps. Det bästa är då att ha ett armband eller ett underlägg som kopplas till jord via en kabel, då är man hela tiden urladdad vad man än gör.