Ellära/Elektricitet – Fysik 1 – Sammanfattning
Ellära/elektricitet är ett av avsnitten i fysik 1 och du hittar instuderingsfrågorna, som är vår sammanfattning, till kapitlet nedanför. Elläran tar upp och förklarar begrepp som elektrisk laddning, spänning, resistans, elektroskop med flera upp. Våra instuderingsfrågor är en komplett och heltäckande sammanfattning på allt du behöver kunna om ellära för att klara fysik 1. Vi rekommenderar att instuderingsfrågorna om ellära används för att plugga inför prov men också för att få kluriga begrepp förklarade för sig. De går också jättebra att använda för att du som läser fysik 1 men inte kommit i kontakt med Elläran innan ska förstå den, men då gärna i kombination med Youtubeklippen från vår Youtubebank. Söker du efter något specifikt begrepp använd sökrutan till höger eller sökfunktionen i din webbläsare (öppnas genom att trycka på knapparna ctrl + f samtidigt).
Studerar du inför prov och vill förhöra dig själv så finns samma frågor fast utan svar här.
Om du ser något som är fel i sammanfattningen eller en fråga som behöver förklaras så tveka inte utan hör av dig till oss! Det hade uppskattats otroligt mycket, både av oss och alla andra som läser. Tack på förhand!
Vi hoppas att du är lika laddad som vi är ;)
1. Vad är elektrisk laddning?
Elektrisk laddning är elektroner. Föremål blir laddade antingen genom att föra bort eller lägga till elektroner (\({ e }^{ – }\) ). Lika laddade föremål repellerar varandra medan olikt laddade föremål attraherar varandra på grund av den elektromagnetiska kraften. Kraften de repellerar/attraherar varandra med är densamma (enligt Newtons tredje lag).
Ett överskott av elektroner ger en negativ laddning.
Ett underskott av elektroner ger en positiv laddning.
Den kraft som verkar på laddade partiklar är en avståndskraft. Enhetsladdningen för en elektron ges i enheten Coulomb:
\[
C: \text{ Coulomb}
\]
\[
1.602 \times 10^{-19} \, C
\]
Statisk elektricitet uppkommer genom att föremål gnids mot varandra. En ledare är oftast metaller eftersom de leder elektrisk ström väl. Isolator är istället plast, glas eller trä då de ej leder ström.
Vill du se en video som handlar om elektrisk laddning och Coulombs lag? Här har du en som är grymt bra.
2. Ellära – Vad är Coulombs lag?
Beteckningar:
\[
F: \text{ kraft}, \quad k: \text{ Coulombs konstant}, \quad Q_1: \text{ laddning 1}, \quad Q_2: \text{ laddning 2}, \quad r: \text{ avstånd}
\]
Coulombs lag ges av:
\[
F = k \frac{Q_1 \times Q_2}{r^2}
\]
Där Coulombs konstant är:
\[
k = 8.99 \times 10^9
\]
Coulombs lag beskriver styrkan och riktningen för en kraft som verkar mellan två elektriskt laddade partiklar. Q1 och Q2 är partiklarnas laddningar och r är avståndet mellan partiklarna i meter. Vilket tecken det blir framför talet (om partiklarna attraherar eller repellerar varandra) tas om hänsyn till efter svaret räknats ut. Det är enklare så. Olika laddningar på Q1 och Q2 betyder att de attraherar varandra medan lika laddningar på Q1 och Q2 repellerar varandra.
Vill du se en video som handlar om elektrisk laddning och Coulombs lag? Här har du en som är grymt bra. (OBS samma video som till fråga 1)
3. Vad är influens?
Influens är laddningar som påverkar varandra utan att vara i kontakt med varandra. Influens ger upphov till en laddningsomfördelning. Till exempel om ett starkt negativt laddat föremål närmar sig en oladdad metallplatta så kommer det negativt laddade föremål influera metallplattan. Det eftersom elektronerna kommer att förflyttas så att de kommer så långt ifrån det starkt negativt laddade föremålet och då uppkommer de en negativ ände på plattan (längst bort) och en positiv ände närmst det negativa föremålet. Detta kan till exempel göra så ett elektroskop ger utslag.
Låt Tomas Sverin förklara för dig med en video.
4. Hur fungerar ett elektroskop? (Allt du behöver veta för Ellära Fysik 1, kan lätt bli för mycket annars)
Klicka här för att se hur ett elektroskop ser ut och hur det fungerar.
Vid beröring kommer laddningen fördelas jämnt \( \Rightarrow \) elektroskopet och det som rör elektroskopet får samma laddning.
Håller stav/föremål ovanför kommer att influera elektroskopet. Motsatta laddningar attraherar varandra och olika repellerar varandra.
Att jorda elektroskopet kommer leda till att laddningen blir noll. Ett sätt att jorda är att beröra elektroskopet med handen.
Här följer tre resonemang på vad som händer med ett elektroskop vid olika situationer.
- Håll en laddad stav intill elektroskopet utan att vidröra det.Vad kommer hända och varför händer det?
Den laddade staven kommer att influera elektronerna i elektroskopet. Elektronerna kommer att tryckas ner då de repellerar varandra vilket kommer göra att metallpinnen ger utslag.
- Jorda elektroskopet (vidrör det med din hand) medan du håller kvar staven intill elektroskopet. Vad kommer hända och varför händer det?
Elektronerna i elektroskopet kommer att vilja så långt bort som möjligt från den negativa staven och kommer därför åka ner i marken medan de positiva laddningarna (som egentligen är avsaknad av elektroner) kommer att stanna längst upp i elektroskopet. Därför kommer inte elektroskopet ge utslag.
- Ta bort handen och sedan ta bort staven. Vad kommer hända och varför händer det?
De positiva laddningar kommer att fördelas jämn, vilket gör att de nu kommer vara positivt laddade partiklar längst ner i elektroskopet som vill bort från varandra och därför kommer det ge utslag.
5. Vad är elektrisk spänning?
Elektrisk spänning är skillnad i potential mellan två punkter. Spänningen (U) mäts i volt (V).
Beteckningar:
\[
E: \text{ energi}, \quad Q: \text{ elementarladdningen}, \quad R: \text{ resistansen}, \quad I: \text{ ström}
\]
\[
\vec{E}: \text{ elektrisk fältstyrka}, \quad d: \text{ avståndet}, \quad W: \text{ arbete}, \quad a: \text{ en punkt}, \quad b: \text{ en annan punkt}
\]
Spänningen över punkterna \( a \) och \( b \) definieras som:
\[
U_{ab} = |V_b – V_a| = \frac{E}{Q}
\]
Spänningen kan även beräknas med följande formler:
\[
U = R \times I
\]
\[
U = \vec{E} \times d
\]
\[
U = \frac{W}{Q}
\]
Behöver du en förklaring? Kika in den här videon då.
6. Vad är strömstyrka?
Strömstyrka (ström) är en strohet med beteckningen I som mäts i enheten Ampere (A). Elektrisk ström är ett flöde av elektriska laddningar, oftast ett flöde av elektroner. Strömmen går åt det håll som en positivt laddad partikel hade rört sig vilket är motsatt till det håll som elektronerna egentligen färdas.
Elektronerna förflyttas långsamt men energin förflyttas snabbt på grund av att elektronerna knuffar varandra.
Beteckningar:
\[
Q: \text{ elementarladdningen}, \quad I: \text{ ström}, \quad t: \text{ tid}
\]
\[
P: \text{ effekt}, \quad U: \text{ spänning}
\]
Strömmen genom ett objekt kan beräknas med:
\[
I = \frac{Q}{t}
\]
\[
I = \frac{P}{U}
\]
Behöver du en till förklaring? Titta på en video från Youtubebanken i så fall.
7. Vad är elektrisk effekt?
Elektrisk effekt (\( P \)) beskriver hur snabbt elektrisk energi omvandlas till andra energiformer, exempelvis värme, ljus eller mekaniskt arbete.
Elektrisk effekt härleds med hjälp av sambandet \( U = \frac{E}{Q} \) och effektutvecklingen i en resistor är produkten av spänningen över den och strömmen genom den.
\[
P = \frac{E}{t}
\]
där:
– \( P \) är elektrisk effekt i watt (W),
\( E \) är den elektriska energin i joule (J),
\( t \) är tiden i sekunder (s).
Kolla in denna video om elektrisk effekt så förstår du garanterat mer.
8. Vad är resistans?
Resistans (R) är motstånd. I en resistor omvandlas elektrisk potentiell energi till värmeenergi. Resistansen är den egenskap hos elektriska laddningar och komponenter som talar om hur svårt det är för strömmen att ta sig fram. Den största delen av strömmen kommer alltid ta den väg där resistansen är som lägst därför leder en högre resistans till mindre ström.
Beteckningar:
– \( R \): resistans,
– \( I \): strömstyrka,
– \( U \): spänning
Resistansen beräknas med:
\[
R = \frac{U}{I} \quad [\Omega] \quad \text{(ohm)}
\]
Vill du veta mer? Titta på en video om resistans i så fall.
9. Vad är en elektrisk krets? Vilka symboler finns i Elläran?
En elektrisk krets är en sluten slinga med ledare och komponenter där en elektrisk ström kan flyta.
Viktigt att tänka på när man kopplar är att en voltmeter ska kopplas över det område man vill mäta. Att koppla något över innebär att man ska parallellkoppla voltmetern för då mäter den skillnaden i spänning före och efter samt att den inte påverkar spänningen. En amperemeter å andra sidan ska seriekopplas så samma ström går genom det man vill mäta och amperemetern.
10. Hur sker beräkningar på ersättningsresistans?
Ersättningsresistansen används för att ersätta flera resistorer med en. Ersättningsresistansen beräknas olika beroende på om resistorerna är seriekopplade eller parallellkopplade. Är de seriekopplade beräknas ersättningsresistansen:
Beteckningar:
\( R_{\text{tot}} \): ersättningsresistansen,
\( R_1, R_2, R_n, \) osv.: resistorer
Ersättningsresistansen vid seriekoppling ges av:
\[
R_{\text{tot}} = R_1 + R_2 + \dots + R_n
\]
Genom att analysera formeln ser vi att resistansen ökar desto fler resistorer som seriekopplas. Det är ganska logiskt. Om vi tänker oss att den elektriska strömmen som en väg och en resistor som att vägen smalnar av så är det logiskt att desto smalare vägen blir (alltså ju fler resistorer som finns seriekopplade i kretsen), desto mindre trafik kan passera (alltså desto mindre blir den elektriska strömstyrkan).
Vid parallellkoppling beräknas ersättningsresistansen:
Beteckningar:
\( R_{\text{tot}} \): ersättningsresistansen,
\( R_1, R_2, R_n, \) osv.: resistorer
Ersättningsresistansen vid parallellkoppling ges av:
\[
R_{\text{tot}} = \frac{1}{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_n}}
\]
Bilden visar ett elektriskt fält, pilarna pekar mot den negativt laddade partikeln eftersom det är så kraften hos en positivt laddad partikel hade varit riktad. Desto tätare fältlinjerna (pilarna) är varandra, desto starkare är det elektriska fältet.
11. Vad är ett elektriskt fält?
Runt alla laddade partiklar finns ett elektriskt fält. Den elektriska fältstyrkan är en vektor.
Fältet har samma riktning som kraften på en positiv partikel hade varit riktad i fältet.
Styrkan på fältet kan beräknas med hjälp av avståndet mellan fältlinjerna:
\(\overrightarrow{E}\): elektriska fältstyrkan,
\( F \): kraft,
\( Q \): laddningsmängd
Elektrisk fältstyrka definieras som:
\[
\overrightarrow{E} = \frac{F}{Q}
\]
En laddning i ett elektriskt fält påverkas av kraften:
\[
F = \overrightarrow{E} \times Q
\]
Här är en mycket bra video som förklarar vad ett elektriskt fält är.
12. Vad är ett homogent elektriskt fält?
Ett homogent elektriskt fält är ett elektriskt fält mellan två laddade plattor där fältstyrkan är densamma. En av plattorna är normalt sätt jordad och potentialen i den jordade plattan är alltid 0. Viktigt att komma ihåg är att potentialen i den positiva plattan alltid är högre än potentialen i den negativa plattan.
Vad ett homogent elektriskt fält är förklaras i videon om spänning som ligger under fråga 5. (OBS. samma video som till fråga fem).
13. Vad är elektrisk potential?
Den elektriska potentialen kan liknas vid lägesenergin för ett ämne. För att flytta en låda en meter upp krävs energi eftersom lägesenergin är högre en meter upp än på marken. Det uträttas också ett fysikaliskt arbete då förflyttningen görs. Precis så är det med elektrisk potential. På bilden ser du två stycken laddningar (punkt 1 och punkt 2).
Potentialen i punkt 2 är högre än i punkt ett eftersom punkt två är positivt laddad och punkt två är negativt laddad och vi vet sen tidigare att potentialen alltid är högre i den positiva punkten än den negativa punkten. Att potentialen är högre i punkt två innebär att det utförs ett arbete då laddning två faller till punkt 1 och dess potentiella energi (lägesenergi) omvandlas till rörelseenergi och/eller värme.
För att istället flytta laddningen från punkt 1 till punkt två krävs det energi eftersom potentialen är större i punkt två en 1. Det krävs ett arbete för att förflytta laddningen. Precis som det gör när en låda lyfts upp en meter i luften.
Den elektriska potentialen är ett mått på elektrisk lägesenergi per laddningsenhet.
För att beräkna den elektriska potentialen i en punkt (P):
\(\overrightarrow{E}\): elektriska fältstyrkan,
\( V_p \): elektrisk potential,
\( d \): avståndet mellan den negativa plattan och punkten
Elektrisk potential definieras som:
\[
V_p = \frac{\overrightarrow{E}}{q} \quad [V]
\]
För att göra beräkningar på elektrisk potentiell energi och potentialen (V) så behöver en nollnivå definieras. Kom ihåg att jord innebär att potentialen är noll. Kom även ihåg att potentialen i den positiva plattan alltid är större än potentialen i den negativa plattan.
Låt Tomas Sverin förklara för dig. Här är en video som handlar om just elektrisk potential.
14. Vad är Kirchhoffs strömlag respektive spänningslagen?
Kirchhoffs strömlag säger att summan av de elektriska strömmarna in mot en nod är lika stora som strömmarna ut från noden:
\[
I = I_1 + I_2 + \dots + I_n
\]
Detta används när beräkningar på elektriska kretsar ska göras där du till exempel ska beräkna strömmen genom en resistor eller spänningen över en lampa i ett lite större kopplingsschema.
På ungefär samma sätt lyder spänningslagen. Den säger att spänningen mellan punkt a och b är lika stor som summan av spänningen över a plus spänningen över b.
Beteckningar:
\( I \): total ström i kretsen,
\( I_1, I_2, I_n \): delströmmar i olika grenar,
\( U_{ab} \): spänningen mellan punkt \( a \) och \( b \),
\( U_a \): spänning vid punkt \( a \),
\( U_b \): spänning vid punkt \( b \)
Strömmen i en parallellkoppling ges av:
\[
I = I_1 + I_2 + \dots + I_n
\]
Spänningen mellan två punkter ges av:
\[
U_{ab} = U_a + U_b
\]
Spänningslagen används ofta tillsammans med strömlagen för att göra beräkningar på kopplingsscheman.
Tomas Sverin förklarar vad Kirchhoffs strömlag är i sin video om elektrisk strömstyrka.
15. Vad är elektrisk energi? – Ellära
Elektrisk energi är energi som transporteras när elektriska laddningar rör på sig. Den elektriska energin transporteras oftast med elektroner och uppkommer endast när laddningarna rör/knuffar på varandra.
Vad elektrisk energi är förklaras i videon som även handlar om effekt.
16. Hur ska man tänka vid resonemang om det vi lärt oss om ellära vid en elektrisk krets där en lampa sätts i/tas ut?
Man ska tänka att man går utifrån och in. Försök se hela bilden och gör den sedan mer specifik allt eftersom. Här kommer en priolista på hur du ska resonera vid uppgifter där en lampa (resistor) sätts i eller plockas bort.
- Kolla vad som händer med den totala resistansen, om det inte går att dra någon slutsats om den så försök ta reda på vad som händer med resistansen över ett så stort område som möjligt. Ökar eller minskar den?
- Dra en slutsats om vad som händer med den totala strömmen. Kommer den öka eller minska? (Ex. ökar den totala resistansen så kommer den totala strömmen att minska enligt Ohms lag)
- Se huruvida spänningen påverkas eller inte, över ett större intervall. Ökar den eller minskar den? Använd dig av den totala strömmen som du fick ut tidigare och resonera utifrån Ohms lag)
- Se huruvida spänningen påverkas eller inte över ett mindre intervall. Ökar den eller minskar den? Resonera med hjälp av Ohms lag och de slutsatser du dragit tidigare.
Kom ihåg att resistansen ökar vid seriekoppling och resistansen minskar vid parallellkoppling.
Det var allt på vår sammanfattning om avsnittet Ellära Fysik 1. Har du hittat något fel eller någon konstig förklaring? Kontakta oss så rättar vi till det!
