Enkel ellära

1. Elektricitet och elektronik

För att förstå lite mer i detalj hur datorn fungerar, behöver du lära dig lite om elektricitet och elektronik. Eftersom det är synnerligen svårt att hitta bra och modern litteratur i ämnet, har jag valt att försöka skriva något på egen hand.

Orden elektricitet och elektronik är säkert välkända för de allra flesta, men det är inte alltid lätt att begripa sig på vad som döljer sig bakom orden. Om vi börjar med elektricitet vet vi att det är ett annat ord för ström, som krävs för att driva elektriska apparater, t.ex datorer. I stället för elektricitet säger vi också el.

Elektricitet är en form av energi, som kan alstras på olika sätt, genom friktion, influens, induktion och galvanism. Hur elektriciteten uppstår skall vi emellertid inte gå in på här. Ytterligare ett ord är laddning, som du kommer att få läsa lite om på den här sidan.

De ord jag nämnt förklaras inom elektroniken, som är den vetenskap och den teknik som finns för att förstå och utnyttja elektriciteten. Inom elektroniken testar man t.ex olika ämnen för att se hur de kan leda en elektrisk ström. Tack vare framstegen inom elektroniken kan man idag utnyttja svaga elektriska strömmar för att driva olika apparater, alltifrån pacemakers till klockor och termometrar.

I en förlängning av detta får vi att elektrisk och elektronisk ibland betyder något olika saker, även om det kan vara svårt att säga exakt var gränsen går. En elektronisk manick är t.ex alltid elektrisk, medan en elektrisk apparat inte behöver vara elektronisk.

Dammsugare, hårtorkar, jordfelsbrytare och fläktar brukar vara elektriska, men inte elektroniska, eftersom de inte innehåller några elektroniska komponenter. Som sådana komponenter räknar man bl.a dioder, transistorer och motstånd. Vissa komponenter räknas ibland som elektriska och ibland som elektroniska, t.ex säkringar, spolar, transformatorer och lampor.

På den här sidan har jag försökt att hålla mig ifrån alla komplicerade områden så att texten blir så lättfattlig som möjligt.

2. Elektrisk laddning

All materia är uppbyggd av atomer och atomer består av en kärna med positivt laddade protoner, samt partiklar utan laddning, s.k neutroner, vars främsta syfte är att hålla ihop atomkärnan. Runt kärnan svävar ett moln av elektroner, som har negativ laddning. Varje elektron snurrar runt kärnan med en hastighet av 7 miljoner miljarder varv i sekunden! Elektronerna ligger i olika skikt och kan liknas vid planeter som snurrar på olika avstånd från solen.

Det finns idag fler än 100 kända atomer och flera än 90 av dem finns naturligt i skog och mark. Alla atomer är ofattbart små. Någon har räknat ut att det finns 6.000.000.000.000.000.000.000 stycken atomer i en enda vattendroppe!

Elektronerna i de yttersta skalen sitter inte så hårt fast utan kan hoppa mellan olika atomer. Sådana elektroner kallar man ledningselektroner. Varje elektron kan sägas representera en negativ laddning, medan frånvaron av elektroner motsvarar en positiv laddning.

Om en atom har för många elektroner blir den negativt laddad och har den ett underskott av elektroner blir den positivt laddad. En atom som har fler eller färre atomer än den borde kallas för jon.

Atomer med negativ eller positiv laddning påverkar varandra. Två negativt laddade atomer stöter bort varandra, något som på fackspråk kallas repulsion. Två positivt laddade atomer repellerar också varandra. Endast om två atomer har olika laddning dras de till varandra. Detta fenomen kallas inte oväntat för attraktion.

Den kraft som två laddningar påverkar varandra med hänger ihop med styrkan i laddningen. Ju starkare laddningen är desto starkare blir naturligtvis repulsionen respektive attraktionen. Detta förhållande finns beskrivet i Coulumbs lag, som fransmannen Charles Augustin Coulumb publicerade 1785.

Det är faktiskt en av de första lagarna som upptäcktes inom elektroniken. Flera andra viktiga lagar och samband upptäcktes under 1800-talet, då man forskade väldigt intensivt om elektricitetens fysik.

Atomer förekommer normalt inte ensamma utan sitter fast vid varandra på regelbundna sätt och i bestämda mönster, som man kallar molekyler. H₂O är en sådan, som är den kemiska formeln för vatten. Vattenmolekylen består av två väteatomer (H) och en syreatom (O). Molekyler är kemins forskningsobjekt.

Om många elektroner vandrar genom ett ämne uppstår en elektrisk ström. Olika ämnen leder ström olika bra. Förmågan att leda ström beror på hur hårt elektronerna är bundna vid atomkärnan. I vissa material, bl.a flertalet metaller, kan de yttre, fria elektronerna röra sig tämligen fritt mellan atomerna. Sådana material kallas för elektriska ledare.

I andra ämnen sitter däremot elektronerna ordentligt fast vid atomkärnan och elektronerna kan därmed inte börja vandra. I sådana material uppstår alltså ingen ström och man kallar dem därför isolatorer. Till dessa ämnen räknas bl.a porslin, glas, gummi, trä, plaster och andra syntetiska material.

Förutom ledande och icke-ledande material finns även halvledande. Dessa utgör en mellanform eftersom de inte leder ström så bra, men heller inte stoppar den helt. Till dessa ämnen räknas t.ex kisel, germanium, selen och en lång rad olika föreningar. Halvledande material används till många elektroniska komponenter, som transistorer och dioder.

3. Elektrisk spänning

Vad händer egentligen i en strömkrets, t.ex en elledning? Vi vet att den innehåller trådar av metall och att den har ett isolerande plasthölje. Vi vet att metalltrådarna leder ström. När ingen ström är påslagen är aktiviteten mycket låg bland atomerna och de få elektroner som vandrar mellan olika atomer rör sig lite hur som helst.

När strömmen slås på, dvs när elektronerna påverkas av en elektrisk spänning, börjar dock alla elektronerna röra sig åt ett bestämt håll. De börjar alltså hoppa mellan olika atomer i en rasande fart och en elektrisk ström uppstår.

Om det finns ett överskott av elektroner på ett ställe, t.ex hos en enskild atom eller i ett kluster av atomer, och ett underskott på ett annat, har man vad som på fackspråk kallas för spänningsskillnad eller potensskillnad. Ju större skillnaden är mellan överskottet och underskottet desto större blir också spänningsskillnaden.

Skillnaden uppstår genom att det i en strömkrets finns två olika poler. Ett batteri har t.ex två poler, som är märkta +, för elektronunderskott, och -, för elektronöverskott. När en ledare kopplas mellan dem skapas alltså en sådan här skillnad. Spänningsskillnaden mellan polerna gör att elektronerna börjar röra sig och en elektrisk ström uppstår.

En vanlig elledning består av två ledare som fungerar på ungefär samma sätt. När du trycker på strömbrytaren till taklampan, kommer ledarna i förbindelse och en spänningsskillnad uppstår som genererar en ström, som får lampan att lysa. Så länge det finns en sådan spänningsskillnad, kommer det att gå en ström genom ledningen.

Spänningsskillnaden kallas oftast bara för spänning. Den mäts i enheten volt, vilket förkortas V. I matematiska formler använder man ofta U i stället för V. Det beror på att man måste skilja mellan enhet och storhet. Storheten är alltså spänning och den mäts i volt. (På samma sätt gäller inom andra områden. Sträcka är en storhet som mäts i enheter som meter och ljusår. Tid är en storhet som mäts i enheten sekund.)

Om elektronerna kunde passera fritt genom ledaren, skulle strömstyrkan lätt bli ofantligt hög. Strömstyrkan kan sägas vara den fart och kraft med vilken elektronerna rusar fram i ledaren. Nu möter elektronerna motstånd i ledningen.

Det är atomer som sitter i vägen och hindrar elektronerna från att rusa omkring fritt i ledningen. Därför använder man en annan enhet för strömstyrka, nämligen ampere, som förkortas A. I matematiska formler använder man dock oftast I. Motståndet som finns i ledaren mäts i ohm, som förkortas med den grekiska bokstaven omega och betecknas R matematiskt.

Dessa tre enheter förhåller sig till varandra på ett lagbundet sätt, som brukar kallas Ohms lag. Den säger bl.a att strömstyrkan är lika med spänningen dividerad med motståndet, alltså:

4. Elektrisk effekt och energi

Elektricitet går att mäta och bestämma på en rad olika sätt. Ett sådant är att betrakta elektricitet som en energiform. Energi kan sägas vara förmågan att utföra ett arbete.

När du sitter vid din dator och hamrar på tangentbordet utför du ett arbete som kräver energi. Att skriva kräver dock normalt mindre energi än att löpträna eller fälla träd i skogen, men i alla tre fallen gör man av med en viss mängd energi. Orden kraft, arbetsförmåga och effekt betecknar här samma sak (storhet). Den mäts i enheten Watt, W, och brukar få den matematiska symbolen P.

Även om det krävs mer kraft att fälla ett träd än att skriva ett mail, kan det på sikt gå åt mer energi framför datorn, än i skogen. Sitter du dag ut och dag in gör du till slut av med mer energi än att jobba stenhårt under en kort period.

Därför brukar man också tala om antalet watt under en sekund, som får enheten joule, J. Joule och watt under en sekund är beteckningar som förekommer parallellt. Din tränare pratar om att du förbrukar ett visst antal joule under en träning, men på din elräkning har man räknat på antalet förbrukade watt per timma. Därav benämningen "kilowattimme", kWh.

Joule betecknas med J, men ibland skriver man Pxt, dvs antalet watt gånger tiden, t. Vi får därmed ännu en formel: Energi = effekt x tid, dvs E = P x t.

Om vi nu knyter an detta resonemang till Ohms lag, får vi följande samband: effekten blir större om spänningen eller strömstyrkan ökar. Effektens storlek får vi genom att multiplicera spänningen med strömstyrkan: Effekt = spänning x strömstyrka eller P = U x I.

Motståndet i en ledare innebär att effekten påverkas. Har ledaren stort motstånd bromsas atomerna upp och det uppstår friktion, som i sin tur leder till värmeutveckling. Fenomenet är exakt likadant som när du gnuggar händerna mot varandra: de blir varma av friktionen.

Friktionen innebär alltså att en del av effekten förloras som värmestrålning. Den förlorade effekten kan ingå i formeln och beräknas. Det finns också en rad andra faktorer som spelar in och som alla som konstruerar elektroniska komponenter måste ha klart för sig. Det går jag dock inte in på här.

5. Likström och växelström

Man kan säga att det finns två olika slags elektrisk ström, likström och växelström. Dessa har något olika användningsområden. Likström används t.ex i batterier. Växelström används i det vanliga elnätet och är den vanligaste strömarten i de flesta länder.

Likström innebär att elektronerna hela tiden rör sig i samma riktning. Växelström innebär således att elektronerna hela tiden och med jämna mellanrum byter riktning; först rusar de åt ena hållet och sedan vänder de och rusar åt andra under lika lång tid. Hastigheten som elektronerna byter riktning med mäts i Hertz, Hz, som står för svängningar per sekund.

En svängning kan liknas vid en våg, där spänningen varierar från ett positivt till ett negativt värde. Hela förloppet, som bilden visar, kallas för en period. Det är alltså antalet perioder per sekund som utgör växelströmmens frekvens. I Sverige och övriga Europa har strömmen 50Hz. Det innebär att strömmen ändrar riktning 100 gånger i sekunden. I USA använder man 60Hz.

Inom elektroniken betecknar man ofta likström med likamedtecken, =, eller bokstäverna DC (Direct Current). Växelström betecknas med en våg, ~, eller AC (Alternating Current). Med hjälp av en transformator kan man göra en växelström starkare eller svagare. Man kan också omvandla växelström till likström om man vill.