Ellära är läran om elektricitet. Den bygger på fyra storheter: spänning (volt) är trycket som driver strömmen, ström (ampere) är hur mycket laddning som flyter per sekund, resistans (ohm) är motståndet strömmen möter och effekt (watt) är hur mycket energi som omvandlas per sekund. Sambanden mellan dem beskrivs av Ohms lag (U = R × I) och effektlagen (P = U × I).
Här går vi igenom grunderna. Härifrån når du en serie fördjupningar om allt från transformatorer och dioder till säkringar och jordfelsbrytare. Varje sida har räknare eller interaktiva figurer. De svenska förhållandena får extra utrymme, eftersom elen i ditt hem inte ser likadan ut som i läroböckernas exempel från andra länder. Här har du 230 V, 50 Hz och trefas in i huset.
De fyra storheterna i korthet
Den vanligaste liknelsen är vatten i ett rör: spänningen motsvarar trycket, strömmen hur mycket vatten som flyter och resistansen hur smalt röret är. Liknelsen haltar på vissa punkter men räcker långt.
| Storhet | Beteckning | Enhet | Vattenliknelsen |
|---|---|---|---|
| Spänning | U | volt (V) | Trycket i röret |
| Ström | I | ampere (A) | Hur många liter som flyter per sekund |
| Resistans | R | ohm (Ω) | Hur smalt röret är |
| Effekt | P | watt (W) | Hur mycket arbete vattnet uträttar per sekund |
Vad är spänning?
Med spänning menas skillnaden i elektrisk potential mellan två punkter. Den anger hur mycket energi varje laddning får med sig när den rör sig från den ena punkten till den andra. Utan spänning flyter ingen ström, precis som vatten inte rinner i ett rör där trycket är lika stort i båda ändar.
Enheten är volt, uppkallad efter den italienske fysikern Alessandro Volta. Han byggde år 1800 den första elektriska stapeln, föregångaren till dagens batterier. Några vanliga spänningar:
- 1,5 V i ett vanligt AA-batteri
- 5 V i en USB-port
- 12 V i ett bilbatteri
- 230 V i ett svenskt vägguttag
- 400 V mellan två faser i ett trefasuttag
Spänningen i vägguttaget hette tidigare 220 V. Den internationella standarden IEC 60038 bestämde att europeiska nät skulle gå över till 230/400 V. Ändringen beslutades 1994 och skulle vara genomförd senast 2003. Tillåten avvikelse är tio procent åt båda hållen, så spänningen i ditt uttag kan variera mellan ungefär 207 och 253 V.
Vad är elektrisk ström?
Elektrisk ström är laddning som rör sig. I en metalltråd är det elektroner som förflyttar sig. Strömmen mäts i ampere, efter den franske fysikern André-Marie Ampère. En ampere betyder att en coulomb laddning passerar per sekund.
Sedan omdefinitionen av SI-systemet 2019 utgår amperen från elementarladdningen, som är fastställd till exakt 1,602176634 × 10−19 coulomb. En ström på en ampere motsvarar därmed ungefär 6,24 miljarder miljarder elektroner per sekund. En vattenkokare på 2 000 W drar knappt 9 A.
Åt vilket håll går strömmen?
Här finns en klassisk förvirring. Elektronerna är negativt laddade och rör sig från minuspolen till pluspolen. Den tekniska strömriktningen, som används i alla kopplingsscheman, går ändå från plus till minus. Konventionen bestämdes innan man visste att det är elektronerna som rör sig. Den har aldrig ändrats, eftersom alla formler fungerar lika bra åt båda hållen så länge man är konsekvent.
Elektronerna själva rör sig mycket långsamt. Det som går snabbt är signalen. När du slår på strömbrytaren börjar elektroner i hela ledningen röra sig nästan samtidigt, ungefär som när du trycker in vatten i ena änden av en fylld slang och det direkt kommer ut i den andra.
Resistans och Ohms lag
Resistans är det motstånd strömmen möter. Koppar har låg resistans och används därför i ledningar. Glödtråden i en gammal glödlampa har hög resistans och blir så varm att den lyser. Hur resistansen beror på material, längd och tjocklek går vi igenom på sidan om resistans och motstånd.
Sambandet mellan spänning, ström och resistans kallas Ohms lag: U = R × I. Dubblar du spänningen över samma resistans dubbleras strömmen. Tillsammans med effektlagen, P = U × I, kan du räkna fram alla fyra storheter så fort du känner till två av dem.
Räknare för Ohms lag och effekt
Fyll i två av värdena. Räknaren tar fram de två andra och visar vilken formel den använt.
Formlerna, triangeln som hjälper dig minnas dem och fler räkneexempel finns på sidan om Ohms lag.
Effekt och energi
Effekt är hur snabbt energi omvandlas, till exempel till värme i en vattenkokare eller ljus i en lampa. Den mäts i watt, där en watt är en joule per sekund.
Energi är effekt gånger tid. På elräkningen mäts den i kilowattimmar. En vattenkokare på 2 000 W som är igång i tre minuter förbrukar 2 kW × 0,05 h = 0,1 kWh. Ett elelement på 1 000 W som står på ett helt dygn förbrukar 24 kWh.
Den elektriska kretsen
Ström kan bara flyta i en sluten krets. Den behöver en väg från spänningskällan, genom det som ska drivas och tillbaka. Bryts kretsen någonstans, i en strömbrytare eller en trasig glödtråd, slutar strömmen att flyta i hela kretsen.
Komponenterna kan kopplas efter varandra eller bredvid varandra. I en seriekoppling går samma ström genom allt och spänningen delas upp. I en parallellkoppling får varje gren hela spänningen och strömmen delas upp. Alla uttag och lampor i ett hus är parallellkopplade, annars skulle alla släckas om en lampa gick sönder. Räknare och fler exempel finns på sidan om seriekoppling och parallellkoppling.
De vanligaste symbolerna för att rita kretsar ser du här.
Likström och växelström
Ett batteri ger likström. Spänningen har samma riktning hela tiden. Elnätet ger växelström, där spänningen byter riktning många gånger per sekund. I Sverige och resten av Europa är frekvensen 50 hertz, vilket ger 100 riktningsbyten per sekund.
Växelström vann kampen om elnäten för att den enkelt kan transformeras till högre eller lägre spänning. Hög spänning ger små förluster i långa ledningar. Varför det fungerar förklaras på sidan om likström och växelström. Där ser du också hur likströmmen har gjort comeback i moderna kraftöverföringar.
Elen i ditt hem
Ett svenskt hus matas med trefas. Tre faser kommer in från nätet. Mellan två faser är spänningen 400 V, mellan en fas och nollan 230 V. Den lägre spänningen är den du har i vanliga uttag. Spisen, varmvattenberedaren och laddboxen använder ofta alla tre faserna.
I elcentralen fördelas elen på grupper. Varje grupp har en säkring som skyddar ledningarna mot överbelastning. Jordfelsbrytaren skyddar människor genom att bryta strömmen om den börjar läcka ut ur kretsen.
Hur jordfelsbrytaren känner av en läcka och hur du felsöker när den löser ut går vi igenom på sidan om jordfelsbrytaren.
Elsäkerhetsverket bestämmer vilka elarbeten du får göra själv. Byta propp, byta befintliga uttag och strömbrytare för högst 16 A och byta fast armatur i torra utrymmen är tillåtet om du vet hur det ska göras. Nya uttag, ledningar i väggar och ingrepp i centralen ska göras av ett elinstallationsföretag.
Svenska milstolpar i elens historia
Sverige har spelat en oväntat stor roll i elteknikens utveckling.
- 1890. Ingenjören Jonas Wenström söker patent på ett system för trefasström. Hans generatorer och trefassystem lägger grunden till företaget ASEA.
- 1893. ASEA bygger Sveriges första trefasöverföring, från Hällsjöns kraftverk till gruvorna i Grängesberg. Wenström dör samma år, bara tre dagar efter invigningen.
- 1954. Världens första kommersiella förbindelse för högspänd likström tas i drift mellan fastlandet och Gotland. Den har 100 kV, 20 MW och en 96 km lång sjökabel. ASEA bygger den åt Vattenfall. Utvecklingen leds av Uno Lamm.
Hela serien om ellära
Serien växer stegvis. Varje sida går på djupet i ett ämne.
- Ohms lagU = R × I och effektlagen, med räknare.
- Resistans och motståndVad ohm betyder och vad som avgör ett materials resistans.
- Färgkoder på motståndLäs av ringarna på ett motstånd.
- Likström och växelströmDC och AC, symbolerna och varför elnätet är växelström.
- Seriekoppling och parallellkopplingHur ström och spänning fördelas i kopplingar.
- TrappkopplingTänd och släck samma lampa från två ställen.
- TransformatornHur spänningen omvandlas, från nätstation till 12 V.
- KondensatornKapacitans, farad och startkondensatorer.
- SpolenInduktans, reaktans och resonans.
- DiodenLikriktare, lysdioder och diodens riktning.
- TransistornKomponenten som bär hela den digitala världen.
- Logiska grindarAND, OR, XOR och NAND med sanningstabeller.
- Magneter och elektromagneterPermanentmagneter, elektromagneter och jordens magnetfält.
- TrefasFas, nolla och jord, 400 V och effekt i trefas.
- SäkringarProppar, automatsäkringar och färgkoderna.
- JordfelsbrytarenHur den skyddar dig och varför den löser ut.
- Lysrör och glimtändareVarför lysröret blinkar och hur du byter glimtändare.
Vanliga frågor om ellära
Vad är skillnaden mellan ström och spänning?
Spänningen driver och strömmen flyter. Ett batteri som ligger i en låda har spänning men ingen ström. Först när du kopplar in något börjar ström att flyta. Hur stor den blir beror på resistansen i det du kopplat in.
Vad mäts spänning i?
Spänning mäts i volt (V). Ström mäts i ampere (A), resistans i ohm (Ω) och effekt i watt (W).
Är det strömmen eller spänningen som är farlig?
Det är strömmen genom kroppen som skadar. Men det är spänningen som avgör hur stor den strömmen blir, eftersom kroppen har en viss resistans. Redan omkring 40 mA i mer än två sekunder kan ge hjärtflimmer. Därför är 230 V i ett vägguttag livsfarligt.
Varför har vi 50 Hz i Sverige?
Europa standardiserade tidigt på 50 Hz, medan Nordamerika valde 60 Hz. Båda fungerar. Valet är historiskt och skulle bli mycket dyrt att ändra i efterhand.
Källor
- IEC 60038, standardspänningar, sammanfattad på Wikipedia
- Definitionen av ampere och elementarladdningen, Wikipedia: Ampere
- ABB: Jonas Wenström och trefassystemet
- IEEE Milestones: Gotland High Voltage Direct Current Link, 1954
- Elsäkerhetsverket: Vad får jag göra själv med el?
- EMF-Portal, RWTH Aachen: Background information for limit values
Senast uppdaterad