Hjælp til teori om elektricitet

Hejsa, jeg har en lærer, der vil tvinge os til at lave vores allersidste aflevering i fysik om et emne vi næsten ikke har haft noget om. Dette er meget frustrerende, når man ikke vil lave store fejl i sin allersidste rapport. Jeg vil derfor spørge om der er en sød sjæl derude, der vil kigge mit teoriafsnit om elektricitet igennem!

For at kunne beskrive de forskellige karakteristikker, der laves på baggrund af eksperimenterne i forsøget, er det hensigtsmæssigt først at beskrive fænomenet elektricitet – elektricitet er en transport af elektriske ladninger. I et fast stof er det altid elektronerne, der vandrer (elektronvandring), mens det kan være anderledes i en væske, hvor ionerne kan transportere den elektriske strøm. Denne rap-port vil kun beskrive elektronvandring, da der kun gores brug af faste stoffer. Inden for fysikken regner man altid med, at disse elektroner går fra en pluspol til en minuspol, mens det omvendte fak-tisk er tilfældet, da elektronerne er negativt ladet. For at beskrive denne strøm af elektriske ladnin-ger gøres der brug af flere forskellige begreber med tilhørende enheder, herunder den elektriske strømstyrke som betegnes I. Den elektriske strømstyrke har SI-enheden ampere, hvilket forkortes A. Den elektriske strømstyrke findes som , hvor ?q er ladningen, der passerer et bestemt sted i coulomb, og hvor ?t er tiden i sekunder. Denne SI-enhed for elektronisk ladning, coulomb, er derfor defineret som , hvilket er den ladning, der på et sekund passerer et tværsnit af en leder, når strømstyrken i lederen er 1 A. Denne enhed er dog upræcis, da enheden for ampere er upræcis . Man kan derfor se, hvorfor det er så vigtigt inden for fysikken at definere præcise enheder – de kan nemlig ”smitte af” andre enheder. En mere præcis definition kunne i stedet være ud fra elementar-ladningen, der er den mindste ladning, der findes i naturen. Enhver fri elektrisk ladning vil altid være et helt antal gange med denne elementarladning – det vil sige, at elektrisk ladning er kvantise-ret. Almindeligvis indeholder en elektrisk strøm mange milliarder elementarladninger. En enkelt elementarladning er på . Derfor er . For at finde den elektriske strøms effekt er det desuden vigtigt at finde spændingsfaldet, der er defineret som omsat elektrisk energi Eel pr. ladningsenhed: . Spændingsfaldet har SI-enheden volt, der er defineret som J/C og betegnes V. I modsætning til strømstyrken, som er defineret i et punkt, så gi-ver det ikke mening at snakke om spændingfaldet i et punkt, da dette spændingsfald forandres af elektriske komponenter, hvorved der afsættes eller tilføres energi. Strømstyrken forandres altså ikke, i stedet forandres elektronernes energi. For at finde den samlede elektriske effekt en komponent omsætter ganges strømstyrken I med spændingsfaldet U. Effekten betegnes P og har SI-enheden watt, der er og betegnes W. Denne enhed er dog meget stor, hvis man vil beskrive forholdene på elektronniveau, hvorfor man ofte bruger enheden elektronvolt, der er defineret som den energi-mængde Eel man får, når en elektron gennemløber en spændingsforskel på 1 volt – dette giver resul-tatet .

Disse elektroners vej igennem stoffer kan være meget forskellig alt efter stoffets lede-evne. En isolator som f.eks. papir kan næsten ikke lede, mens en leder som f.eks. kobber er suveræn til at lede elektrisk strøm. Det skyldes, at i en leder som f.eks. en kobberstang er atomerne så tæt pakket, at de yderste elektroner ikke er bundet til noget bestemt atom – disse kaldes ledningselek-troner. Disse ledningselektroner er hele tiden i hurtig bevægelse i mange forskellige retninger på samme måde som molekylerne i en gas, hvilket gør, at de ikke rykker sig. Hvis man derimod slutter lederen til en jævnspændingskilde, kommer der en svag kraftpåvirkning på alle elektronerne, der giver dem en lille driftshastighed oven i den tilfældige bevægelse frem og tilbage. Dette er denne utrolig langsomme driftshastighed, der registreres som elektrisk strøm . Dette kan også udtrykkes vha. teorien om energibånd. I en leder som kobber er det øverste besatte energibånd i lederen kun delvist fyldt af elektroner. Der er derfor muligheden for, at disse elektroner kan modtage den smule ekstra kinetiske energi i form af en kraftpåvirkning fra f.eks. en jævnspændingskilde, hvilket mulig-gør en elektrisk strøm – dette bånd kaldes derfor ledningsbåndet. For halvledere og isolatorer er det øverste besatte energibånd fyldt helt op, hvilket gør, at elektronerne skal overkomme et energigab for at springe op på et højere energiniveau, hvor der er mulighed for at skabe en elektrisk strøm. Det bør desuden nævnes, at der i grænseområdet imellem ledere og isolatorer findes halvledere.

Mange mange MANGE tak!