Spænding og strømstyrke

Det er en total misforståelse at tro, at strømstyrken i et seriekredsløb kun afhænger af den største modstand i kredsløbet.

De forskellige komponenter har forskellige modstande. Det er ikke den største modstand, der bestemmer hvor stor strømmen skal være. Det er summen af modstandene, der bestemmer, hvor stor den elektriske strøm er. Den elektriske strøm er en strøm af elektriske ladninger.
 

hånden på hjertet, - jeg er elfaglærer og elinstallatør, men jeg har aldrig brudt mig om den gængse sammenligning mellem elektricitet og vand, - men jeg ved godt, at der er mange lærere, der bruger det.

Det er (efter min mening) bedre at huske på, at:

serielle forbindelser er spændingsdelere (dermed den samme strøm gennem kredsløbets komponenter)
parallelle forbindelser er strømdelere (dermed samme spænding over komponenterne)

Bare en personlig betragtning :-)

Ah, ja, det klart at det er summen af de forskellige modstande der afgør strømstyrken.

Det er så bare som pvm siger at ens logik bliver forvirret af vand-analogien...

Den kraft/spænding der sendes afsted, fordeler sig over de forskellige modstande i kredsløbet, og den strømstyrke der bliver, er den højst mulige på baggrund af de forskellige modstande til sammen? Deraf hvad pvm kalder spændingsdelere.

Er der ikke nogen der har en analogi for det her? Fx i stil med hvis man har tre forhindringer, og den ene er større end den anden, men man har den samme mængde af energi tilrådighed fra start. Alt energien bliver brugt, men man bruger en forskellig mængde energi ved hver forhindringer. Men ens løbehastighed er den samme hele tiden.

Vandanalogi fejler ingenting. Analogien er blot forkert i #0:

Det er ikke vandets hastighed, der svarer til elektrisk strømstyrke, men vandvolumen/sek. Denne størrelse er konstant, i en flod haveslange, idet vandhastighed*slangetværsnit er konstant.

Vandtrykket i haveslangen svarer til elektrisk spænding.

Hvilke børn har ikke sprøjtet med vand, har klemt en haveslange sammen og mærket at vandtrykket før klemstedet er højere end efter. Klemstedet svarer til en indsat modstand i kredsløbet. En parallelforbindelse af modtande svarer til, at slangen på en strækning grenes ud i to parallelle slanger, og der vil løbe mest vand gennem grenen med størst tværsnit ( mindst klemt sammen ).

#3: Man skal lære det på den måde, man selv har lettest ved. Ikke på den måde andre mener, man bør have lettest ved.     :)

Okay. Det giver mening.

Den elektriske energi som pæren bruger i kredsløbet, hvordan er det præcist den bliver transporteret fra hver elektron indtil destinationen? For når strømstyrken er konstant, er det ikke elektronerne der bliver brugt, men det de "har" med sig på "turen" igennem kredsløbet.

Jeg er med så langt at elektroner har et elektrisk felt og at batteriet sender elektroner afsted derfra, som på en eller anden måde gør at den elektrostatiske frastødning mellem elektronerne får dem til at bevæge sig og de så til sidst ender ved plus. Men hvor er det den elektriske energi opstår / eller transporteres...

PT har jeg alt for mange mærkelige informationer der forvirrer mig totalt... noget i stil med at energien i virkeligheden er uden for ledningen og at elektricitet skal ses som både magnetisme og elektriske felter...

hjælpp tak.....

Hvis man taler om at der er et højt potentiale ved plus-polen og et lavt potentiale ved minus-polen. Så taler man om den traditonelle forståelse af at strøm vandrer fra plus til minus. Men det er i virkeligheden omvendt, da der bliver lavet et overskud af eletroner, som vil vandre fra minus-siden til plus-siden. Så man kunne sige at det høje potentiale var ved minus-polen og var lavt ved plus-polen.

Samme tanke får mig til at spørge om det med at der er et "uniform" elektrisk felt i en ledning, at hvorfor en elektron ikke har feltlinjer der peger "udad" i stedet for "inad", da hvis de pegede udad, ville give mening i forhold til at blive tiltrukket af plus og de dermed ville have en retning. 

Jeg ved at man har defineret elektriske felter som når man placere en lille positiv ladning i et elektrisk felt, og afhængigt af tiltrækning eller frastødning definerer man feltlinjerne.

Jeg har dog svært ved at se hvordan det giver mening at feltlinjerne er udad fra en positiv, når elektronerne nu vandre fra minus til plus. Så synes jeg det gav mere mening at det rent faktisk var positive partikler der vandrede, da deres feltlinjer peger udad.

Man får jo heller ikke jorden, som har feltlinjer indad, til at bevæge sig hen til månen.

Er det historiske årsager at feltlinjerne peger udad for positive partikler?

Ja. Det har historiske årsager. I begyndelsen vidste man ikke hvad det var der vandrede i en ledning med strøm Man valgte derfor vilkårligt hvor strømmen gik fra og hvor den gik til. Da man blev klar over at det var elektroner, var begrebet så fast indarbejdet at man holdt fast på hvad der var plus og hvad der var minus

#6:  Den elektriske energi bliver ikke "transporteret i elektronerne", og bliver udløst, når disse "ankommer" til pæren. For hvordan skulle en dum elektron "vide", at "nu er jeg der".

Energien bliver udløst, når elektronen passerer/undergår et spændingsfald, hvilket så passeres i selve glødetråden, fordi der her er større modstand end i tilledningen. Det er her haveslangen er klemt sammen:

ΔU = R * I ,  P = ΔU * I ,   ΔE = ΔU * I * t

Populært kan man sige, at elektronerne afsætter "gnidningsvarme" til glødetråden under passage, fordi modstanden i denne bremser elektronerne.

Anden analogi:

Løfter man en bil op i en kran, indeholder bilen potentiel energi. Slippes bilen, vil den falde, men "transporterer" i faldet ikke potentiel energi, som så udløses, når den rammer jorden. Den potentielle energi udløses undervejs i faldet, og omsættes til kinetisk energi, fordi bilen undergår et spændingsfald højdefald.

ΔE = m * g * Δh.

Okay, så er jeg nødt til at spørge,

hvis energien bliver udløst når elektronen undergår et spændingsfald, fx over en komponent som en pære. Det sker som du skriver pga. den modstand der er i glædetråden. 

Elektronerne har samme hastighed overalt i kredsløbet, da strømstyrken er ens, men der eksisterer en spændingsforskel mellem elektronerne i starten af kredsløbet og i slutningen af kredsløbet. 

Her siger man at energien har et højt potentiale, men gennem alle komponenter ender den med at have et lille potentiale. Energien bliver altså udløst og ender som lysenergi/varmeenergi i pæren.

Lidt a la eksemplet med PE omdannes til KE i tyngdekrafts eksemplet.

Men det jeg undrer mig over er, at hvis hastigheden for hver elektron er den samme / samme strømstyrke, så "burde" elektronerne bagefter pæren jo lægge stille, fordi energien er jo blevet "udløst" - akkurat ligesom stenen ligger stille efter man har fået udløst den til KE. ( og lige præcis det har vi fået på det rene at det ikke er tilfældet.. det kan man jo endda måle.)

Beklager at jeg stadig bliver ved, jeg synes bare ikke det giver mening.

Det er ikke det, at elektroner bevæger sig eller ligger stille, der har betydning for den energi de indeholder.

I en leder med "normal"  strømtæthed, bevæger elektronerne sig med en hastighed omkring 2 mm/min. = 33 μm/sek.

Prøv at bergene elektronernes masse i et lederstykke på 2 mm, og anvend:  E_kin = ½ * m * v².  Sammenlign denne energi med den effekt de afsætter i en brødrister ( 1 kW ).  Der er ingen sammenhæng.

Det er alene den spænding, elektronerne befinder sig ved, der giver dem energiindhold.

Ah...

"Det er alene den spænding, elektronerne befinder sig ved, der giver dem energiindhold."

Jeg tror det gav mening for mig..! Vil du være sød og læse det her igennem og se om du kan følge den her formulering:

Strømstyrken er hastigheden af elektroner. Den hænger sammen med spændingen, da det er den der bestemmer hastigheden af elektroner. Elektronerne starter det sted med høj elektrisk potentiel energi, og den potentielle energi bliver mindre og mindre, da den bliver omdannet til andre energiformer på vejen. Elektronerne kan vandre pga. deres elektriske felt, så de vil hele vejen igennem kredsløbet frastøde de yderste elektroner i fx Cu atomer og "hugge" / tage pladsen fra en anden elektron, mens den næste fortsætter på samme led. Så elektronerne vandrer fra minus til plus, og minus må derfor være det sted der er høj elektrisk potentiel energi, som er blevet skabt inde i batteriet pga. en spændingsforskel mellem to metal-plader (fx zink og cubber). Fordi elektronerne kommer tættere og tættere på plus-polen, vil de hele tiden miste mere og mere elektrisk potentiel energi, indtil de er "totalt" "afladet". Og det med at de mister elektrisk potentiel energi, skal ikke forvirres med at de skubber til hinanden - det er blot pga. at deres ladning er ens og at ens ladninger frastøder hinanden. De vil igen få elektrisk potentiel energi, så længe batteriet kan lave denne spændingsforskel. Det eneste pæren gør er at udnytte den elektrisk potentielle energi til andre former, det sker helt af sig selv. Hvis spændingnen ikke er høj nok, vil strømstyrken også være lille og på den måde kan elektronerne ikke "levere" elektrisk potentiel energi hurtigt nok, til at pæren kan komme til at lyse, derfor kan en 12v pære ikke lyse, hvis den kun får en spænding på 1.5 v.

Så kort og godt: Spænding giver elektronerne elektrisk potentiel energi, som pæren helt automatisk udnytter, og elektronernes elektrisk potentielle energi bliver mindre og mindre jo tættere de kommer på pluspolen. Hvis ikke strømstyrken - altså hastigheden på elektronerne - er høj nok, kan pæren ikke "få nok" elektrisk potentiel energi til at kunne virke. Strømmen er kun et udtryk for hvor hurtigt elektronerne skal vandre for at kunne aflevere nok elektrisk potentiel energi til pæren for at den kan virke. Strømmen af elektroner er godt nok ens overalt i kredsløbet, men det er kun pga. elektronerne har samme ladning - og vil skubbe til hinanden på samme led i hele kredsløbet.

Hvordan den elektrisk energi helt præcist er udformet er jeg stadigvæk grundlæggende i tvivl om. Jeg læste et sted at energien i virkeligheden bliver transporteret gennem et elektromagnetisk felt, som sker fordi der bliver lavet et ensartet elektrisk felt, og rundt om den opstår der et magnetisk felt. Og det på en eller anden måde er energien der bliver overført gennem det. Men det er nu måske også underordnet hvad den i virkeligheden er, det vigtigste for mig er at jeg ved at der er noget energi og den forsvinder støt når elektroner rejser mod plus.

Strømstyrke i en leder, er et antal elektroner, der passerer et ledertværsnit pr. sekund.

1A = 1 Coulomb / sek.   1 Coulomb ≈ 6,2 * 10¹⁸ elementarladninger ( elektroner ).  Glem nu denne elektronhastighed. Strømstyrke har intet med denne at gøre. I en haveslange, svarer strømstyrken til liter vand pr. sekund. Sætter du en dyse for enden af slangen, kommer vandet ud gennem dysen med stor hastighed, således at man kan sprøjte langt. Inde i slangen løber vandet afsted med mere adstadig hastighed, men det antal liter/sek, der kommer gennem slangen hhv. ud af dysen, er da det samme !

På samme måde kan man "muffe" en 10mm² leder sammen med en 1mm² leder. Elektronernes hastighed vil blive en faktor 10 større i den tynde leder, men strømstyrken i de to ledere er den samme.

Hvad angår spænding, er dette en relativ størrelse i form af: Spænding i forhold til hvad ? ?  Man siger, at jordspændingen er 0V, men det er jo kun i kraft af, at man så har valgt netop jordspændingen som reference.  Hvis man har en kæmpekran og løfter en bil på 1200 kg op i 4800 m højde, har bilen en betragtelig potentiel energi. Men svinger vi nu kranen ind over toppen af Mont Blanc ( 4807m ), og slipper den der, så er der ikke meget potentiel energi tilbage i det.

Så det er højdeforskel og spændingsforskel, der giver potentiel energi.

Dine overvejelser omkring energitransport via elektromagnetiske felter, ved jeg ikke noget om, men det skal såmænd nok passe, at visse fysikere er uenige om, hvorvidt en elektron skal opfattes som en elektrisk ladet partikel, eller som elektromagnetisk bølge ? ?

#1: Strømstyrken: ja, jeg ser nu at jeg har forvirret hastighed og strømstyrke og sat dem sammen. Det er klart at strømstyrke er et udtryk for hvor meget ladning der passerer et ledertværsnit pr. sekund. Som du skriver at:

"På samme måde kan man "muffe" en 10mm2 leder sammen med en 1mm2 leder. Elektronernes hastighed vil blive en faktor 10 større i den tynde leder, men strømstyrken i de to ledere er den samme."

Selvom ledningen er tyndere, så vil elektronernes hastighed være hurtigere i den tynde, men styrken pr. sekund er stadig den samme. Det giver total mening nu. Hastigheden af elektronerne er én ting, en anden er strømstyrken. Tak.

# 2 Spænding / energitransport: Ja, jeg kan godt følge gravitions-sammenligningen. Det der grundlæggende stadig generer mig er så bare at forstå 1# hvordan energien bliver udnyttet / og 2# hvad der sker efter udnyttelsen af energien.

1# Men er det rigtigt bare at sige at - hvis man fx blev i gravitions-sammenligningen - at lige så dannet som en sten oppe 10 km i luften er PE som kan blive til KE, hvis den smides ned, kan komponenterne i et elektrisk kredsløb opsnappe denne energi, som er elektrisk energi fordi den spændingsforskel der er mellem minus og plus er stor nok til at det kan lade sig gøre. 

2# Hvis energien er noget som elektronerne har med sig fordi de er ladet, så vil de jo være afladet bagefter, og de kan de jo ikke, da en élektron er en elementarladning og strømstyrken er den samme selv efter en komponent har udnyttet den elektriske energi, men spændingen er ikke. Spændingen er energien, men hvis du smider en sten ned og dens KE bliver udnyttet, når der så ikke er mere KE tilbage, så lægger den stille. Men elektronerne vil jo ikke ligge stille, de vil fortsætte med den samme strømstyrke - men nu uden energi. Jeg synes det er lidt paradoksalt....

#14:   Du skal tilbage til #11:

Det er alene den spænding, elektronerne befinder sig ved, der giver dem energiindhold.

Betragt en kondensator, med to kondensatorplader, den ene (A) med en spænding på 0V, den anden (B) med en spænding på -1V. Hvis du nu, med en pincet, kunne gribe fat i en elektron på A, og flytte den over på B, vil elektronen modsætte sig den flytning, da den tiltrækkes af A og frastødes af B. Du skal derfor yde et stykke arbejde ved denne flytning = 1 eV ( elektronvolt ). Dette fordi du ændrer den spænding, som elektronen befinder sig ved, -1V.

1 eV ≈ 1,6*10^-19 J

I din ivrighed beslutter du at flytte 1 Coulomb ≈ 6,2*10¹⁸ elektroner. Det samlede arbejde vil herved være =

1,6*10^-19 J * 6,2*10¹⁸ ≈ 1 J.

Hvis du kan flytte denne Coulomb på 1 sek, er den ydede effekt under flytningen  1 J/s = 1W, og strømstyrken har været  1 C/s = 1A.  Effekten kan også beregnes ved:

P = ΔU * I = 1V * 1A = 1W

Hvis du forbinder A og B med en pære, vil kondensatoren blive "afladet" ved den omvendte proces, altså elektronerne vil søge tilbage til A gennem pæren, og vil herved levere det tilførte arbejde tilbage igen, nu i form af opvarmning af glødetråden.

Så man kan sige, at elektronerne optager/afgiver potentiel energi ved bevægelse mod/med et elektrisk felt. Det er ikke selve elektronen, der ved opladning/afladning eller ved ændret bevægelseshastighed optager/afgiver potentiel energi.

Eftersom der ved strømgennemløb i en glødetråd dannes et spændingsfald over glødetråden, må der i selve glødetråden være et elektrisk felt med styrken:  ΔU / længde, og den afgivne effekt afsættes, så at sige, i dette felt.

Konklusion:

Gravitation:    Ingen tyngdefelt  →  Ingen potentiel energi.

Elektricitet:   Ingen elektrisk felt   →  Ingen potentiel energi.

Okay, jeg har prøvet at forstå dit eksempel med at bruge en kondensator, men det har ikke helt lykkedes.

Ikke desto mindre har jeg fået et større overblik over begrebet spænding generelt.

Jeg er helt med på at det er en elektrisk spændingsforskel mellem minus og plus, der gør at det ene felt har højere potentiel energi, end den anden ende, fordi "naturen" altid vil søge balance. Og en større negativ side vil søge at balancere den ubalance og bevæge sig hen hvor der så at sige "er plads." Den fysiske egenskab gør at man kan udnytte det til elektrisk energi.

i midlertid, er jeg stødt på endnu et forståelsesproblem mht. parallelle kredsløb.

Jeg kan godt forstå argumentet for hvorfor spændingen er den samme over hvert kredsløb i et parallelt, da hver har sin start station og slut station, og dermed den samme potentielle energi.

Men hvis volt er energi pr. ladning, så har jeg egentligt svært ved at se hvordan volten kan være den samme, når strømstyrken halveres. Strømstyrken blev vi jo enige om var et udtryk for hvor meget ladning der pr. sekund kom igennem et tværsnit i en ledning. Men hvis den fx halveres, så vil der jo også være færre ladninger der kommer igennem et sted pr sekund, og dermed vil volt, som var energi pr. ladning, jo også være mindre. Jeg kan sagtens følge Kirchofs strømstyrke-regl. Men jeg synes det virker mærkeligt med volten. For nu er det jo mindre ladning pr sekund, og volt er energi pr ladning.

Hvad er det jeg misser?

Eller ville man kunne sige sådan: At selvom der nu er færre ladninger der pr. sekund kommer igennem det første kredsløb, så har ladninger principielt set fået mere energi pr ladning, end de ville have hvis systemet var sat ind i et serielt kredsløb.

Og kunne man ikke også sige at et parallelt kredsløb, principielt bare er to seriekredsløb der deler den samme strømforsyning?

To parallelle kondensatorplader, kan have to forskellige potentialer, f.eks. -5V og +12V. De har så en spændingsforkel på 17V. Hvis afstanden mellem pladerne er 1mm, vil der være et elektrisk felt mellem dem med styrken  17V/1mm = 17kV/m. Potentialet i feltet vil ændre sig 1V for hver 58,824μm man bevæger sig parallelt med feltet, osv.

Du skriver så:  volt, som var energi pr. ladning  alias

U = E / Q

Men her hopper kæden af, for du slutter så, at hvis Q halveres, så må spændingen jo halveres fordobles, for at ligningen stemmer. Men sådan er det ikke:  Hvis Q halveres, vil E - alt andet lige - også halveres, og spændingen er derfor konstant.

Jeg er ikke helt med i dine to sidste afsnit ?

Jeg ved ikke helt hvorfor jeg ser det lidt forkert... jeg tror jeg er fanget i en forkert tankegang..

1) Indstil en strømforsyning på 8 volt.

2) Lav en serieforbindelse med 2 pærer.

3) Se ampere.

Dernæst...

1) Lad vær med at ændre på indstillinger fra strømforsyningnen

2) Lav nu en parallelforbindelse

3) Se hvordan at spændingen nu ikke siger 8v, men måske 4 volt.

4) Skru igen op på 8v og se hvordan der fordeles 4 volt ud til begge.

5) Så selvom at at mængden af energi er ens i begge parallelforbindelser, er strømstyrken nu en anden. Men det er kun fordi man har ændret på det faktum at man har været nødt til at skrue op for spændingen i starten. Og på den måde har man jo selfølgelig forhøjet den mængde af energi HVER ladning får, og dermed bliver spændingen den samme i begge.

De sidste to afsnit, prøver jeg at sige:

1) Ud fra en strømforsyning, splitter du et signal med to ledninger ud fra fx minus.

2) Dem kører du til hver sin pærer, hvorfra du tager to ledninger og kører fra hver pærer til plus og der samler du signalet.

Det jeg prøver at sige er, at strømforsyninger jo i virkeligheden blot har HVER sin serieforbindelse, der bruger energi fra kun én strømforsyning.

Så en parallelforbinelse er principielt to serieforbindelser der låner fra en strømforsyning.

I forhold til det tidligere jeg skrev, så må formlen strengt taget hedde U = ΔE / Q fordi energimængden pr. antal af colomb afgør spændingen. 

Så hver coloumb/Q får en vis ΔE. Og i et simpelt parallelt kredsløb, vil så vil halvden af coloumb/Q gå en vej og den anden halvdel den anden. Men deres ΔE vil ikke.

ex: jeg har et parallelt kredsløb, hvor der er en strømstyrke total strømstyrke på 0,04 A, men hvert system får altså kun 0,02 A. Jeg er interesseret i at finde ud af hvor mange Q der kommer igennem et minut.

Så bruger jeg formlen Q = I * t og finder frem til at 0,02 A * 60 s = 1,2 C.

Der strømmer altså 1,2 coloumb/Q gennem et af kredsløbene, og hvis man tog dem begge sammen, ville det være 2,4 C.

Hvis spændingen så er på fx 12 v, så kan jeg sige at: E = U * Q

1,2 C * 12 v = 14,4 E/Joules

Og på den måde bruger det andet system også 14,4 E/Joules.

Jeg ved nu at jeg har på en eller anden måde set det som smart at have et parallelt kredsløb, og helt glemme det faktum at det samtidig "koster" mere energi at køre rundt, fordi der skal dobbelt så meget energi ud.

Så: PÅ strømforsyning står der 12 v og der står 0,04 A.

I = Q / t hvor Q blev 2,4 C i alt, og 1,2 C delt op. Og vi ved at hvert system kræver 14,4 E / Joules, og for begge 28,8 E / Joules.

Derfor:

28,8 E/ 2,4 Q = 12 volt.