Elektricitet – vad det är, hur det fungerar och varför det är viktigt

Idén om elektricitet, eller det faktum att bärnsten får förmågan att dra till sig ljusa föremål när man gnuggar den, kan ha varit känd av den grekiske filosofen Thales av Milet, som levde omkring 600 f.Kr.

En annan grekisk filosof, Theofrastos, hävdar i en avhandling att denna kraft finns hos andra ämnen.

Den första vetenskapliga studien av elektriska och magnetiska fenomen kom dock inte förrän 1600 e.Kr., efter forskning av den engelske läkaren William Gilbert. Gilbert var den förste som använde termen elektrisk (grekiskans elektron, "bärnsten") för den kraft som ämnen utövade efter att ha gnuggats. Han gjorde också skillnad mellan magnetisk och elektrisk verkan.

Ben Franklin ägnade mycket tid åt elektrisk forskning. Hans berömda drakexperiment visade att den atmosfäriska elektriciteten (som orsakar blixtar och åska) är identisk med den elektrostatiska laddningen på en Leydenburk. Franklin utvecklade sin teori om att elektricitet är en enda "vätska" som finns i all materia och att dess effekter kan förklaras med över- och underskott av denna vätska.

Det finns två typer av elektriska laddningar som trycker och drar på varandra: positiva laddningar och negativa laddningar. Elektriska laddningar trycker eller drar på varandra om de inte rör vid varandra. Detta är möjligt eftersom varje laddning skapar ett elektriskt fält runt sig själv. Ett elektriskt fält är ett område som omger en laddning. Vid varje punkt nära en laddning pekar det elektriska fältet i en viss riktning. Om en positiv laddning placeras vid den punkten kommer den att tryckas i den riktningen. Om en negativ laddning placeras i den punkten kommer den att tryckas i exakt motsatt riktning.

Det fungerar som magneter, och elektricitet skapar faktiskt ett magnetfält där liknande laddningar stöter bort varandra och motsatta laddningar dras till varandra. Det betyder att om man placerar två negativa laddningar nära varandra och släpper dem, kommer de att flytta sig från varandra. Samma sak gäller för två positiva laddningar. Men om du placerar en positiv laddning och en negativ laddning nära varandra skulle de dras till varandra. Ett kort sätt att komma ihåg detta är frasen motsatser attraherar varandra, likheter stöter bort varandra.

All materia i universum består av små partiklar med positiva, negativa eller neutrala laddningar. De positiva laddningarna kallas protoner och de negativa laddningarna kallas elektroner. Protoner är mycket tyngre än elektroner, men båda har samma mängd elektrisk laddning, förutom att protoner är positiva och elektroner är negativa. Eftersom "motsatser attraherar varandra" håller protoner och elektroner ihop. Några få protoner och elektroner kan bilda större partiklar som kallas atomer och molekyler. Atomer och molekyler är fortfarande mycket små. De är för små för att synas. Alla stora föremål, som ditt finger, innehåller fler atomer och molekyler än någon kan räkna. Vi kan bara uppskatta hur många det är.

Eftersom negativa elektroner och positiva protoner håller ihop till stora föremål är alla stora föremål som vi kan se och känna elektriskt neutrala. Elektriskt är ett ord som betyder "beskriver elektricitet", och neutralt är ett ord som betyder "balanserat". Det är därför vi inte känner att föremål trycker och drar på oss på avstånd, vilket de skulle göra om allt var elektriskt laddat. Alla stora föremål är elektriskt neutrala eftersom det finns lika mycket positiv och negativ laddning i världen. Vi skulle kunna säga att världen är exakt balanserad, eller neutral. Forskarna vet fortfarande inte varför det är så.

Elektronerna kan röra sig överallt i materialet. Protoner kan aldrig röra sig runt ett fast föremål eftersom de är så tunga, åtminstone jämfört med elektronerna. Ett material som låter elektroner röra sig runt kallas för en ledare. Ett material som håller varje elektron tätt på plats kallas för en isolator. Exempel på ledare är koppar, aluminium, silver och guld. Exempel på isolatorer är gummi, plast och trä. Koppar används mycket ofta som ledare eftersom det är en mycket bra ledare och det finns så mycket av det i världen. Koppar finns i elektriska ledningar. Men ibland används andra material.

I en ledare studsar elektronerna runt, men de fortsätter inte att gå i samma riktning länge. Om ett elektriskt fält skapas i ledaren kommer alla elektroner att börja röra sig i motsatt riktning mot den riktning som fältet pekar mot (eftersom elektroner är negativt laddade). Ett batteri kan skapa ett elektriskt fält inuti en ledare. Om båda ändarna av en bit tråd ansluts till de båda ändarna av ett batteri (som kallas elektroder) kallas den slinga som skapats för en elektrisk krets. Elektroner kommer att flöda runt och runt kretsen så länge som batteriet skapar ett elektriskt fält inuti ledningen. Detta flöde av elektroner runt kretsen kallas elektrisk ström.

En ledande tråd som används för att transportera elektrisk ström är ofta lindad i en isolator, t.ex. gummi. Detta beror på att ledningar som leder ström är mycket farliga. Om en person eller ett djur rör vid en naken tråd som leder ström kan de skadas eller till och med dö beroende på hur stark strömmen är och hur mycket elektrisk energi strömmen överför. Du bör vara försiktig i närheten av eluttag och nakna ledningar som kan vara strömförande.

Det är möjligt att ansluta en elektrisk anordning till en krets så att elektrisk ström flyter genom anordningen. Denna ström överför elektrisk energi för att få apparaten att göra något som vi vill att den ska göra. Elektriska apparater kan vara mycket enkla. I en glödlampa till exempel överför strömmen energi genom en speciell tråd som kallas glödtråd, vilket får glödlampan att lysa. Elektriska apparater kan också vara mycket komplicerade. Elektrisk energi kan användas för att driva en elmotor inuti ett verktyg som en borrmaskin eller en pennvässare. Elektrisk energi används också för att driva moderna elektroniska apparater, t.ex. telefoner, datorer och tv-apparater.

Några termer som rör elektricitet

Här är några termer som man kan stöta på när man studerar hur elektricitet fungerar. Studiet av elektricitet och hur den gör elektriska kretsar möjliga kallas elektronik. Det finns ett teknikområde som kallas elektroteknik, där människor hittar på nya saker med hjälp av elektricitet. Alla dessa termer är viktiga för dem att känna till.

• Ström är den elektriska laddning som flödar. När 1 coulomb elektricitet rör sig förbi någonstans på 1 sekund är strömmen 1 ampere. För att mäta strömmen vid en punkt använder vi en amperemeter.

• Spänningen, även kallad "potentialskillnad", är "drivkraften" bakom strömmen. Det är den mängd arbete per elektrisk laddning som en elektrisk källa kan utföra. När 1 coulomb elektricitet har 1 joule energi har den 1 volt elektrisk potential. För att mäta spänningen mellan två punkter använder vi en voltmeter.

• Motstånd är ett ämnes förmåga att "bromsa" strömmen, dvs. att minska den hastighet med vilken laddningen flyter genom ämnet. Om en elektrisk spänning på 1 volt upprätthåller en ström på 1 ampere genom en tråd är trådens motstånd 1 ohm - detta kallas Ohms lag. När strömflödet motarbetas "förbrukas" energi, vilket innebär att den omvandlas till andra former (t.ex. ljus, värme, ljud eller rörelse).

• Elektrisk energi är förmågan att utföra arbete med hjälp av elektriska apparater. Elektrisk energi är en "bevarad" egenskap, vilket innebär att den beter sig som en substans och kan flyttas från plats till plats (t.ex. längs ett överföringsmedium eller i ett batteri). Elektrisk energi mäts i joule eller kilowattimmar (kWh).

• Elektrisk effekt är den hastighet med vilken elektrisk energi används, lagras eller överförs. Flödet av elektrisk energi längs kraftledningar mäts i watt. Om den elektriska energin omvandlas till en annan energiform mäts den i watt. Om en del av energin omvandlas och en del lagras mäts den i voltampere, eller om den lagras (som i elektriska eller magnetiska fält) mäts den i reaktiva voltampere.

Elektrisk energi produceras oftast i kraftverk. De flesta kraftverk använder värme för att koka vatten till ånga som driver en ångmaskin. Ångmaskinens turbin driver en maskin som kallas generator. Spiralformade trådar inuti generatorn snurrar i ett magnetfält. Detta gör att elektricitet flödar genom trådarna och transporterar elektrisk energi. Denna process kallas elektromagnetisk induktion. Michael Faraday upptäckte hur man gör detta.

Många värmekällor kan användas för att koka vatten för generatorer. Värmekällorna kan använda förnybara energikällor där tillgången på värmeenergi aldrig tar slut och icke förnybara energikällor där tillgången så småningom förbrukas.

Ibland kan ett naturligt flöde, t.ex. vindkraft eller vattenkraft, användas direkt för att driva en generator så att ingen värme behövs.