Elektrisk strøm: strømstyrke, ampere og forskellen på DC og AC

Du trykker på kontakten, og lampen tænder med det samme. Elektrisk strøm skal ikke først rejse fra kraftværket og frem til dig, og alligevel bevæger elektronerne i ledningen sig langsommere end en snegl. Det lyder som en modsigelse. Det er det ikke.

Strøm dukker op overalt i fysik, fra 8. klasse til Fysik A: i kredsløb, i Ohms lov, i effektopgaver og i emnet om vekselstrøm. Det er sjældent selve regningen, der driller. Det er, at strøm, spænding og modstand flyder sammen til én stor klump i hovedet. Den klump skal skilles ad, og det gør vi med et vandrør. Er du i gang med fysik fra 8. klasse til gymnasiet, er det her et af de steder, hvor det betaler sig at få billedet på plads én gang for alle.

Hvad er elektrisk strøm?

Forestil dig et vandrør, der er fyldt helt op. Åbner du hanen i den ene ende, løber der straks vand ud i den anden, selvom hver enkelt dråbe kun har flyttet sig en lille smule. En ledning fungerer på samme måde. Den er fyldt med frie elektroner, og når noget skubber til dem, begynder de alle at bevæge sig samtidig.

Ladningsbærerne er ikke altid elektroner. Ifølge den danske Wikipedia-artikel om elektrisk strøm er strøm pr. definition bevægelsen af elektrisk ladning, og den kan både bæres af elektroner og af ioner. Det forklarer, hvorfor helt rent vand leder dårligt, mens vand med lidt salt leder markant bedre. Saltet leverer ioner, som kan bære ladningen med.

Elektroner har negativ ladning, og den er så lille, at man måler den i en egen konstant: elementarladningen på cirka \( 1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\text{C} \). For at få én coulomb skal du altså samle et gigantisk antal elektroner. Det er derfor, strøm i hverdagen altid dækker over milliarder af bevægelige ladninger, og aldrig bare nogle få.

To ting skal være på plads, før der løber strøm. Der skal være en spænding, som skubber ladningerne samme vej, og kredsløbet skal være lukket, så ladningerne kan komme hele vejen rundt. Åbner du kontakten, bliver kredsløbet brudt, og strømmen stopper i hele ledningen næsten øjeblikkeligt. Et batteri uden forbundet kredsløb har altså spænding, men ingen strøm.

Strømstyrke og ampere: hvor meget ladning løber der?

Sig, at der på ét sekund løber godt seks milliarder milliarder elektroner gennem en ledning. Tallet er uoverskueligt, så fysikerne har samlet så mange elektroners ladning i én enhed, coulomb. Løber der præcis én coulomb gennem ledningen hvert sekund, har du en strømstyrke på 1 ampere. Lex beskriver en ampere som passage af en ladning på én coulomb per sekund gennem fx en ledning.

Strømstyrken fortæller altså, hvor hurtigt ladning bliver flyttet. Er den stor, passerer der meget ladning pr. sekund. I elektronik støder du ofte på milliampere (mA), hvor \( 1\,\text{mA} = 0{,}001\,\text{A} \). Apparater med varmelegeme, som en elkedel, trækker derimod adskillige ampere.

Enheden er opkaldt efter den franske fysiker André-Marie Ampère. Hans forsøg med to parallelle, strømførende ledere dannede ifølge Aktuel Naturvidenskab grundlag for den definition på 1 ampere, der gjaldt fra 1948 til 2019. I dag er amperen i stedet knyttet til en fundamental naturkonstant, men som elev behøver du kun at huske, at ampere er coulomb pr. sekund. Den præcise definition kan du slå op i Lex' artikel om ampere.

Strømstyrken siger noget om, hvor meget ladning der løber i alt. Den siger ikke noget om, hvordan den er fordelt. Det gør strømtætheden, som er strømstyrken pr. tværsnitsareal og måles i ampere pr. kvadratmeter. Samme strøm gennem en tyk og en tynd ledning giver derfor meget forskellig belastning af materialet. Den danske Wikipedia peger på, at strømtætheden skal holdes lav nok til, at lederen ikke smelter eller brænder op, eller at isoleringen ødelægges.

Forestil dig to vandslanger, hvor der løber lige meget vand pr. sekund. I den ene er slangen tynd, så vandet presser hårdt mod væggene. I den anden er den tyk, så vandet løber roligt. Strømstyrken er den samme. Belastningen er det ikke.

Hvorfor tænder lampen med det samme?

Elektronerne i en almindelig ledning driver af sted med omkring 0,1 mm i sekundet, det vil sige cirka 36 cm i timen. Det skriver Lex, og det passer med, at du kunne gå fra den ene ende af en lang forlængerledning til den anden hurtigere, end en enkelt elektron nåede det. Alligevel lyser lampen straks. Hvordan hænger det sammen?

Svaret er vandslangen. Den er altid fyldt, så vand strømmer ud, så snart du åbner for hanen, selvom vandet i slangen bevæger sig langsomt. Ledningen er altid fyldt med elektroner. Når spændingen sluttes til, skubber hver elektron til sin nabo, og skubbet løber gennem ledningen med næsten lysets hastighed. Elektronerne selv flytter sig langsomt. Signalet er hurtigt.

Strømmen er alligevel kraftig, fordi der er så uhyre mange elektroner i bevægelse. Ved 1 ampere passerer der cirka \( 6{,}25 \cdot 10^{18} \) elektroner gennem et tværsnit af ledningen hvert sekund. Mange små skridt bliver til en stor strøm.

En detalje forvirrer næsten alle første gang. Den tekniske strømretning går fra pluspolen til minuspolen, men elektronerne bevæger sig modsat, fra minus mod plus. Konventionen stammer fra tiden før elektronen blev opdaget, og i opgaver tegner du pilene efter den tekniske strømretning.

Strøm, spænding og modstand: tre størrelser, der hænger sammen

Tænk på vandrøret igen. Strømmen er mængden af vand, der løber pr. sekund. Spændingen er det tryk, der presser vandet af sted. Modstanden er, hvor snævert røret er. Pres hårdere, og der kommer mere vand igennem. Snævr røret ind, og der kommer mindre.

Experimentarium sammenfatter det på samme måde: strømstyrken måles i ampere, spændingen i volt og effekten i watt, og deres oversigt over elektricitetsbegreber er et godt sted at få de tre enheder på plads.

Tag tallene. Et batteri på 9 V sat over en modstand på 3 Ω giver en strøm på 3 A. Fordobler du spændingen til 18 V, fordobles strømmen til 6 A. Fordobler du i stedet modstanden til 6 Ω, halveres strømmen til 1,5 A. Strømmen vokser med spændingen og aftager med modstanden.

Modstanden afhænger af ledningen selv. En lang ledning har større modstand end en kort, en tynd har større modstand end en tyk, og kobber leder bedre end jern. Derfor er elledninger i hjemmet af kobber og har et tværsnit, der passer til den strøm, de skal bære. Skal en ledning bære mere strøm, skal den være tykkere, ellers bliver den varm.

Det er Ohms lov, og Lex nævner den som det, der bestemmer strømmen i en ledning ud fra spændingsfaldet og modstanden. Formlen kan omskrives, så du også kan finde spænding og modstand. Hvordan trekanten og omskrivningerne virker i praksis, kan du se i vores guide til Ohms lov.

Grafen er en ret linje gennem origo. Det er kendetegnet for en ohmsk modstand: hvis du fordobler spændingen, fordobles strømmen. Hældningen er \( \frac{1}{R} \), så en større modstand giver en fladere linje.

Hvad sker der med strømmen i serie og parallel?

Se på en hovedledning, der fører 6 A frem til to pærer, som sidder ved siden af hinanden. Pære 1 trækker 4 A, og pære 2 trækker 2 A. Lægger du de to sammen, får du præcis de 6 A, som kom ind. Strømmen deler sig ved forgreningen og samles igen bagefter, og der forsvinder ingen ladning på vejen.

Med symboler skriver du det som \( I_{\text{samlet}} = I_1 + I_2 \) i en parallelforbindelse. Er pærerne i stedet sat efter hinanden i serie, løber den samme strøm gennem begge, så \( I_1 = I_2 \). Går den ene pære i stykker i en serieforbindelse, bliver kredsløbet brudt, og begge slukker. I en parallelforbindelse lyser den anden videre, fordi den har sin egen vej rundt.

Strøm og magnetfelt: Ørsteds opdagelse

Hvad sker der med et kompas, hvis du lægger det ved siden af en ledning med strøm? Nålen drejer. Det opdagede den danske fysiker Hans Christian Ørsted i 1820, som den danske Wikipedia beskriver det: en elektrisk strøm påvirker magnetfeltet omkring lederen. Michael Faraday viste senere det omvendte, at et skiftende magnetfelt kan sætte strøm i gang i en leder.

Lex forklarer, at en lang, lige leder med strøm skaber et magnetfelt, hvis feltlinjer er koncentriske cirkler om lederen. Kombineret med magnetiske materialer er det grundlaget for generatorer, transformatorer og motorer. Så hver gang en elmotor drejer rundt, er det Ørsteds kompasnål i stor skala.

Jævnstrøm og vekselstrøm

Batteriet i din telefon og stikkontakten på væggen leverer begge elektrisk strøm, men på to vidt forskellige måder. Batteriet sender elektronerne samme vej hele tiden. Stikkontakten får dem til at skifte retning igen og igen.

Jævnstrøm, også kaldet DC fra det engelske direct current, er en strøm, der er konstant over tid, som den du får fra et batteri. Vekselstrøm, AC, varierer som en sinuskurve. Lex oplyser, at frekvensen i Europa er 50 Hz, mens USA bruger 60 Hz, og at stikkontaktens 230 V er en AC-spænding.

Et konkret billede: tegner du strømmen i en batterikreds mod tiden, får du en vandret linje, fordi værdien ikke ændrer sig. Tegner du strømmen fra stikkontakten, får du en bølge, der svinger op og ned om nul. Når strømmen er negativ, løber elektronerne bare den modsatte vej. Det ændrer ikke på, at apparatet virker, for et varmelegeme bliver varmt uanset retning.

Frekvensen 50 Hz betyder, at strømmen gennemløber 50 hele svingninger i sekundet. En enkelt svingning varer \( T = \frac{1}{f} = \frac{1}{50\,\text{Hz}} = 0{,}02\,\text{s} \), altså 20 millisekunder. Retningen skifter derfor 100 gange i sekundet, hurtigere end dine øjne kan opfange. Lampen flimrer ikke, fordi glødetråden når at holde på varmen mellem hvert skift.

På typeskiltet bag på et apparat står der to tal: spændingen, apparatet er lavet til, og effekten i watt. Ud fra de to kan du selv regne ud, hvor meget strøm apparatet trækker. Prøv med din egen hårtørrer eller computeroplader, og se om tallene passer med sikringens størrelse derhjemme.

Elnettet bruger vekselstrøm, fordi spændingen let kan transformeres op og ned. Høj spænding sender strømmen over lange afstande med lavt tab, og en transformer i nærheden af dit hjem sænker den til de 230 V, du får i stikkontakten. Batterier og solceller leverer derimod jævnstrøm, og elektronik som din telefon kræver også jævnstrøm. Derfor sidder der en oplader mellem væg og telefon, som omdanner vekselstrøm til jævnstrøm.

Sådan måler du elektrisk strøm

Et amperemeter måler strømstyrken, og det skal sidde midt i kredsløbet, ikke ved siden af. Strømmen skal nemlig løbe gennem instrumentet for at blive talt. På et multimeter finder du funktionen A, som gør det til et amperemeter.

1. 1

   Sluk for strømkilden

   Tag stikket ud eller afbryd batteriet, før du ændrer på kredsløbet.

2. 2

   Åbn kredsløbet

   Tag den ledning ud, hvor du vil måle strømmen, så kredsløbet er brudt det sted.

3. 3

   Sæt amperemeteret i serie

   Forbind amperemeteret, så al strømmen løber gennem det. Den røde ledning vender mod pluspolen.

4. 4

   Vælg måleområde

   Start med det største område og skift ned, til du får et tydeligt udslag.

5. 5

   Tænd og aflæs

   Tænd for strømkilden, aflæs værdien og skriv enheden med, ampere eller milliampere.

Prøv det med en lommelygte. Sæt amperemeteret i serie med pæren, og aflæs strømmen, når den lyser. Vender du målingen med et voltmeter parallelt over pæren, får du i stedet spændingen, og begge tal sammen fortæller dig modstanden i pæren via Ohms lov. Den slags forsøg kommer tit igen i forsøgsjournaler i fysik.

Seriekoblingen er det, der skiller strømmåling fra spændingsmåling. Spænding måler du med et voltmeter, der kobles parallelt over den komponent, du er interesseret i. Strøm måler du med et amperemeter, der kobles i serie. Husk den ene regel, og du undgår de fleste fejl i øvelsesjournalen.

Effekt og energi: hvad strømmen kan i hverdagen

En elkedel på 2000 W og en mobiloplader på 10 W sidder begge i en stikkontakt på 230 V. Kedlen trækker cirka 8,7 A, opladeren knap 0,05 A. Det er derfor, kedlen skal have en kraftig ledning, mens opladerens kabel kan være tyndt som en spaghetti.

Experimentarium forklarer, at effekten findes ved at gange strømstyrken med spændingen. Omskriver du formlen, kan du finde strømmen ud fra effekt og spænding.

Der er en anden effektformel, du skal kende, når strømmen løber gennem en modstand. Lex kalder varmeudviklingen joule-varme og angiver effekten som \( P = R \cdot I^2 \). Strømmen indgår i anden potens, så fordobler du strømmen, firedobler du varmeudviklingen. Det er grunden til, at en for tynd ledning med for stor strøm kan blive farligt varm.

Energi regner du i joule, ligesom du gør med kinetisk energi. Men elregningen bruger kilowatttimer, fordi joule er en meget lille enhed i forhold til et helt hjems forbrug. Én kilowatttime svarer til, at et apparat på 1000 W kører i en time.

Typiske fejl med elektrisk strøm

Spørg ti elever, hvad der sker med strømmen i en pære, og de fleste svarer, at den bliver brugt op. Det er den mest sejlivede misforståelse i hele emnet. Her er den og tre andre, du kan rette op på i dag.