I dagligt tal räcker ordet elektricitet eller elkraft för att beskriva ett antal fysikaliska effekter. I vetenskaplig terminologi är däremot denna term vag, och det är bättre att tala om följande inbördes relaterade men distinkta fenomen:
Elektrisk laddning — en egenskap hos vissa subatomärapartiklar och som bestämmer deras elektromagnetiska interaktioner, mätt icoulomb. Elektriskt laddad materia både skapar och påverkas av elektromagnetiska fält.
Elektrisk ström — en rörelse eller flöde av elektriskt laddade partiklar, som mäts iampere.
Elektromagnetiskt fält — ett kraftfält som skapas av en elektrisk laddning på laddningar i dess närhet.
Elektromagnetism — en grundläggande interaktion mellan magnetfältet och närvaron och rörelsen hos en elektrisk laddning.
Elektriska fenomen har studerats sedanantiken, även om vetenskapliga framsteg inom området inte gjordes innan 16- och 1700-talen. Praktiska användningsområden för elektriciteten förblev dock få till dess attingenjörer under det senare 1800-talet lärde sig att använda elektricitet i hem och inom industrin. Den snabba expansionen av elektrisk teknik vid den tiden transformerade samhället i grunden. Elektricitetens ovanliga flexibilitet somenergikälla betyder att den kan användas i en rad sammanhang, inklusive förtransport,uppvärmning,ljus,kommunikation ochberäkning. Elektriciteten kan förväntas utgöra ryggraden hos det industriella samhället över en överskådlig framtid.[2]
För några hundra år sedan använde man inte elektricitet. Gatlamporna var gaslampor, transportmedlet var häst och vagn och maten kokades på vedspisar.
Statisk elektricitet var känd redan under antiken. Under 600-talet f Kr upptäcktegrekerna att om man gnuggade päls motbärnsten, så kunde bärnstenen dra till sig lätta föremål. Det grekiska ordet för bärnsten äre'lektron. Efterhand upptäckte man flera andra ämnen med samma egenskap. Den första som studerade detta mer ingående var den engelska fysikernWilliam Gilbert (1544–1603). Han kallade attraktionen som bildades för elektrisk kraft efter det grekiska ordet elektron, som betyder just bärnsten.
Idag förklarar vi elektriska fenomen med begreppetelektrisk laddning. FransmannenCharles Dufay (1698–1739) var den första som visade att det finns två sorts laddningar, men det varBenjamin Franklin som införde begreppet positiv och negativ laddning. Omkring 1820 upptäckteHans Christian Ørstedelektromagnetismen, för vilkenAndré-Marie Ampère omgående formulerade matematiska ekvationer. Detta ledde till ökad experimentell aktivitet bland forskare under 1800-talet.
På 1900-talet blev det klart att positiv laddning är knuten till protonen och negativ laddning till elektronen.
Man brukar beskriva elektricitet medklassisk elektrodynamik. Enligt denna teori består elektricitet av rörligaladdningar, som kan vara positiva eller negativa. Lika laddningar stöter bort - repellerar - varandra, medan olika laddningar drar till sig - attraherar - varandra. Om positiva och negativa laddningar finns på samma plats förintar de varandra i enelektrostatisk urladdning. Laddningarna påverkas också av material - material delas vanligen in ielektriska ledare, där laddningarna kan röra sig och på så sätt bilda enelektrisk ström, ochisolatorer, som laddningarna inte kan röra sig genom.
En elektrisk ström räknas som positiv till sin riktning för ett flöde av positivt laddade partiklar från en punkt med högreelektrisk potential (spänning) till en punkt med lägre elektrisk potential.Strömstyrka kan bestämmas av potentialskillnaden mellan punkterna (spänningsfall som räknas ivolt) och motståndet mellan dem (resistans om strömmen ärlikström, menimpedans om strömmen ärväxelström). Vid likström kan strömstyrkan räknas ut med formeln (därI är ström,Uspänning ochRresistans. Om strömmen periodiskt växlar riktning (växelström) blir formeln (därZ ärimpedans).
Elektroskop med remsor avbladguld. Då bladen har likadana laddningar repellerar bladen varandra och vinkeln mellan bladen är ett mått på laddningens storlek. Elektroskopet kan laddas med en stav
Att det finns två och endast två typer avstatisk elektricitet har varit känt sedan 1700-talet. Du Fay myntade termernavitreös ochresinös, för "glaselektricitet" och "kådaelektricitet".[4] Laddningar av samma typ repellerar varandra, medan växelverkan mellan laddningar av olika typ är attraktiv.Benjamin Franklin upptäckte att man kunde betrakta dessa som positiva och negativa laddningar, vars algebraiska summa ärkonserverad. Detta betyder att den totala laddning varken kan förnyas eller förintas, vilket gör den till en av de elementära egenskaper materia besitter.
Elektrisk laddning kvantifieras till negativa eller positiva multipler avelementarladdningene.
Elektrisk ström uppstår då enelektrisk laddning förflyttas. Ström definieras som laddning per tidsenhet. De laddade partiklarna är vanligtviselektroner men kan även varajoner. I enelektrisk krets säger man av historiska skäl att strömmen går från högre till lägre potential även om elektronerna rör sig i motsatt riktning.
Fältlinjer emanerar från en positiv laddning ovanför en plan ledare.
Ett elektriskt fält är ettvektorfält som beskriver skillnader i den elektriska potentialen i rummet. Det kan beskrivas med "pilar" i rummet, som pekar från positiva laddningar till negativa. Elektriska fält påverkar andra laddningar med enkraft. Man kan också, kanske mer korrekt, säga att det elektriska fältet medierar kraftverkan mellan laddade föremål. Konceptet elektriskt fält introducerades avMichael Faraday.
Den elektriska fältstyrkan är envektor medSI-enhetennewton percoulomb(N C−1), eller om man så vill (och helt ekvivalent),volt permeter (V m−1). Riktningen för fältet i en given punkt definieras som riktningen på den kraft som fås på en positiv testladdning i punkten. Beloppet av fältet definieras som kvoten mellan kraftens belopp och laddningens storlek. Ett elektriskt fält innehållerelektrisk energi, med enenergitäthet proportionell mot kvadraten på fältstyrkan. I en ofta använd analogi mellan elektriska ochmekaniska storheter kan man säga att det elektriska fältet är för laddning vadacceleration är förmassa.
En laddning i rörelse omger sig inte bara med ett elektriskt fält, utan även med ettmagnetiskt fält, och i enallmännare teori är dessa två fält inte längre separata fenomen – vad en observatör uppfattar som ett elektriskt fält kan en observatör i ett annat referenssystem uppfatta som en blandning av elektriska och magnetiska fält. Därför talar man inom fysiken ofta om ”elektromagnetism” och ”elektromagnetiska fält”. Inomkvantelektrodynamiken benämns det elektromagnetiska fältkvantatfoton, enelementarpartikel med kvantiserad energi.
Elektrisk spänning är en skillnad i elektrisk potential mellan två punkter. Om punkterna skulle komma i kontakt med varandra genom enelektrisk ledare som till exempel enmetalltråd ellerresistor, uppstår enelektrisk ström som strävar att utjämna potentialskillnaden mellan punkterna. Strömmen består av en förflyttning av laddade partiklar, vanligtvis elektroner. En sammankoppling som praktiskt taget saknar motstånd kallaskortslutning.
Elektrisk spänning mäts iSI-enhetenvolt som förkortasV. Eftersom 1V = 1J/As, är elektrisk spänning den energi som laddningen 1As avger eller upptar när den rör sig genom ett elektriskt fält. Enheten volt är ingen grundenhet iSI utan definieras som den spänning som krävs över till exempel enresistans för att strömstyrkan 1A ska generera effekten 1W enligt effektformelneffekt = spänning • ström. Enstorhet som anger den elektriska spänningen mellan två punkter brukar betecknasU (avty.Unterschied som betyder 'differens', 'skillnad'). Ett exempel ärOhms lag U=R • I som ger oss sambandet mellan spänningen, resistansen i sammankopplingen och styrkan hos den ström som därvid uppstår.
Varjeelektriskt laddat föremål omges av ettelektriskt fält. I varje punkt har fältet en vissstyrka, och en vissriktning. När ett elektriskt laddat föremålplaceras i ett elektriskt fält, påverkas det av enelektrisk kraft, som är proportionell dels mot styrkan av fältet, dels mot den egna laddningen. När ett elektriskt laddat föremålrör sig genom ett elektriskt fält, påverkas det av enmagnetisk kraft.
Elektrisk laddning och magnetism är två sidor av samma kraft, elektromagnetism. Enkelt uttryckt är elektromagnetism det som uppstår ur att en foton växelverkar med en laddad partikel. Varje rörelse av elektriska laddningar ger upphov till ett magnetfält, och varje magnetfält påverkar elektriska laddningar att röra sig. Den fundamentala kraften förmedlas avfotoner ochväxelverkar med alla laddade partiklar. Den elektromagnetiska kraften ligger bakom i princip alla fenomen i vår vardag som inte orsakas avgravitationen. Den skapar bland annatkemiska bindningar,normalkrafter (som hindrar föremål från att flyta in i varandra),friktion ochytspänning.
Elöverföring, det vill säga överföring av elektrisk energi långa sträckor, sker medhögspänningsledningar. Eldistribution är överföring av el till hushåll.
Då trygg försörjning av elkraft är en förutsättning för ett modernt samhälle och då ingen kan garantera problemfri leverans uppstår ett behov av att skapa ett gemensamtelnät som kopplar samman alla producenter och konsumenter i ett större område. I norra och centrala Europa, ursprungligen endast Sverige och Norge, samordnas elhandeln via enelbörs som kallasNord Pool. Det man sätter ett pris på ärelektrisk energi, vanligtvis i valuta perkilowattimme. Sverige och Norge exporterar ofta till sina grannländer, och importerar sällan, och har ett förhållandevis lågt pris och mycket hög andel fossilfri el. Eloriset har på senare år höjts när grannländernas pris har höjts, till följd av elexporten och att priset i ett land sätts av det land som betalar mest. Överskottet (skillnaden mellan ländernas börspris) går till distributören, i Sveriges fall oftast statligaSvenska Kraftnät.
Kundens elpris i bland annat Sverige består av följande komponenter:
det börspris elhandelsföretaget betalat för hur elen påNord Pool
elhandelsföretagets påslag (regleras i elavtalet)
miljöpåslag, om elavtal endast tillåter förnybar energi
Sverige har tidigare haft ett enhetligt pris över hela landet trots att tillgången av elkraft jämfört med efterfrågan kan ha stora kraftiga skillnader från plats till plats.
På grund av bristande kapacitet i det svenska stamnätet som medfört exportbegränsningar anmäldes det svenskstatligaSvenska kraftnät år 2006 tillEU-kommissionen av det danska elföretaget Dansk Energi. Anmälan resulterade i att EU-kommissionen under våren 2010 krävde att Svenska kraftnät måste hantera överföringsbegränsningar i det svenska stamnätet på ett sådant sätt att inte användare i andra delar av Europa diskrimineras.
Lösningen blev att den 1 november 2011 dela in Sverige i fyra elområden. Indelningen gör att det vid kapacitetsbrister uppstår prisskillnader, vilket ska ge incitament för att tillföra produktions- och överföringskapacitet där detta bäst behövs.[5] De senaste åren har prisskillnader inom Sverige blivit allt vanligare till följd av förändringar i elsystemet. 2021 och 2022 rådde t.ex. kapacitetsbrist mellan norra och södra Sverige (vilket ledde till olika priser i elområde 2 och 3) under hälften av årets timmar, jämfört med 4 % av årets timmar under 2012.[6]
Det kan vara farligt att få elektriska strömmar genom kroppen.Strömstyrkor på knappt 1milliampere brukar kunna förnimmas som kittlande, och strömmar över cirka 10–15 mA gerkramp imuskler som inte kan hävas förrän strömmen bryts. Elektrisk ström kan dessutom gebrännskador både på ytan, nervbanor och inre organ. Även strömgenomgångar som inte orsakat några synliga skador kan orsaka nervdöd i det perifera nervsystemet som inte visar sig förrän långt (månader) efteråt, med smärta, domningar och känslebortfall som följd.[7] Spänningar som överstigerklenspänning anses vara farliga, inte för att de ger större skador, utan för att den högre spänningen lättare passerar hudens resistens, och risken förljusbågar ökar.
Det finns flera viktiga faktorer för hur kroppen påverkas när en elektrisk ström passerar igenom den:
Vilka kroppsdelar som blir utsatta
Tiden man blir utsatt för strömmen.
Storleken på strömstyrkan (vilket beror på spänningen och hur fuktig man är)
Hur den elektriska strömmen passerar igenom kroppen.
Vågform beroende om det är lik- eller växelström och i det senare fallet växelströmmens frekvens.
Farligast är om strömmen passerarbröstkorgen ochhjärtat (till exempel genom att man med ena handen rör ett strömförande föremål och med den andra en jordad diskbänk). Kramper ihjärtat leder tillhjärtflimmer ellerhjärtstillestånd. Flimmer uppstår vid några tiotals milliampere, stillestånd vid något hundratal eller mer.[8]
Skadeverkan avtar vid högre frekvenser, vid 10 kilohertz har känseltröskeln ökat till den tiodubbla, och strömmar på 1 ampere vid 1 megahertz kan passera utan att man känner något eller får skador. Detta utnyttjas bland annat videlektrokirurgi där den värme som utvecklas får blodet attkoagulera.[8]
David Bodanis:Elektricitet: historien om universums mäktigaste kraft (The electric universe: the shocking true story of electricity) (översättningMargareta Eklöf, 2005)
