Fysik och teknik – hand i hand

En presentation över ämnet: "Fysik och teknik – hand i hand"— Presentationens avskrift:

1 Fysik och teknik – hand i hand
Elektronik

2 Vad är elektronik? Elektroniken kommer till alla Satelliterna gjorde så att det gick att sända TV-bilder direkt mellan olika världsdelar. De kunde man inte på 50-talet. På 70-talet kom bankomatkorten och miniräknaren, på 80-talet CD-spelaren, mobiltelefonen, datorer för hembruk och mycket annat. Elektronik finns nu i många kameror, leksaker och hushållsprodukter. Inom sjukvård, trafik både till lands, till sjöss, i luften och under mark, bankväsende, nyhetsinformation, teletrafik mm spelar elektroniken en mycket stor roll. När man bygger vägar, tunnlar, broar och hus använder man sig av elektronik. Det är snart lättare att räkna upp de områden, där elektronik inte förekommer. Användning Användningen av elektronik är främst inom två områden: Kommunikation och att styrning. Med kommunikation menas t ex datorer, radio, TV och telefon. Med styrning menas att någon händelse sätter igång och styr en annan händelse. Om ett fönster krossas, går ett larm. När ett tåg kommer, går bommarna ner. När det blir för varmt, går en fläkt igång. Om bromsarna på bilen går sönder, tänds en varningslampa.

3 Storheter Storhet Enhet Förkortning Beteckning Kommentar Ström Ampere
Hur mycket elektrisk laddning som passerar per sekund Spänning Volt V U Det som driver fram strömmen. Resistans Ohm Ω R Motstånd mot elektrisk ström Elektrisk effekt Watt W Antalet watt anger hur många joule som omvandlas per sekund. Även kW, Mw Elektrisk energi-överföring Watt-sekund Ws Även kWh, MWh

4 Ström Elektrisk ström är elektriska laddningar som rör sig. Om det flyter ström genom en sladd som består av koppar utgörs strömmen av elektroner, som är negativt laddade. Elektronerna flyttar hela tiden från en atom i kopparen till atomen bredvid, och så vidare. På så sätt rör sig elektronerna längs ledningen. I andra lägen kan det vara något annat än rena elektroner som rör sig, till exempel kan det vara en negativt eller positivt laddad jon som rör sig i en vätska. Huvudsaken är att det på något sätt är en elektrisk laddning som rör sig.

5 Ström AC/DC alternating current/direct current
Om strömkällan är ett batteri flyter strömmen åt samma håll hela tiden. Detta kallas likström, och har inget med lik att göra utan syftar på att strömmen rör sig åt samma (lika) håll hela tiden. Om det är fråga om likström, antingen från batterier eller någon annan strömkälla som levererar likström, finns alltid en pluspol och en minuspol på strömkällan. På nätaggregat av olika slag och på batterier är detta vanligen utmärkt med ett + respektive ett -, men det kan också hända att polariteten (polerna) bara framgår av en färgmärkning. På vanliga runda stavbatterier är den lite uppstickande delen pluspolen, medan batteriets mer platta botten är minuspolen.

6 Använder vi oss i stället av ström från vägguttaget så växlar strömmen ständigt riktning, därav namnet växelström. Växlingarna sker så snabbt att vi inte uppfattar dem när vi till exempel betraktar en glödlampa. (Däremot kan vi faktiskt ibland höra dem, som ett oönskat dovt brummande ljud i olika typer av ljudutrustningar, s.k. nätbrum.) Först flyter strömmen en kort tid åt ena hållet, sedan åt andra hållet och så vidare. Detta upprepas cirka 50 gånger i sekunden. Sådant (hur ofta något upprepas) kallas frekvens, och mäts i hertz (förkortas Hz). En hertz är en svängning (upprepning) i sekunden. Frekvensen på växelström kan vara olika i olika sammanhang, men strömmen i vägguttagen har alltid frekvensen 50 Hz.

7 Spänning Förutom resistans finns det en sak till som påverkar hur mycket ström som flyter i en elektrisk krets, nämligen den laddning (egentligen laddningsskillnad, eller potentialskillnad) som ansluts till kretsen, till exempel i form av ett batteri. Det kan vara olika mycket som laddningen skiljer sig mellan plus- och minuspolen, vilket har att göra med hur många "flyttbara" elektroner respektive mottagaratomer som finns vid dess poler. Detta kallas spänning, och mäts i volt (förkortas V). Ju högre spänning man ansluter till en krets, desto högre ström kommer att flyta genom den. Detta under förutsättning att de komponenter som ingår i kretsen, t.ex. lampor och annat, är anpassade för spänningen i fråga. Ansluts de till för hög spänning kan de gå sönder, kanske inte om spänningen bara är en aning för hög, men definitivt om spänningen är klart högre än den de är konstruerade för.

8 Seriekoppling - Parallellkoppling
Kopplar man t.ex. lampor efter varandra så samma ström passerar alla – det är seriekoppling. I en elektrisk ljusstake är lamporna seriekopplade. Därför slocknar alla om man skruvar ur en av dem. Kopplar man så strömmen delas upp i flera grenar som sedan går ihop igen – det är parallellkoppling. Lamporna i våra hem är parallellkopplade.

9 Resistans Allt som kopplas in i en elektrisk krets (med undantag för supraledare) har en viss resistans, det vill säga gör ett visst motstånd mot strömmen. Detta gäller även själva ledningarna, men det motståndet är oftast så litet att vi kan bortse ifrån det. Övriga komponenter kan ha en större resistans, och det är lite olika med om resistansen är önskvärd eller ej: 1) Resistansen är oönskad. Så är det med elektriska förbindelser av olika slag, som sladdar och ledningsmönstret på kretskort. Vissa komponenter kan också räknas hit, till exempel spolar som ger två olika typer av motstånd, varav den ena typen är en vanlig resistans som oftast är oönskad. 2) Resistansen är inte det vi vill åt, men den är ändå nödvändig för det vi vill göra. I en vanlig glödlampa är vi egentligen inte ute efter resistansen i sig, men den är nödvändig för att det ska lysa om lampan. Glödtråden i lampan ger lagom mycket resistans för att den ska bli vitglödgad av strömmen och avge ljus. 3) Resistansen är själva syftet.

10 Motstånd I det tredje fallet (på förra sidan), när resistansen är det vi är ute efter, används särskilda motstånd som kopplas in i kretsarna på önskade ställen. Motstånd kan vara olika utförda, dels relativt små för s.k. ytmontering som är vanligt bl.a. i datorer, dels något större (cirka centimeterlånga eller strax under, vanligen med en diameter på en till två millimeter). På själva motstånden finns det oftast inte plats att ange resistansens storlek i klartext. I stället används en kod i form av färgade ringar runt motståndet, se nedan för att se vad färgkoderna betyder:

11 Ohms lag Mellan spänning, ström och resistans finns ett absolut samband som kallas Ohms lag. Ohms lag säger att spänningen är lika med strömmen gånger resistansen. Man kan också vända på det och säga att strömmen är lika med spänningen delat med resistansen, och att resistansen är lika med spänningen delat med strömmen. Om man känner till två av de tre sakerna kan man alltid räkna ut den tredje med Ohms lag. När man skriver formler med elektriska storheter betecknas spänning med U, ström med I och resistans med R. De tidigare använda V, A och är förkortningar för vad storheterna mäts i. Spänning betecknas U i formler, men mäts i volt vilket förkortas V. Ström betecknas I i formler, men mäts i ampere vilket förkortas A. Och resistans (motstånd) betecknas R i formler, men mäts i ohm vilket förkortas .

12 Supraledare Vad innebär supraledning? När det material som används till supraledning kyls under en viss kritisk temperatur får materialet plötsligt helt nya egenskaper. De temperaturer det handlar om är i vanligaste fall mycket låga. En av de nya egenskaperna visar sig vara, att ström kan flyta i materialet utan något som helst elektriskt motstånd. Till skillnad från vanliga metaller där resistansen gör att en del av den elektriska energin försvinner i form av värme.  En annan viktig egenskap är att magnetfält inte kan tränga igenom en supraledare, den så kallade Meissnereffekten. Meissnereffekten ses alltså, när en magnet svävar över en supraledare Ny Teknik

13 Transistorn Transistorn räknas som en av största uppfinningarna någonsin. De är grunden för datorer och en mängd andra produkter. De finns överallt där det finns elektronik: Radio, TV, telefon, navigeringssystem, kodlås, betalkort, leksaker, larm osv. En transistor kan se ut på olika sätt. Alla har tre ben. De kallas e (emitter), b (bas) och k (kollektor). Transistorn leder ström mellan kollektor och emitter, men bara om det kommer in en liten ström på basen. Därför kan transistorn användas som strömbrytare. Den kan slå till och från upp till 100 miljoner gånger på en sekund. Sådan kapacitet behövs t ex i dagens datorer. Transistorn kan också användas som förstärkare. En liten strömförändring i basen blir en stor strömförändring i kollektorn. Vad som är e, b och k framgår av kataloger. Det kan t ex vara som på bilden. Benen vid ritningar är alltid vända mot dig. Det är viktigt att transistorn kopplas in på rätt sätt.

14 Dioden - likriktare En diod släpper igenom ström åt bara ena hållet. Triangeln i symbolen är en pil som anger den riktning som strömmen släpps igenom. Det kallas diodens framriktning. Motsatta hållet är diodens backriktning. Strecket på dioden anger oftast minussidan. Som vi ritat här, kan strömmen gå från vänster till höger, men inte tvärt om En lysdiod fungerar som en vanlig diod, men dessutom lyser den. Oftast är det långa benet plus. Lysdioder används som markeringar på radio- och TV-apparater, mobiltelefoner, kameror, skyltar och mycket annat. Trafiksignaler är nu till stor del lysdioder. En framtida användning tror man blir bakljus på bilar. Lysdioder är mycket mer energisnåla än lampor. Lysdioder finns i flera färger. Röda, gröna och gula är vanliga. De betecknas ofta LED = Light Emmittant Diode.

15 Kondensatorn Kondensatorer kan laddas upp, men med mycket mindre laddning än t ex ett batteri. En kondensators laddningsförmåga (kapacitans) mäts i Farad, F. Det är en stor kapacitans, som därför delas i tusendelar och heter förstås millifarad. Även denna delas i tusendelar och heter då mikrofarad, µF. En kondensator består av två plattor som är isolerade från varandra. De kan laddas upp utan att elektroner hoppar från den ena till den andra plattan. Eftersom avståndet mellan plattorna oftast är litet, är luft inte lämpligt som isolator. I stället använder man t ex plast eller keramik.

16 Symboler Transistor Potentiometer Motstånd - resistor
Reglerbart motstånd Motstånd - resistor Diod – likriktare Dvs. strömmen kan gå åt ett håll Termistor – temperatur känsligt motstånd Kondensator Lysdiod

17 IC-krets IC-kretsar, integrerade kretsar, är liksom transistorn en av förra århundradets största uppfinningar. Den uppfanns i början på 1960-talet. Den består av transistorer, dioder, motstånd och andra komponenter som är ihopbyggda redan på fabriken. Kretsarna kan göras mycket små. Från början lyckades man bygga in något tiotal transistorer och andra komponenter i en IC-krets eller chip. Sedan har antalet ökat hela tiden. På 80-talet passerades gränsen en miljon. Nu har 100 miljoner passerats. En IC-krets kan innehålla en hel dator, en förstärkare, radio eller annat hel- eller halvfabrikat. Vissa yttre komponenter måste oftast anslutas. Man måste kanske kunna reglera något eller visa något på en display eller något ska höras eller matas in. Antal anslutningsben varierar från några stycken till några tiotal. IC-kretsar som kan programmeras kallas processorer.