Resistans och Ohms lag
Resistans (R) är motståndet mot likströmsflöde. Enhet: ohm (Ω). 1 Ω = den resistans som tillåter 1 A att flöda när 1 V appliceras.
Resistansen hos olika elektriska komponenter kan variera med fysikaliska påfrestningar som temperatur och sträckning. Dessa förändringar utnyttjas i elektriska termometrar och transducers (t.ex. strain gauges).
Serie- och parallellkoppling
| Koppling | Formel | Exempel (4 Ω + 6 Ω) |
|---|---|---|
| Serie | Rtot = R₁ + R₂ + ... | 10 Ω |
| Parallell | 1/Rtot = 1/R₁ + 1/R₂ + ... | 2,4 Ω |
Parallellresistansen är alltid lägre än den minsta delresistansen.
Effekt
Effekten beskriver energin som dissiperas per tidsenhet. 1 W = 1 J/s.
Reaktans och impedans
Reaktans (X) är motståndet mot växelström (AC) från kondensatorer och induktorer — till skillnad från resistans som gäller likström. Enhet: Ω.
| Typ | Formel | Frekvensberoende |
|---|---|---|
| Kapacitiv reaktans | XC = 1 / (2πfC) | Minskar med ökande frekvens |
| Induktiv reaktans | XL = 2πfL | Ökar med ökande frekvens |
Impedans (Z) är det totala motståndet i en AC-krets — kombinationen av resistans och reaktans:
Kondensator
En kondensator lagrar elektrisk energi i fältet mellan två ledande plattor, separerade av en isolator (dielektrikum).
- Laddning (Q) mäts i coulomb (C). 1 C = laddningsmängden när 1 A flödar i 1 s (6,24 × 1018 elektroner).
- Kapacitans (C) mäts i farad (F). 1 F = förmågan att lagra 1 C vid 1 V.
- Kapacitansen beror på plattornas storlek, avståndet mellan dem och dielektrikumets material.
Egenskaper i kretsar
- Hög resistans mot DC → blockerar likström.
- Låg reaktans mot AC → släpper igenom växelström (plattorna laddas/urladdas växelvis).
Induktor
En induktor (spole) består av en tråd lindad runt en ferromagnetisk kärna (former). När ström flödar genereras ett magnetfält som lagrar energi.
- Enheten för induktans är henry (H).
- Blockerar AC (hög reaktans) men släpper igenom DC (låg resistans) — motsatsen till en kondensator.
- Kan vara en källa till elektromagnetisk interferens (EMI) — ström i en krets kan inducera oönskade signaler i en intilliggande krets.
- Används i transformatorer, isolerkretsar (floating circuits) och i defibrillatorer för att förlänga och utjämna urladdningspulsen.
Transformator
En transformator överför elektrisk energi mellan två kretsar via elektromagnetisk induktion. Den består av två spolar (induktorer) lindade runt samma kärna.
Där N = antal varv. Step-up: N₂ > N₁ → spänningen ökas. Step-down: N₂ < N₁ → spänningen sänks. Spänningsförändringen beräknas med Faradays induktionslag.
Tillämpningar
- Elnätsdistribution: step-up för långdistansöverföring (lägre förluster), step-down till 230 V för konsumenter.
- Defibrillator: step-up-transformator höjer nätspänningen till ~5 000 V DC för kondensatorladdning.
- Isolertransformator (operationssal): ger galvanisk isolation — patienten kopplas bort från jord och elnätet. Enkelt jordfel i ett IT-system orsakar då inte ström genom patienten.
Diod, likriktare och batteri
Diod (rectifier)
Tillåter ström att flöda i en riktning (framåt-ledande). Används som likriktare för att omvandla AC till DC: en diod ger halvvågslikriktning, fyra dioder i bryggkoppling ger fullvågslikriktning.
Batteri (galvanisk cell)
- En samling galvaniska celler som omvandlar lagrad kemisk energi till elektrisk energi.
- Består av två halvceller: anod (positiv, oxidation) och katod (negativ, reduktion), kopplade via en ledande elektrolyt.
Transducer och förstärkare
Transducer
En enhet som omvandlar en energiform till en annan — vanligen till en elektrisk signal. Exempel: mikrofon (ljud → el), tryckgivare (tryck → elektrisk resistansförändring).
Förstärkare (amplifier)
En förstärkare gör en insignal större utan att ändra dess form. Biologiska signaler (t.ex. EEG i mikrovolt-intervallet) kräver förstärkning för visning.
- Gain = förstärkningsgraden, mäts i decibel (dB) eller bel.
- Förstärkare behöver inte vara elektriska — en spak (lever) eller ett mikroskop är mekaniska/optiska förstärkare.
Differentialförstärkare och common mode rejection
Differentialförstärkare (operationsförstärkare) jämför signaler från två källor (t.ex. olika EKG-avledningar) och förstärker skillnaden medan gemensamma störningar (t.ex. 50 Hz nätbrum) avvisas. Detta kallas common mode rejection.
Filter i förstärkare
| Filtertyp | Funktion | Exempel |
|---|---|---|
| Bandbreddsfilter | Släpper igenom ett frekvensintervall | EKG: 0,5–100 Hz |
| Högpassfilter | Blockerar låga frekvenser | Tar bort baslinjeavdrift |
| Lågpassfilter | Blockerar höga frekvenser | Filtrerar bort högfrekvent brus |
| Notch-filter | Blockerar en specifik frekvens | 50 Hz nätbrum |
Signal-to-noise ratio (S/N) beskriver hur mycket nyttig signal som finns jämfört med brus. Högt S/N = bra signalkvalitet.
Jordning (earth)
Jordning innebär att en elektrisk anslutning görs till marken (ground). Den skyddar personer mot strömstötar vid felaktig isolation — strömmen leds via jordkabeln (låg resistans) istället för genom personen.
- Klass I-utrustning har skyddsjord — metallhöljet är jordat så att felström leds bort.
- I UK-systemet: Brown = fas (hot), Blue = neutral, Green/Yellow = jord. Minnesregel: "Brown is Hot, Blue is Not, Green and Yellow earth the Lot."