Elektrisitet

Etymologi

Det nevnes i oldtidens litteratur at rav kan tiltrekke lette gjenstander, f.eks. tørre strå, når man gnir det. Det greske navnet på rav, ἤλεκτρον (elektron), ble brukt til å lage begrepet «elektrisk» på 1600-tallet, og betyr egentlig «ravaktig». Ordet elektrisitet er dannet senere og betegnet opprinnelig den tilstand et elektrisk legeme er i; det er senere gått over til å betegne elektrisk ladning.

Historie

Tyskeren Otto von Guericke (1602–1686) fant en metode for å forsterke den elektriske virkningen. Han plasserte en jernstang med håndtak gjennom en svovelkule. Ved å dreie på håndtaket roterte kula. Dersom man holdt en tørr hånd på kulen, ble kulen elektrisk. Guericke gjorde deretter noen interessante oppdagelser: Et dun ble tiltrukket av kulen. I det dunet traff kulen, ble dunet igjen frastøtt. Dermed hadde Guericke oppdaget at det ikke bare eksisterte elektrisk tiltrekning, men også elektrisk frastøting. Charles du Fay (1698–1739) oppdaget i 1730-årene at dette skyldtes to typer elektrisk ladning, som oppførte seg ganske likt de magnetiske polene: Like ladninger frastøtte hverandre og ulike ladninger tiltrakk hverandre. Senere var det Benjamin Franklin (1698–1790) som ga disse ladningene navnene positive og negative ladninger.

Elektrisitet kan ledes og lagres

Engelskmannen Stephen Gray (1670–1736) oppdaget at enkelte stoffer kunne lede elektrisitet, mens andre ikke kunne. Han valgte å kalle disse for  ledere og isolatorer. Etter hvert fant han at enkelte stoffer ledet strøm bedre enn andre og at det ikke kun var snakk om ledere og isolater men om gode og dårlige ledere. Dermed kunne man tenke seg at det neppe fantes stoffer som var fullstendig ute av stand til å lede strøm. 
Benjamin Franklin benyttet kunnskapen om at en tråd kan lede strøm, da han i sitt kjente eksperiment sendte opp en drage i tordenvær. Forsøket skulle vise sammenhengen mellom lyn og elektrisitet. Dragen ble truffet av lynet og tråden ledet lynet ned i en leidnerflaske. Leidnerflasken var en oppfinnelse gjort av Peter van Musschenbroek (1692–1761), da han jobbet i Leiden i midten av 1740-årene. Leidenglasset ble den første kondensatoren. Kondensatorer har evnen til å lagre elektrisk strøm, men er ikke like stabilt å bruke som batteriet, som kom senere. Franklin viste også noe John Michell (1724–1793) hadde gjort før han; elektrisitet kan magnetisere og avmagnitisere jernnåler.

Kraften mellom ladninger: Coulombs lov

John Michell hadde også funnet at kraften mellom to like magnetiske poler fulgte en lov der kraften var omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom polene. Dette var i overensstemmelse med hva som var forventet da man trodde at elektriske og magnetiske krefter skulle kunne beskrives analogt med Newtons gravitasjonslov. Men dette resultatet var det ingen som tok noe særlig notis av dette før den franske fysikeren Charles Coulomb (1736–1806) presenterte sine mer nøyaktige måleresultater. Etter en rekke forsøk fant Coulomb at dersom vi har en avstand r mellom to ladninger q₁ og q₂, vil kraften på ladningene være F = kq₁q₂/r²  der k er konstant. Det er dette vi i dag kaller Coulombs lov.
Den elektriske kraften skiller seg fra gravitasjonskraften ved at den både kan være tiltrekkende og frastøtende. Dersom begge ladninger har likt fortegn virker kraften frastøtende. Dersom ladningene har motsatt fortegn, virker ladningene tiltrekkende. På tross av disse forskjellene støttet likheten mellom formlene opp under en idé om at alle krefter i naturen er sentralkrefter, tiltrekkende eller frastøtende.
Senere viste det seg at det ikke finnes noen slik lov for magnetiske krefter som Michell hadde regnet med. En fysisk magnet kan man forestille seg som en magnetisk dipol bestående av to magnetiske monopoler med motsatt ladning. Men i motsetning til elektriske ladninger som er monopoler, finnes det ikke magnetiske monopoler. Måleresultatene til Michell var bare tilnærmet riktige, kanskje påvirket av hva han ønsket å vise.

Batteriet

I 1799 hadde Alessandro Volta  funnet opp et apparat, som ble kalt voltasøylen og som ble det aller første batteriet. Dette produserte kontinuerlig elektrisk strøm i motsetningen til kondensatoren som kvittet seg med all strømmen med en gang den ble koblet til noe. Der tidligere forskere kun forsket på statisk elektrisitet, ga den nye oppfinnelsen forskere utallig nye muligheter. Nå kunne de kontrollere flyten av strøm på egen hånd. Dette gjorde at fysikerne nå oppdaget nye og uventede egenskaper ved elektrisitet, som de ikke hadde forutsett. En av disse oppdagelsene var Michael Faradays oppdagelse av elektromagnetisme. Nå kunne man skape elektrisitet ved hjelp av skiftende magnetfelt.

Teori

Man bruker å beskrive elektrisitet med klassisk elektrodynamikk. Ifølge denne teorien består elektrisitet av bevegelige ladninger, som kan være positive eller negative. Like ladninger støter hverandre bort, mens ulike ladninger tiltrekker seg hverandre. Om positive og negative ladninger finnes på samme sted støter de sammen i en elektrostatisk utladning. Ladningene påvirkes også av materiale - materiale deles vanligvis inn i elektriske ledere, der ladningene kan bevege seg og på den måten bygge en elektrisk strøm, og isolatorer, som ladningene ikke kan bevege seg gjennom.
En elektrisk strøm regnes som positiv til sin retning for en flyt av positivt ladede partikler fra et punkt med høyere elektrisk potensial (spenning) til et punkt med lavere elektrisk potensial. Strømstyrke kan bestemmes av potensialforskjellen mellom punktene (spenningsfall som regnes i volt) og motstanden mellom dem (resistans om strømmen er likestrøm, men impedans om strømmen er vekselstrøm). Ved likestrøm kan strømstyrken regnes ut med formelen  (der I er strøm, U spenning og R resistans). Om strømmen periodisk skifter retning (vekselstrøm) blir formelen  (der Z er impedans).

Elektrisk ladning

Elektrisk ladning (Q, q) er den fysiske enheten som påvirkes av elektromagnetisk vekselvirkning, en av de fire fundamentale kreftene. I Coulombs lov har ladning samme rolle som masse i Newtons gravitasjonslov, men forskjellen er at ladning forekommer i to varianter, positiv og negativ. 
At det fins to og bare to typer av statisk elektrisitet har vært kjent siden 1700-tallet. Ladninger av samme type frastøter hverandre, mens vekselvirkning mellom ladninger av ulike typer er tiltrekkende. Benjamin Franklin oppdaget at man kunne betrakte disse som positive og negative ladninger hvor de algebraiske summene er bevart. Dette betyr at den totale ladningen hverken kan fornyes eller forringes, noe som gjør den til en av de elementære egenskaper materie besitter.
Elektrisk ladning kvantifiseres til negative eller positive multipler av elementærladningen e.

Elektrisk strøm

Elektrisk strøm oppstår når en elektrisk ladning forflyttes. Strøm defineres som ladning per tidsenhet. De ladede partiklene er vanligvis elektroner, men kan også være ioner. I en elektrisk krets sier man av historiske årsaker at strømmen går fra høyere til lavere potensial selv om elektronene beveger seg i motsatt retning.

Elektrisk felt

Et elektrisk felt er et vektorfelt som beskriver forskjeller i det elektriske potensialet i rommet. Det kan beskrives med "piler" i rommet, som peker fra positive ladninger til negative. Elektriske felt påvirker andre ladninger med en kraft. Man kan også, kanskje mer korrekt, si at det elektriske feltet medierer kraftpåvirkning mellom ladede objekter. Konseptet elektrisk felt ble introdusert av Michael Faraday.
Den elektriske feltstyrken er en vektor med SI-enheten newton per coulomb (N C⁻¹), eller om man vil (og helt ekvivalent), volt per meter (V m⁻¹). Retningen for feltet i et gitt punkt defineres som retningen på den kraften som fås på en positiv testladning i punktet. Størrelsen av feltet defineres som kvoten mellom kraftmengden og ladningens størrelse. Et elektrisk felt inneholder elektrisk energi, med en energitetthet proporsjonell mot kvadratet av feltstyrken. I en ofte brukt analogi mellom elektriske og mekaniske størrelser kan man si at det elektriske feltet er for ladning hva akselerasjon er for masse og krafttetthet er for volum. 
En ladning i bevegelse omgir seg ikke bare med et elektrisk felt, men også med et magnetisk felt, og i en mer generell teori er disse to feltene ikke lengre separate fenomener – det en observatør oppfatter som et elektrisk felt kan en observatør i et annet referansesystem oppfatte som en blanding av elektriske og magnetiske felter. Derfor snakker man innen fysikken ofte om «elektromagnetisme» og «elektromagnetiske felt». Innen kvanteelektrodynamikken benevnes det elektromagnetiske feltkvantaet foton, en elementærpartikkel med kvantifisert energi.

Elektrisk spenning

Elektrisk spenning er en forskjell i elektrisk potensial mellom to punkter. Om punktene skulle komme i kontakt med hverandre gjennom en elektrisk leder som for eksempel en metalltråd eller resistor, oppstår en elektrisk strøm som forsøker å utjevne potensialforskjellen mellom punktene. Strømmen består av en forflytning av ladede partikler, vanligvis elektroner. En sammenkobling som praktisk talt mangler motstand kalles kortslutning.
Elektrisk spenning måles i SI-enheten volt som forkortes V. Ettersom 1 V = 1 J/As er elektrisk spenning den energien som ladningen 1 As avgir eller opptar når den beveger seg gjennom et elektrisk felt. Enheten volt er ingen grunnenhet i SI, men defineres som den spenningen som kreves over for eksempel en resistans for at strømstyrken 1 A skal generere effekten 1 W ifølge effektformelen effekt = spenning • strøm. En størrelse som angir den elektriske spenningen mellom to punkter betegnes gjerne U (av tysk Unterschied som betyr «differens» eller «forskjell»). Et eksempel er Ohms lov U = R • I som gir oss sammenhengen mellom spenningen, resistansen i sammenkoblingen og styrken på strømmen som dermed oppstår.

Elektromagnetisme

Hvert elektrisk ladede objekt omgis av et elektrisk felt. I hvert punkt har feltet en viss styrke, og en viss retning. Når et elektrisk ladet objekt plasseres i et elektrisk felt, påvirkes det av en elektrisk kraft, som er proporsjonell dels mot styrken av feltet, dels mot den egne ladningen. Når et elektrisk ladet objekt beveger seg gjennom et elektrisk felt, påvirkes det av en magnetisk kraft.
Elektrisk ladning og magnetisme er to sider av samme kraft, elektromagnetisme. Enkelt uttrykt er elektromagnetisme det som oppstår ved at et foton vekselvirker med en ladet partikkel. Hver bevegelse av elektriske ladninger gir opphav til et magnetfelt, og hvert magnetfelt påvirker elektriske ladninger til å bevege seg. Den fundamentale kraften formidles av fotoner og vekselvirker med alle ladede partikler. Den elektromagnetiske kraften ligger i prinsippet bak alle fenomener i vår hverdag som ikke skyldes gravitasjonen. Den skaper blant annet kjemiske bindinger, normalkrefter (som hindrer objekter fra å flyte inn i hverandre), friksjon og overflatespenning.