Elektrisitet bygger på fysiske lover, og prinsippene som er utviklet over mange generasjoner har sitt utgangspunkt i naturlige prosesser. Den teknologiske utviklingen de siste tiårene har gjort at samfunnet som omgir oss alle er blitt totalt avhengig av elektrisitet, og vi tar det for gitt at alle elektriske og elektroniske systemer skal fungere til enhver tid når vi måtte ønske å bruke det. Særlig innenfor området kommunikasjon er vi som lever i industrialiserte samfunn prisgitt kompliserte og sammensatte systemer som er så enkle å bruke at vi kan forledes til å tro at de er like naturlige som vind og regn, sollys og mørke, sommer og vinter.

I dette bildet skulle man tro at elektroteknikk er et gammeldags og unødvendig fagområde. Det er det ikke. Grunnleggende kunnskaper om elektrotekniske prinsipper og fysiske lover som gjelder i elektriske systemer er absolutt nødvendig for å kunne bidra aktivt i å videreutvikle og holde i drift systemer som er livsnødvendige i samfunnet vårt.

Denne boka bygger på kunnskaper fra en lang og allsidig praksis i faget og fra mange års undervisningserfaring i fagskolen, både i tradisjonell klasseundervisning, prosjektrettet undervisning og nettundervisning. Temaene behandler store deler av emnet Elektriske systemer i Nasjonal standard fagspesifikk plan for Teknisk Fagskole, lfagretning for Elektro.

Boka har også nettressurser på http://ragnarson.no som egner seg for nettlæring. Her vil det bli utviklet kompletterende lærestoff som blir gjort tilgjengelig over Internett.

Innhold

1 Grunnleggende elektroteknikk ...................................................................................................... 12

1.1 Fundamentale elektrotekniske lover .................................................................................... 12

1.2 Elektriske måleenheter.......................................................................................................... 13

Elektrisk ladning ............................................................................................................................ 13

Elektrisk strøm ............................................................................................................................... 13

Elektrisk spenning .......................................................................................................................... 13

Elektrisk resistans .......................................................................................................................... 14

Måling av elektrisk resistans ......................................................................................................... 14

Ledere, halvledere og isolatorer ................................................................................................... 15

1.3 Elektrisk motstand i ledere .................................................................................................... 16

Resistivitet ..................................................................................................................................... 16

Elektrisk motstand og temperatur ................................................................................................ 17

Øvingsoppgaver elektrisk motstand i ledere ................................................................................. 19

1.4 Serie- og parallellkoplinger av resistanser ............................................................................ 20

Seriekobling av resistanser ............................................................................................................ 21

Parallellkobling av resistanser ....................................................................................................... 22

Øvingsoppgaver serie- og parallellkobling av resistanser ............................................................. 24

1.5 Analyse av elektriske kretser ................................................................................................. 25

Belastet spenningskilde ................................................................................................................. 25

Spenningsdeleren .......................................................................................................................... 26

Belastet spenningsdeler ................................................................................................................ 28

1.6 Thevenins teorem .................................................................................................................. 30

1.7 Nortons teorem ..................................................................................................................... 31

1.8 Superposisjonprinsippet ........................................................................................................ 33

1.9 Maskeligninger ...................................................................................................................... 35

1.10 Stjerne-trekant transformasjon ............................................................................................. 37

1.11 Wheatstones målebro ........................................................................................................... 39

Øvingsoppgaver i analyse av elektriske kretser ............................................................................ 40

1.12 Likestrøm – effekt og energi .................................................................................................. 43

Effekttilpasning .............................................................................................................................. 44

Effekt og batterikapasitet .............................................................................................................. 47

i likestrøm – effekt og energi.......................................................................................................... 48

2 Magnetisme ........................................................................................................................... 49

2.1 Magnetiske feltbegreper ....................................................................................................... 50

2.2 Magnetisk fluks og feltstyrke ................................................................................................ 50

Magnetisk reluktans ...................................................................................................................... 51

Magnetiske materialer og permeabilitet ...................................................................................... 52

2.3 Elektrisk induksjon ................................................................................................................. 54

2.4 Påvirkningskraft mellom strømførende ledere ..................................................................... 56

2.5 Generatorprinsippet .............................................................................................................. 57

2.6 Transformatorprinsippet ....................................................................................................... 58

2.7 Motorprinsippet .................................................................................................................... 60

2.8 Hall effekt .............................................................................................................................. 61

2.9 Virvelstrømmer i metaller ..................................................................................................... 61

2.10 Inn- og utkoplingsforløp i induktive koplinger ...................................................................... 62

Innkobling av spole til likespenning .............................................................................................. 62

Utkobling av spole ved likespenning ............................................................................................. 64

Øvingsoppgaver magnetisme ........................................................................................................ 65

2.11 Miljøpåvirkning ved magnetiske felt ..................................................................................... 66

Lavfrekvente magnetiske felt 0 - 1000 Hz, .................................................................................... 66

Høyfrekvente elektromagnetiske felt(HF) ..................................................................................... 66

Miljøpåvirkninger .......................................................................................................................... 66

2.12 Samspill mellom elektriske apparater, EMC ......................................................................... 69

Hva er EMC ? ................................................................................................................................. 69

EMC og bygningsinstallasjoner ...................................................................................................... 69

EMI – Elektromagnetisk interferens .............................................................................................. 70

Ulike typer elektrisk støy ............................................................................................................... 70

Ledningsbundet støy på fordelingsnettet ..................................................................................... 70

Konkrete EMC-relaterte tiltak ....................................................................................................... 71

3 Elektrostatikk ......................................................................................................................... 73

3.1 Elektrostatiske feltbegreper .................................................................................................. 73

Ladning og spenning ...................................................................................................................... 73

Øvingsoppgaver i ladning og kapasitet .......................................................................................... 75

3.2 Serie- og parallellkopling av kapasitanser ............................................................................. 76

Seriekobling av kondensatorer ...................................................................................................... 76

Parallellkobling av kondensatorer ................................................................................................. 77

Øvingsoppgaver i serie- og parallellkobling av kondensatorer ..................................................... 79

3.3 Inn- og utkoplingsforløp i kapasitive koplinger ..................................................................... 80

Innkobling av en kondensator til en likespenning ......................................................................... 80

Utkobling av en oppladet kondensator ......................................................................................... 81

Øvingsoppgaver i inn- og utkobling av kondensatorer ................................................................. 85

3.4 Miljøpåvirkning ved elektrostatiske felt ................................................................................ 86

4 Vekselstrømslære ................................................................................................................ 87

4.1 Innledning .............................................................................................................................. 87

4.2 Sinusformede strømmer og spenninger ................................................................................ 88

Toppverdi, effektivverdi og middelverdi av sinusformede spenninger og strømmer. ................. 89

Vektorfremstilling av sinusformede spenninger og strømmer ..................................................... 91

Øvingsoppgaver beregninger på sinusformede strøm- og spenningsstørrelser ........................... 93

4.3 Faseforhold og impedans i RLC kretser ................................................................................. 94

Vekselspenning og resistans .......................................................................................................... 94

Vekselspenning og spole ............................................................................................................... 94

Vekselspenning og kondensator ................................................................................................... 98

Parallellkoblinger med RLC- kretser ............................................................................................ 101

Øvingsoppgaver beregninger på faseforhold og impedans i RLC kretser ................................... 103

4.4 Litt om komplekse tall som verktøy .................................................................................... 104

Regning med komplekse tall på lommeregner............................................................................ 105

Regning med komplekse tall i Microsoft Mathematics ............................................................... 107

Simulering i Multisim ................................................................................................................... 109

Øvingsoppgaver beregninger av vekselstrømkretser med komplekse tall ................................. 110

4.5 Resonansforhold i serie- og parallellkretser ........................................................................ 111

Serieresonans .............................................................................................................................. 111

Parallellresonans ......................................................................................................................... 112

Tapresistans i spoler og kondensatorer ...................................................................................... 113

Filter ............................................................................................................................................. 114

Øvingsoppgaver resonansforhold i serie- og parallellkretser ..................................................... 116

4.6 Effektforhold i enfasekretser ............................................................................................... 117

Effekt ved parallelle belastninger ................................................................................................ 118

4.7 Fasekompensering ............................................................................................................... 120

4.8 Virkningsgrad ....................................................................................................................... 122

Øvingsoppgaver effektforhold i enfasekretser ........................................................................... 123

4.9 Strøm- , spenning- og effektforhold i trefasekretser .......................................................... 124

Stjernekoblingen ......................................................................................................................... 126

Hovedspenning og fasespenning. Hovedstrøm og fasestrøm. ................................................... 127

Trekantkoblingen ......................................................................................................................... 127

Trefasenett og effekt ................................................................................................................... 128

4.10 Beregninger og målinger på trefasesystemer med symmetrisk belastning ........................ 130

Øvingsoppgaver trefasekretser ................................................................................................... 131

4.11 Måling av elektrisk energi ................................................................................................... 133

4.12 Nettsystemer. IT, TN og TT. ................................................................................................ 134

Typer av fordelingssystem ........................................................................................................... 134

IT-system ..................................................................................................................................... 135

TN-system .................................................................................................................................... 136

TT-system .................................................................................................................................... 137

4.13 Overharmoniske i nettet ..................................................................................................... 138

Hvorfor oppstår det overharmoniske strømmer i nettet? .......................................................... 138

Konsekvenser av overharmoniske i nettet .................................................................................. 140

5 Forslag til laboratorieoppgaver ........................................................................................ 141

5.1 Laboratorieoppgave 1 Inn- og utkoblingsforløp i induktive og kapasitive kretser.............. 141

5.2 Laboratorieoppgave 2 Simuleringsoppgave. Elektrisk støy. EMC. Overharmoniske strømmer i nettet. ........................................................................................................................... 143

5.3 Laboratorieoppgave 3 Impedans og faseforhold i induktive kretser .................................. 145

Fasit for øvingsoppgaver .......................................................................................................147

Øvingsoppgaver elektrisk motstand i ledere ............................................................................... 147

Øvingsoppgaver serie- og parallellkobling av resistanser ........................................................... 147

Øvingsoppgaver analyse av elektriske kretser ............................................................................ 147

Øvingsoppgaver i likestrøm – effekt og energi............................................................................ 147

Øvingsoppgaver magnetisme ...................................................................................................... 148

Øvingsoppgaver i ladning og kapasitet ........................................................................................ 149

Øvingsoppgaver i serie- og parallellkobling av kondensatorer ................................................... 149

Øvingsoppgaver i inn- og utkobling av kondensatorer ............................................................... 149

Øvingsoppgaver beregninger på sinusformede strøm- og spenningsstørrelser ......................... 151

Øvingsoppgaver beregninger på faseforhold og impedans i RLC kretser ................................... 152

Øvingsoppgaver beregninger av vekselstrømkretser med komplekse tall ................................. 153

Øvingsoppgaver resonansforhold i serie- og parallellkretser ..................................................... 153

Øvingsoppgaver effektforhold i enfasekretser ........................................................................... 154

Øvingsoppgaver trefasekretser ................................................................................................... 154