Informationsblad för hembygdsgårdar

Elektriciteten och dess tillämpningar

Det fanns sedan urminnes tider en uppfattning om statisk elektricitet, men den kallades nog något annat. Man visste att det kunde uppstå gnistor om man till exempel gned ett kaninskinn mot en bärnsten och också att det skapades ett slags dragningskraft så att en bärnsten kunde dra till sig ett lätt föremål som en fjäder. Bärnsten heter för övrigt just elektron på grekiska, fast den elektron som vi känner till idag visste man ingenting om då. Det fanns en fascination över den statiska elektriciteten, men den kom aldrig till någon praktisk användning. Däremot tillverkades det en mängd anordningar för att skapa och visa statisk elektricitet. Man visste också att det fanns fiskar/ålar som hade något som liknade statisk elektricitet.

Det skulle dock ändra sig när den italienske läkaren Luigi Galvani 1780 av en slump upptäckte att en nyligen dödad grodas muskler ryckte till. Det finns flera varianter på hur det skulle ha gått till, men de har alla med olika metaller att göra. Han drog dock den felaktiga slutsatsen att det som fick grodans muskler att rycka till var en inneboende elektricitet, vilket inte var så förvånande eftersom det ju fanns elektriska ålar och andra fiskar med just inneboende elektricitet.

En av de första som försökte återskapa Galvanis resultat var Alessandro Volta som också var läkare samt kemist och personligen bekant med Galvani. Ganska tidigt började Volta ifrågasätta slutsatsen om elektricitet i djur, men det skulle dröja länge innan han fullt ut kunde bevisa det, närmare 20 år faktiskt. Då hade han förstått att det var relationen mellan olika metaller i syror som skapade det som liknade statisk elektricitet. År 1800 hade han lyckats tillverka och beskriva det första batteriet som grundade sig på olika metallers förmåga att släppa ifrån sig elektroner, fast det visste han inte då. Däremot visste han att om man placerade skivor av zink och koppar i en lösning av svavelsyra så uppstod ett märkligt fenomen. Han anslöt en koppartråd till kopparn respektive zinken och förde deras ändar nära varandra och då uppstod en elektrisk gnista som liknade den statiska elektricitetens gnistor, men som var mycket ljusstarkare och som fortsatte så länge det fanns ”kraft” kvar i batteriet. Detta batteri kom han att kalla Voltas stapel och för att högtidliggöra Galvanis insats kallade han fenomenet galvanism. Själv skulle han senare få bidra med namnet volt för den elektriska spänningen.

Volta fick ett mycket stort erkännande för sin upptäckt särskilt av Napoleon och han blev också adlad. När det gällde de praktiska aspekterna var det inte mycket som man kunde använda batteriet till annat än att visa att det kunde ge ljus i form av en gnista. Man skulle därför kunna tro att den första allmänna tillämpningen av elektricitet skulle bli någon form av ljus, men det blev det inte. Visserligen fortsatte man med allt starkare batterier visa att gnistorna som uppstod bildade en bågformad gnista eller ljusström, men det ledde inte till någon omfattning av det som kom att kallas båglampor förrän i slutet av 1800-talet.

Istället var det en dansk forskare ytterligare 20 år senare, Hans Christian Ørsted, som 1820 av en händelse upptäckte att en kompass påverkades av en elektrisk ström och att alltså strömmen alstrade ett magnetiskt fält. Det är oklart om Ørsted förstod vilken betydelse detta skulle få, men redan året därpå hade engelsmannen Michael Faraday beskrivit principerna för en elektrisk motor och hur magnetismen fungerade. Enkelt uttryckt man säga att strömmen orsakar magnetism som i sin tur ger en kraft som kan driva en axel som i sin tur driver en maskin. Därav följer det omvända att magnetism kan generera ström.

Michael Faraday var inte utbildad inom något vetenskapligt område och verkade som bokbindare, men blev trots det anställd på engelska kungliga vetenskapsakademien där hans insatser inom elektriciteten blev avgörande för dess första användningar. Anledningen till att Faraday blev anställd var hans stora intresse för elektricitet och att han därför besökte de öppna föreläsningarna som hölls av kungliga vetenskapsakademien och då särskilt av dess sekreterare (chef) Sir Humphry Davy som visade hur gnistor uppstod mellan ledningarna från ett batteri. Han antecknade flitigt och eftersom han var bokbindare gjorde han en bok med sina anteckningar och överlämnade dem till Davy. Det lär ha fallit i god jord och när Davy senare förlorade synen i en olycka i laboratoriet erinrade han sig Faraday och erbjöd honom att bli hans sekreterare. Detta ledde i sin tur till att han senare blev laboratorieassistent.

När Davy och hans kolleger hade misslyckats med att förstå elektriciteten så föreslog de mer eller mindre på skämt att Faraday väl kunde fundera på saken och det gjorde han med besked och han både beskrev och publicerade principerna för en elektrisk motor och hur magnetismen samverkade med strömmen. Faraday förstod inte, troligen genom sin icke akademiska bakgrund, hur man publicerade framsteg inom den akademiska världen och framhöll därför inte sin professor och handledare, eller så var han så fräck att han gick bakom ryggen på dem. Det innebar förstås att Faraday straffades, men det innebar inte att hans kunskaper förblev okända, för publicerad blev han, och till och med berömd på kuppen.

Straffet för hans beteende blev att han fråntogs alla möjligheter att arbeta vidare med elektricitet, men samtidigt förstod förstås Davy vilken kapacitet Faraday hade och lät honom ansvara för ett annat viktigt forskningsområde. Hans nya arbetsuppgift blev att lista ut hur man i Böhmen kunde tillverka så fint glas. Ingen i England kunde göra det och det medförde stora utgifter att importera böhmiskt glas och förmodligen irritation hos de styrande i England som ju trots allt var ”Storbritannien”, det mest framgångsrika landet i världen med alla sina kolonier.

Det arbetet höll han på med i fyra år, men lyckades aldrig. Han sparade dock ett misslyckat glas som minne. När Davy plötsligt dog kunde Faraday återuppta sina arbeten inom elektriciteten och just den glasbit han hade sparat hjälpte honom att bevisa sambandet mellan magnetisk kraft och ljus genom polariseringar. Just polariseringar blev sedan grundtekniken för de platta skärmarna, LCD TFT och deras efterföljare. (Historien om glasbiten återfinns i TV-programmet ”The Electric boy” som sändes första gången av Fox 2014.)

Denna information fick engelsmannen William Sturgeon att 1824 linda kopparkablar runt ett mjukjärnsstycke och ansluta ledningarna till ett batteri. Nu kunde man med hjälp av ström skapa mycket starka magneter som hade den fördelen att de kunde stängas av och sättas på. Den tidigaste tillämpningen av elektricitet blev alltså en elektromagnet. Man använde fortfarande inte elektriciteten som ljuskälla. En nästan parallell utveckling startade nu inom det som skulle bli telegrafi 1833.

Ett stort problem för Faraday var att bevisa sina olika empiriska teorier eftersom han saknade matematisk kunskap. Det hände därför inte mycket, bortsett från telegrafin, förrän den välkände fysikern James Maxwell 1864, alltså ytterligare 40 år sedan upptäckten av elektromagnetiska batterier, i fyra ekvationer beskrev hur elektromagnetism fungerade och de blev senare bekräftade praktiskt av Heinrich Hertz och därmed var teorin klar för hur man skulle göra en generator som kunde producera elektricitet. Det blev Werner Siemens som genom upptäckten 1867 av den så kallade dynamoelektriska principen skapade förutsättningarna för att faktiskt producera elektricitet. Det skulle dock dröja till 1871 då Zénobe Gramme lyckades göra en generator eller dynamo som det också kallas och man kunde producera elektricitet i verkligheten. En generator kan alltså skapa ström genom att den tillförs rörelse, jämför med belysningen på cyklar tidigare då en dynamo som var lutad mot däcket fick rörelseenergi som kunde ge belysning till cykellampan. Genom att koppla ångmaskiner till generatorer kunde man nu för första gången i stor skala producera elektricitet. Det var dock fortfarande likström av samma typ som man fick från batterier som gällde.

Gramme lyckades 1873 också med den motsatta varianten, nämligen att genom ström driva en motor. Den första fungerande elektriska motorn var nu född 93 år efter Galvanis upptäckt av ”elektricitet i grodor”, men man hade fortfarande inte löst problemet med att skapa ljus på ett bra sätt.

Genom att man nu dels kunde framställa elektricitet, dels kunde driva elmaskiner, fanns alltså förutsättningarna för det moderna samhället. Dessa uppfinningars betydelse kan knappast överskattas. Observera dock att man fortfarande inte visste hur det fungerade. Faraday hade förståelse för kraftfälten och deras verkningar, men om atomer och elektroner fanns, var mest spekulationer. Inte förrän 1908 visade Einstein praktiskt att de tidigare teorierna om atomer var sanna och först därefter kunde man förklara vad en elektron var och hur den fungerade i skapandet av elektricitet.

Detta faktum är på något sätt tjusningen med elektriciteten. Det var ingen som under 1800-talet förstod varför den uppstod, men det hindrade inte användningen av den.

Den första tillämpningen av elektricitet av betydelse i Sverige skedde 1876 då Näs sågverk i Dalarna och Marma sågverk i Hälsingland installerade båglampor. Det var första gången i Sverige som elektriskt ljus togs i praktiskt bruk. Båglamporna hade nu två kolstavar och mellan dem skapades en ljusbåge. Ljuset var mycket starkt och kom snabbt att bli standard i fyrar, men även i verkstäder som hade en ångmaskin eller tillgång till vattenkraft samt en generator för att alstra strömmen. En nackdel var att kolstavarna inte räckte längre än cirka 100 timmar, sedan behövde nya installeras. Blanchs café blev 1878 platsen för stockholmspremiären för det elektriska ljuset och det finns bevarat annonser från den tiden då man skrev ”I afton elektrisk belysning” i sin reklam. 1881 infördes den första elektriska gatubelysningen på Norrbro i Stockholm av bland andra J P Johansson som var ansvarig för lokomobilen (en ångmaskin på hjul) som drev en generator som alstrade elen. (J P Johansson var inte vem som helst för senare uppfann han bland annat rörtången och den moderna skiftnyckeln.) Båglampan slog dock aldrig igenom. Så sent som 1919 fanns det i Stockholm 10 650 gas- och oljelyktor och bara 110 båglampor. Inte heller glödlamporna slog igenom förrän på 1920-talet. Det fanns bara 900 stycken 1919.

1879 var Thomas Alva Edison klar med sin modell av glödlampan. Det finns dock många andra som har bidragit till uppfinnandet av glödlampan. Klart står dock att Edison hade en avgörande betydelse genom att hans företag fann den första fungerade glödtråden, som var förkolnade fibrer från en speciell växt. Han tog också fram allt annat som behövdes för att kunna överföra elen till glödlamporna. Han var alltså inte bara en uppfinnare utan en fantastisk entreprenör. Han lär ha lämnat in över 1 000 patent bara i USA och låg bakom en rad uppfinningar som fonografen, föregångaren till grammofonen, stencilpennan som kanske inte är så bekant, men som väl var föregångaren till stencileringsmaskinen och slutligen kopiatorn, samt en mängd andra uppfinningar. Han var helt enkelt världens mest kände och aktade uppfinnare.

Samtida med Edison verkade Nikola Tesla som var en briljant serbisk vetenskapsman som hade arbetat på Edisons pariskontor och lyckats få anställning på huvudkontoret i New York 1884. Han utvecklade förutsättningarna för växelströmmen och ansåg att växelström var framtiden, inte minst eftersom den kunde överföras långa sträckor medan likströmmen var begränsad till en radie av 800 meter från generatorn. Edisons lösning var baserad på likström och inte så förvånande tyckte han att likström var bättre och framförallt säkrare för att inte tala om vad han tyckte om att en ung man från Serbien tillrättavisade honom.

Detta ledde till att Tesla lämnade Edisons företag 1887 för att starta eget och han lyckades faktiskt hitta finansiärer, och det i sin tur ledde fram till att han lyckades tillverka en växelströmsmotor 1888. Denna visade han för en av USA:s rikaste företagsledare, William Westinghouse, som hade blivit rik på järnvägsbyggande, men han var också uppfinnare. Westinghouse hade läst om tekniken att med hjälp av en transformator öka spänningen på strömmen som därmed kunde transporteras ännu längre sträckor utan större förluster och sedan transformeras ner till lägre spänningar för användning till ljus, värme och apparater av skilda slag. Han köpte därför de patent som fanns och lät ta fram en dyr och komplicerad transformator. Han insåg att Teslas kunskap och hans patent var viktiga för att vinna framgång och de slöt därför ett avtal som innebar att Tesla skulle få betalt efter hur mycket ström de sålde. Ingen av dem kunde inse vilka summor det skulle bli så småningom. Därmed saknades bara en viktig del och det var en enkel, billig och bra transformator. Tesla lyckades få fram även en sådan.

Edison hade samtidigt fått igång likströmsdistributionen och affärerna blomstrade. Han insåg dock att Tesla och Westinghouse var farliga konkurrenter och började med att misstänkliggöra växelströmmen. Bland annat lät han avrätta hundar med växelström för att visa dess farlighet. Det i sin tur ledde till att han fick en förfrågan om att tillverka en apparat som kunde användas till avrättningar av människor och så blev den elektriska stolen införd vid dödsstraff i USA, men för Edison handlade det bara om att förstöra marknaden för växelströmmen, trots att han säkert insåg att den var lösningen för att alla, inte bara de rika, skulle få tillgång till elektricitet. Det är troligen på grund av den debatten kring växelströmmens farlighet som strömmen i USA är på 110 volt medan den är på 220–240 i Europa. 110 volt är ju mindre farligt.

1893 kom det avgörande slaget då kraftkommissionen för Niagarafallen begärde in förslag på hur man skulle tillgodogöra sig kraften från vattnet och skicka det vidare som elektricitet över stora delar av landet. Edison ville gå med sitt likströmsalternativ, men det slutade med att han blev fråntagen sin makt av styrelsen och det idag inte helt obekanta företaget General Electric startades och de försökte istället lämna in ett växelströmsförslag, men Tesla-Westinghouse vann förstås. 1895 var det klart och elektrifieringen av världen började på allvar.

Nu var det växelström som gällde, men det var inte förrän man kom på att använda volfram som glödtråd som ljusutbytet i glödlamporna blev bättre och kostnaden rimligare. Volfram kallas förresten tungsten på engelska från en tidigare svensk benämning på volfram och den upptäcktes av svensken Carl Wilhelm Scheele redan 1783. Fullt funktionella volframlampor skulle dock komma först på 1920-talet och det var då den verkliga elektrifieringen med glödlampor började. Fram till dess var det gaslampor som gällde för gatubelysning och i liten utsträckning bågljus. Göteborg och Norrköping var först med att införa gaslampor och i Stockholm infördes de inte förrän 1853. Den sista gaslampan försvann så sent som 1941 i Stockholm.

Intresset för elektrisk belysning blev mycket stort, särskilt från rika privatpersoner, och 1885 byggdes de första kommunala elverken i Göteborg och i Härnösand. Därefter följde många andra städer efter, men de som tidigt satsat på gaslampor avvaktade. I de fallen blev det istället privata initiativ som gällde. Gaslampor var betydligt ljusstarkare än glödlampor fram till att volfram började användas. Den första byn som fick elljus lär ha varit Stocksbo 1892. Generatorn för att ge ström till lamporna kostade 850 kronor och för den summan kunde man få ungefär lika många dagsverken, så man kan ju undra hur det kom sig att man hade råd med det i just Stocksbo.

Tesla var den person som först lyckades överföra trefas växelström över långa avstånd, men i Sverige arbetade Jonas Wenström parallellt med Tesla och till hans största meriter hör att Wenström 1893 lyckades göra en elmotor som kunde drivas av trefas växelström samt att han utvecklade teknik för överföring av växelström långa sträckor. Att lyckas med just detta var förutsättningen för att använda vattenkraften långt senare. Tragiskt nog dog han samma år, men från Wenströms arbete bildades sedan ASEA som idag heter ABB.

Nästa steg blev att börja använda elmotorer i industrin. Arboga mekaniska verkstad var först i landet att byta ut sin ångmaskin mot en elmotor. Konsekvenserna av detta var dock marginella. Det var inte förrän man började ersätta remsystemet i taket med små elmotorer kopplade till respektive arbetsplats som man kunde vinna produktions- och miljömässiga fördelar. Det skulle dock dröja långt in på 1900-talet innan remdriften helt var avskaffad och ersatt med elmotorer. I Norrtälje finns det i Pythagoras industrimuseum fortfarande en sådan remdrift att beskåda.

Idag har elektriciteten letat sig in i de flesta apparater. Det började med ett batteri som sedan användes för att skapa en elektromagnetisk magnet, för att därefter kunna användas i en elektrisk motor och genereras av en generator. Generator i sin tur gav upphov till telegrafen, radion, radarn, datorn och så vidare. Elektriciteten kan alltså inte underskattas.

Så vad är elektricitet – egentligen

När det gäller att förstå vad elektricitet är kvarstår även idag en del frågetecken. Det kan man se om man gör en sökning på nätet. Man är inte överens om mycket. Det som man är överens om är att elektronerna har den avgörande betydelsen för att det ska bli ström.

För likströmmen som skapas av batterier står det klart att lättrörliga elektroner som går från en metall till en annan skapar en skillnad i spänning som i sin tur ger en elektrisk ström. Spänningen som mäts i volt kan sägas, med användandet av analogin vatten, vara måttet på hur brant ett vattenfall är och strömstyrkan som mäts i ampere hur brett flödet är. Det är dock inte frågan om att elektronerna rinner som vatten genom tråden. Det är snarare så att elektronernas måttliga och långsamma förflyttningar skapar en elektrisk energi som flyttar sig blixtsnabbt. En analogi för det är en rad av hårda bollar som ligger dikt an mot varandra och om man slår till på den längs bort kommer omedelbart den längst fram att flytta på sig medan alla andra i stort sett står still. Det finns en känd modell med fem kulor som kallas Newtons vagga, och vad man bevisar med den är att rörelseenergin överförs utan förluster (bortsett från luftmotstånd och friktion) från ena sidan till den andra av kulraden.

Vanliga hushållsbatterier som AA, AAA och så vidare har alla samma spänning, 1,5 volt, men ju större batteriet är desto mer strömstyrka finns det och eftersom strömstyrka x spänning = effekt mätt i watt blir det också självklart att ju mer ampere det finns desto mer watt kan man få med det batteriet.

En likströmsmotor utnyttjar sambandet mellan magnetism och ström genom att strömmen skapar magnetism och denna får alltid två motsatta laddningar som kallas nord och syd. En anordning kallad kommutator i motorn ser till att strömmen alltid får en riktning så att magnetfälten attraherar eller repellerar varandra och genom detta skapar en cirkulär rörelse. Principen är densamma för växelström, men uppbyggnaden skiljer.

Växelströmmen är betydligt mer svår att förstå sig på. Här handlar det om att man ändrar riktningen på strömmen 50 gånger per minut, eller hertz som är enheten. Det betyder att elektronerna egentligen inte flyttar sig alls. De hoppar bara fram och tillbaka, men även denna igångsättning av elektroner skapar en elektrisk energi som flyttar sig blixtsnabbt genom tråden, och dessutom är elmotorerna anpassade för detta. Växelströmmen är den dominerande formen för elström och den alstras i generatorer som drivs via ångmaskiner i olje-, värme- och kärnkraftverk. För vatten- och vindkraft gäller att de driver generatorer direkt, medan solceller alstrar likström och av den anledningen har verksamheter som har solceller på taken börjat efterfråga maskiner, till exempel datorer, som drivs av likström.

Det mest väsentliga att känna till om elektricitet torde vara att förstå sambandet mellan volt, ampere och watt. Det är ju allmänt känt att om man kopplar in för många elektriska ting på en säkring (propp) kommer den att utlösas. Det beror på att det alltid finns en maximal gräns för hur många watt som kan tillåtas vid en given ampere. Antag att säkringen är på 10 ampere, spänningen är i Sverige alltid på 230–240 volt. Multiplicerar man volttalet med amperetalet får man ungefär det totala antalet watt som kan kopplas in, alltså 2 300–2 400. Har man en elvärmare som drar 2 000 watt och kopplar in en dammsugare på 1 000 watt kommer säkringen att utlösas. Detta skydd är till för att inte ledningarna ska bli överhettade och fatta eld.

Nu kunde man ju tänkas tro att den ström som kommer in är begränsad vad avser strömstyrkan, amperen, men så är det inte. Istället har man alltså en säkring som stoppar för höga amperetal, alltså strömstyrkor.

Publicerat med tillåtelse av Anders Angervall, http://andersangervall.se

Elektriska små apparater

Tillgången till elektricitet medförde så småningom att ett antal elektriska apparater dök upp i de svenska hemmen. Den första var strykjärnet och senare symaskinen kring 1930-talet, men det kom också en rad lyx-produkter som elektriskt uppvärmda locktänger, flyttbara små kokapparater. Det är svårt att hitta statistik över antalet strykjärn och symaskiner, men troligen dröjde det till runt 1950-talet innan fler är 50 % av hushållen hade dessa apparater. När andelen hushåll med en elektrisk apparat överstiger 50 % kan det ses som ett tecken på att apparaterna var allmänt använda. På nästa sida visas en sådan lista med start 1963. Här nedan kan man se att det tog lång tid från själva uppfinningen till dess att den var allmänt använd. I de flesta fall handlar det om en tidsperiod på 20 år.

1945 dammsugare

1949 radio

1955 kylskåp

1960 elspis

1975 el-tvättmaskin

1980 frys
Nedan finns en lista som visar när mindre elapparater introducerades och hur mycket de har sålt i 1000-tal per år:

Intressant att notera är att det år då statistiken startar 1963 är det bara köksmaskiner, elvispar, brödrostar, strykjärn och dammsugare som säljs i volym. 1970 var det så att de flesta kokade sitt kaffe, men redan 1975 var försäljningen av kaffebryggare ca en halv miljon per år. Espressomaskiner kom först år 2000, men nådde aldrig någon volym förrän varianterna med kapsel dök upp 2011.

Publicerat med tillåtelse av Anders Angervall, http://andersangervall.se

Download 3,74 Mb.