Mobiltelefonen innehåller många olika slags atomer

Lägg inte bort mobiltelefonen. Titta istället på den, utan att slå på skärmen. Har du funderat på hur den egentligen fungerar? Det krävs oerhört mycket avancerad teknik för att en mobiltelefon ska fungera. Det mesta av denna teknik är baserad på kemi. Av de 118 grundämnen vi känner till idag, kan vi hitta drygt en fjärdedel i en modern mobiltelefon. Det är inte tanken att du ska lära dig exakt vilka grundämnen som finns var i en mobiltelefon. Det viktiga är istället att förstå att det krävs mycket kemi för att den ska fungera.

Mobiltelefonens skärm är elektriskt ledande

Det första vi ser av en mobiltelefon är skärmen. Det är såklart en lite speciell skärm eftersom vi kan styra mobiltelefonen genom att röra vid den. Men det fungerar inte om vi har vantar eller är blöta om fingrarna. Skärmen är gjord av glas. Glas tillverkas genom att smälta sand. Sand består till största delen av kiseldioxid med inslag av metalloxider, ofta aluminium (Al). Med oxider menas föreningar av olika ämnen med syre (O). Glaset i telefonen byggs alltså upp av positivt laddade aluminiumjoner och kiseljoner och negativt laddade syrejoner.

Glaset i en mobiltelefon måste vara väldigt starkt. För att göra glaset starkare blandas atomslaget kalium (K) in i glaset. Kaliumjoner är större än kiseljoner och aluminiumjoner och skapar därmed spänningar i glaset. Spänningarna gör att glaset hålls ihop bättre.

För att vi ska kunna styra mobilen med våra fingertoppar måste glasets yta vara elektriskt ledande. Vanligt glas kan inte leda ström. Det är elektriskt isolerande. Så för att glaset på mobiltelefonen ska kunna leda ström används ett tunt lager av indiumoxid, en förening av metallen indium (In) och syre. Till indiumoxiden tillsätts små mängder av metallen tenn (Sn) för att ytterligare öka den elektriska ledningsförmågan.

Dessutom används små mängder av metallerna yttrium (Y), europium (Eu), terbium (Tb), lantan (La), dysprosium (Dy) och gadolinium (Gd). Dessa metaller kan ta upp och även skicka ut ljus. Varje metall har en unik färg och de används för att skärmen ska kunna visa bilder i färg. Dessa metaller hindrar även solens UV-strålning från att skada telefonen.

Mobiltelefonens hölje är gjort av plast eller metall

Resten av telefonens hölje är antingen gjort av plast eller av en legering av aluminium (Al) och magnesium (Mg). Om telefonen har ett hölje av plast, som består av kol (C) och väte (H), är det vanligt att tillsätta flamskyddsmedel. Flamskyddsmedel används för att förhindra att telefonen brinner upp om den blir överhettad. Flamskyddsmedlet består av molekyler som innehåller brom (Br). När plast brinner reagerar kolet och vätet i plasten med luftens syre och bildar koldioxid och vatten. Brom-kolbindningar gör att kolatomerna inte längre kan reagera med syre. Då slocknar elden. Bromerade flamskyddsmedel kan dock innebära miljöproblem.

Mobiltelefonens batteri innehåller litiumjoner

Innanför telefonens hölje finns ett batteri. Batterier bygger på kemiska reaktioner där elektroner flyttas från en atom till en annan. De flesta metaller lämnar lätt ifrån sig sina elektroner och blir då positiva joner. Vi kallar sådana metaller för oädla. Ett exempel är järn som lätt förvandlas till joner. Det är därför järn lätt rostar. Andra metaller håller hårt i sina elektroner. De kallas för ädla. Ett exempel är guld. Om vi har två metaller som är olika bra på att hålla kvar sina elektroner kan vi få elektronerna att röra sig mellan dem. Då får vi ett flöde av elektroner - en elektrisk ström.

Ett batteri är uppbyggt av ämnen som är olika bra på att hålla kvar sina elektroner. När vi kopplar ihop pluspolen med minuspolen sker kemiska reaktioner. I den ena reaktionen avges elektroner och i den andra tas de upp.

Batteriet i en modern mobiltelefon är ett så kallat litiumjonbatteri. Det betyder att det är joner av metallen litium (Li) som rör sig i batteriet när en ström skapas. Litiumjonerna rör sig från batteriets anod (minuspol) till batteriets katod (pluspol). I anoden är litiumjonerna inkilade i en grafitkristall. Grafit är en av kristallformerna av kol (C). I katoden reagerar litiumjonerna med metallen kobolt (Co) och syre (O) och bildar en kristall av litiumkoboltoxid, LiCoO2. När vi sedan laddar upp batteriet igen, tvingar vi tillbaka litiumjonerna från LiCoO2-kristallen in i grafitkristallen. Nobelpriset i kemi 2019 delades ut till tre forskare som på olika vis bidragit till utvecklingen av litiumbatterier. Själva batteriet är inkapslat i ett hölje av aluminium (Al). När ett batteri används blir det ofta ganska varmt. Ifall det är trasigt kan det till och med börja brinna. Litiumbatterier är väldigt vanliga i all typ av elektronik.

 

Mobiltelefonens ficklampa är en lysdiod

En lysdiod är en elektrisk komponent som kan ge ifrån sig ljus. De kallas för ljusemitterande dioder och brukar förkortas LED. Lysdioden till kameralampan byggs upp av så kallade halvledare. I alla material finns det elektroner. I vissa material rör sig elektronerna lätt. Sådana material kallas för ledare. De leder ström. Metaller är ledare. I andra material rör sig inte elektronerna alls. Sådana material kallas för elektriska isolatorer. Plast av olika slag leder oftast inte ström.

Det finns också material som är halvledare. Med hjälp av energi kan man få elektronerna i halvledare att röra på sig. Den energi som krävs för att elektronerna ska bli lättrörliga kallas för bandgapet. Halvledare har ett halvstort bandgap. I en lysdiod används elektrisk energi för att flytta elektroner över bandgapet. När de sedan vill tillbaka igen måste de göra sig av med energin. Det gör de genom att sända ut en foton, en ljuspartikel. För att skapa synligt ljus behövs ett material som har ett bandgap som motsvarar energin i synligt ljus.

Lysdioder görs av föreningar mellan kväve (N) och metallerna aluminium (Al), gallium (Ga) och indium (In). För att justera bandgapets storlek hos dessa föreningar används ofta magnesium (Mg) eller järn (Fe). Olika ämnen ger ljus av olika färg. 2014 års nobelpris i fysik handlade om blå ljusdioder. Det fanns sedan tidigare gröna och röda lysdioder. Tillsammans med blå lysdioder kan vi få LED-lampor med vitt ljus.

Elektroniken i en mobiltelefon är uppbyggd av halvledare

Telefonens hjärna är dess elektronik. Om vi skulle bryta upp mobiltelefonen skulle vi hitta kretskort med små komponenter på. Elektroniken i mobiltelefonen och i en dator, bygger på väldigt små transistorer. Transistorerna skapar de digitala signaler som styr allt i mobiltelefonen. Det finns flera miljarder transistorer i en mobiltelefon. En transistor i en mobiltelefon är omkring tio nanometer stor. En nanometer är en miljarddels meter.

Grunden för all elektronik i mobiltelefonen är halvledare, precis som för kamerans lysdiod. Den vanligaste halvledaren är grundämnet kisel (Si). Kisel bygger också upp elektroniken i telefonen. I en mobiltelefon ändras bandgapet hos kisel genom att tillsätta små mängder av bor (B) eller fosfor (P). Dessutom behövs en elektrisk isolator av antingen kiseldioxid, SiO2 eller en oxid av metallen hafnium (Hf).

För att vi ska kunna ringa och surfa från mobiltelefonen krävs elektriska komponenter med väldigt speciella egenskaper. Dessa görs av andra halvledare. Ett exempel är en förening mellan metallen gallium (Ga) och halvmetallen arsenik (As). För att skapa elektriska kontakter på transistorerna används antingen metallen volfram (W) eller föreningar mellan metallerna titan (Ti), aluminium (Al) och tantal (Ta) och kväve (N).

För att leda elektrisk ström mellan transistorerna används volfram (W), koppar (Cu), silver (Ag) eller guld (Au). I ett ton uttjänta mobiltelefoner kan det finnas 300 gram rent guld. 10 000 mobiler väger ungefär ett ton. Detta är ungefär tio gånger högre halt än i guldmalm från en guldgruva.

Mobiltelefonens högtalare och mikrofon innehåller magneter

Både högtalaren och mikrofonen behöver små starka magneter. I en högtalare finns både en så kallad permanentmagnet och en elektromagnet. En permanentmagnet är en bit av ett material som är magnetiskt. En kylskåpsmagnet är ett exempel på en permanentmagnet. En elektromagnet är en spole av en elektrisk ledare. När elektrisk ström flödar genom spolen uppstår ett magnetfält i spolen. I högtalaren kommer permanentmagneten och elektromagneten att stöta bort varandra. Permanentmagneten är monterad så att den kan röra sig. Genom att reglera strömmen i elektromagneten ändras styrkan av magnetfältet. Då kommer permanentmagneten att stötas bort. När permanentmagneten rör sig fram och tillbaka skapas vågrörelser i luftens molekyler, vilka vi uppfattar som ljud. Ljud är alltså vågrörelser i molekylerna i luften. Ju starkare permanentmagnet vi har, desto mindre kan högtalaren göras.

Partiklar kan ha elektrisk laddning. Magnetism uppkommer när laddade partiklar i ett material roterar åt samma håll. Det är väldigt få grundämnen som är magnetiska. Järn (Fe) är den vanligaste magnetiska metallen. Kobolt (Co) och nickel (Ni) är två andra magnetiska metaller. I järn, kobolt och nickel kommer några av elektronerna i atomerna att ordna sig så att de roterar åt samma håll. Det ger upphov till magnetism.  

En legering av järnoxid och olika andra metaller kallas för ferrit. Du hittar ferrit i vanliga kylskåpsmagneter. Vill vi ha riktigt starka magneter blandar vi in mer ovanliga magnetiska metaller som neodym (Nd) och samarium (Sm). Ibland blandas även små mängder av metallerna gadolinium (Gd), dysprosium (Dy) och praseodym (Pr) in för att ge ännu starkare magnetiska egenskaper. En legering av neodym, järn och ickemetallen bor (B) ger väldigt starka magneter som ofta kallas neodymmagneter. Det är denna typ av magneter vi hittar i telefonens högtalare och mikrofon. Magnetfält som magneterna ger upphov till mäts i enheten tesla (T). En neodymmagnet har ett magnetfält på ungefär en tesla. Det kan jämföras med en kylskåpsmagnet som har ett magnetfält på ungefär en hundradels tesla. Jordens magnetfält är ungefär 50 mikrotesla, alltså 0,000050 tesla. 

Vibratorn som får hela telefonen att vibrera innehåller vikter som är gjorda av metallen wolfram (W). Wolfram hör till grundämnena med allra högst densitet vilket innebär att vikterna kan vara små och samtidigt ganska tunga.

En mobil innehåller värdefulla metaller

En mobiltelefon innehåller alltså väldigt många olika atomslag. Vissa av dessa är vanliga i jordskorpan medan andra är mycket ovanliga. Hur kommer det att bli i framtiden? Kommer det att finnas tillräcklig mängd av dessa ovanliga metaller för att producera de mobiler och datorer som vi vill ha?

Quiz - Mobiltelefonen

Förhindrar att telefonen brinner upp om den överhettas.

Kallas föreningar av olika ämnen med syre.

Denna elektriska komponent kallas också för LED

Detta grundämne är en halvledare.

Denna komponent skapar de digitala signaler som styr allt i mobiltelefonen.

Det finns flera miljarder av denna komponent i en mobiltelefon.

Denna elektriska komponent är en av delarna i en elektromagnet.

Styr om ett ämne leder ström eller inte. Hos halvledare är det halvstort.

I detta ämne gör brom-kolbindningar så att kolatomerna inte kan reagera med syre och förhindrar på så sätt en brand.

Uppgifter

Förklara och beskriv
 

  1. Vad består glas av?
  2. Förklara vad en oxid är.
  3. Vad är det för skillnad på en kaliumatom och en kaliumjon?
  4. Förklara skillnaden mellan elektriskt ledande och elektriskt isolerande material.
  5. Vanligt glas leder inte ström, men det gör glasskärmen på din mobiltelefon. Förklara hur det kan komma sig.
  6. Hur skapas de olika färgerna på mobiltelefonens skärm?
  7. Vad är en legering?
  8. Varför det finns flamskyddsmedel i mobiltelefonens hölje?
  9. Förklara hur ett flamskyddsmedel fungerar.
  10. Förklara skillnaden mellan en ädel och en oädel metall.
  11. Hur uppstår en elektrisk ström?
  12. Förklara hur ett litiumjonbatteri fungerar.
  13. Vad är en anod?
  14. Vad är en katod?
  15. Vad är grafit?
  16. Vad är en LED?
  17. Hur fungerar en lysdiod?
  18. Vad innebär bandgap?
  19. Vad är ett kretskort?
  20. Vilken funktion har en transistor?
  21. Vad är en nanometer?
  22. Vilka egenskaper har en halvledare?
  23. Ge exempel på några ämnen som är halvledare.
  24. Förklara skillnaden mellan en permanentmagnet och en elektromagnet.
  25. Vad är ljud?
  26. Vilka grundämnen är magnetiska?
  27. När används enheten tesla (T)?
  28. Förklara vad densitet är.
  29. Ta fram ett periodiskt system och markera de grundämnen som nämns i texten och som finns i en mobiltelefon.

    Argumentera och resonera
     
  30. Vad var det som var så speciellt med den blå lysdioden? Varför var det just den som gav uppfinnarna nobelpriset i fysik år 2014?
  31. Vilka grundämnen tror du finns i stora respektive små mängder i en mobiltelefon?
  32. I många av de länder där mobiltelefonens metaller utvinns ur gruvor och dagbrott är det i dag konflikter. Hur tror du att produktionen eller av mobiltelefoner skulle påverkas om det bröt ut ett krig i något av dessa länder?
  33. Vilka naturvetenskapliga argument finns för och emot följande påståenden?
    a) Alla mobiltelefoner borde återvinnas
    b) Om mobiltelefonernas batterier vore bättre så skulle vi inte behöva byta telefon så ofta.

    Ta reda på
     
  34. Ta reda på hur vanliga de ämnen som finns i en mobiltelefon är på jorden.
  35. Ta reda på i vilka länder det finns gruvor som bryter de metaller som finns i mobiltelefonen.