1.A 1.A. 1.A Villamos alapfogalmak Feszültség, áram, töltés, ellenállás

Átírás

1 1.A Villamos alapfogalmak Feszültség, áram, töltés, ellenállás Definiálja a feszültség, az áram, a töltés, az ellenállás és a vezetıképesség fogalmát, jellemzıit! Ismertesse a feszültség, az áram, a töltés, az ellenállás és a vezetıképesség mértékegységeit, s végezzen átszámításokat a mértékegységekkel prefixumaik szerint (µv, mv, ma, kω, µs, ms)! Értelmezze az áram és a töltés közötti kapcsolatot! Mutassa be az elektrotechnika, mint mőszaki tudomány kapcsolatait a fizikával! A villamos töltés Azt a részecskét, amelynek elektromos kölcsönható képessége van, elektromosan töltöttnek nevezzük. Azt mondjuk: töltése van, és töltésének nagysága arányos a kölcsönható képességével. A töltést Q-val jelöljük és coulomb-ban (kulomb, a jele: C) vagy amperszekundumban (a jele: As) mérjük. 1 C = 1 As. Töltések típusai A proton és az elektron kölcsönható képessége, vagyis elektromos töltése ellentétes. A protonét pozitívnak, az elektronét negatívnak jelöljük. A neutron nem mutat elektromos kölcsönhatást, töltéssel nem rendelkezik. Semleges (nem mutat kölcsönhatást), idegen szóval neutrális. A mag a proton miatt pozitív töltéső. Vonzás és taszítás A töltéssel rendelkezı részecskék között erıhatás lép fel. Az erıhatás iránya alapján megkülönböztetünk vonzó és taszító erıt. Taszítás jön létre proton és proton, elektron és elektron között, míg vonzás proton és elektron között. Vagyis az egynemő töltéső elemi részecskék taszítják, a különnemőek vonzzák egymást. A proton és a neutron tömege közel azonos (egységnyi), míg az elektron a proton tömegének csak 1836-od része. m elektron = 9, kg Az eltérı tömegek ellenére a proton és az elektron elektromos kölcsönhatásának a mértéke, vagyis a töltése azonos, csak ellentétes elıjelő. Q elektron = Q proton Taszítás protonok között Taszítás elektronok között Vonzás proton és elektron között Elemi töltés A proton és az elektron töltése elemi töltés, mert ennél kisebb töltés nincs. Minden elektromos töltés ennek egész számú többszöröse. Az elektron elemi töltését q-val jelöljük. Q elektron = q = 1, As Q q 1As Az 1 As rendkívül nagy töltés, hiszen 18 = = 6,25 10 db elektronnak vagy protonnak van 1 As töltése. 19 1,6 10 As Egy atomban a negatív elektronok és a pozitív töltéső protonok száma azonos, ezért az atom kifelé nem mutat elektromos kölcsönhatást, semleges. N elektron =N proton A villamos áram A szabad töltéshordozók egyirányú mozgását (áramlását) villamos áramnak nevezzük. A villamos áram nagyságának mértékét az áramerısség fejezi ki, melyet I betővel jelölünk. Az áramerısség a vezetı keresztmetszetén idıegység alatt átáramlott töltések mennyisége. 1

2 Nagy az áramerısség, ha sok töltéshordozó áramlik át rövid idı alatt: Q I = t 1 A erısségő az áram, ha 1 As töltés áramlik át 1 s alatt. Az összefüggés alapján az áramerısség mértékegysége: As = A s (amper, Ampere francia fizikusról). Az átáramlott töltések mennyiségére vonatkozó egyenletet átrendezve, a Q=I t összefüggés alapján kapjuk a töltés korábban megismert A s=as mértékegységét, vagyis az áramerısség alapmennyiség, a töltés pedig származtatott. A feszültség fogalma és mértékegysége Töltésszétválasztás Az elektronok és a protonok megegyezı száma miatt az atom alapállapotban semleges. Minden anyag atomokból épül fel, ezért alapállapotban a testek is semlegesek. Az elektron - proton egyensúly azonban megváltoztatható, mert egy atomról vagy testrıl a másikra viszonylag könnyen áttehetı elektron. Ez a folyamat a töltésszétválasztás, és ezen alapszik minden villamos energiaforrás, sıt ennek következménye az összes villamos jelenség is. A töltésszétválasztáshoz energia szükséges. Szétválasztás után az elektrontöbblettel rendelkezı atom vagy test negatív, míg az elektronhiányos pozitív töltéső lesz. Az egyensúly elvileg a protonok számával is megváltoztatható, azonban ehhez rendkívül nagy energia szükséges, mert az atommagon belüli kölcsönhatások sokkal erısebbek. A gyakorlatban ezért mindig az elektron mozog. Elektromos mezı Minden olyan test környezetében, ahol a protonok és az elektronok száma nem azonos (a test elektromosan töltött), elektromos kölcsönhatás tapasztalható. A térnek azt a részét, ahol az elektromos kölcsönhatás kimutatható villamos térnek vagy elektromos mezınek nevezzük. Az elektromosan töltött testek is hatnak egymásra. Az elemi töltésekhez hasonlóan az egynemő töltéső testek taszítják, a különnemőek vonzzák egymást. Az erı mindig olyan irányú, hogy a korábban szétválasztott elektromos töltéseket újra egyesíteni, azaz kiegyenlíteni akarja. A kiegyenlítıdés a szétválasztással ellentétes folyamat, és ennek jelenségeit hasznosítjuk a villamos energia felhasználásakor. A feszültség A villamos térbe helyezett töltésre erı hat, így az elmozdulhat, és közben munkát végezhet. A töltésnek tehát energiája, munkavégzı képessége van. Ez az energia a kiegyenlítıdési folyamat során teljes mértékben felszabadul, és megegyezik azzal az energiával, amit a töltések szétválasztására fordítottunk. Tegyünk a tér A pontjába Q töltést, és engedjük elmozdulni B pontig! Ekkor a töltés WAB munkát végez, és a kiegyenlítıdési részfolyamatban a két pont közötti energia különbsége, vagyis WAB energia szabadul fel. A töltést B-bıl A-ba csak külsı energia befektetésével lehet visszavinni, és ehhez éppen WAB energia szükséges. Ha a tér két pontja közötti munkavégzı, illetve töltéskiegyenlítı képességet 1 As töltésmennyiségre vonatkoztatjuk, akkor a feszültséget kapjuk. A feszültség jele: U. 2

3 A feszültség hatására elmozduló töltés A feszültség hatására elmozduló töltés Feszültség= A kiegyenlítıdı töltések által végzett munka / A kiegyenlítıdı töltések mennyisége U W AB =. Q A feszültség mértékegysége a V (volt), Volta olasz fizikusról. 1 V a feszültség a tér két pontja között, ha az 1 As töltés 1 J (1 Ws) munkát tud végezni. 1J 1 V = 1 As A potenciál Ha a munkavégzı képességet egy kitüntetett ponthoz viszonyítjuk (ilyen a végtelen a vagy a föld), akkor potenciálról beszélünk. A tér valamely két pontja között a feszültséget a két pont potenciáljának különbsége adja, vagyis a feszültség potenciálkülönbség. Áramkörökben a feszültség, erıterekben inkább a potenciál fogalmat használjuk. Ionos kötés Ionos kötéseknek nevezzük az ionok képzıdésével együtt járó kötéseket. Az ionos kötéső vegyületek szobahımérsékleten általában kristályos anyagok. A kristályrácsok rácspontjaiban a pozitív és negatív ionok váltakozva helyezkednek el, ezért az elektrosztatikus vonzóerı tartja össze a rácsot. Ionos kötés van például a konyhasóban (NaCl) is. Az ionvegyületekre jellemzı, hogy szilárd állapotban szigetelı tulajdonságúak, míg oldott állapotban jól vezetik az elektromos áramot. Az ionos kötés erıssége igen nagy, ezért olvadáspontjuk magas, szilárdságuk nagy. NaCl felépítése Kovalens kötés A kovalens kötés létrejöttét a közös elektronpár kialakulása jellemzi. A kötésben résztvevı atomok közel kerülnek egymáshoz, és a két külön elektronpályájukból egy közös, mindkét magot körülvevı elektronburok alakul ki. A kialakult elektronburok már nem tartozik az egyes eredeti atomtörzsekhez. A kovalens kötéső molekulák az elektromos áramot szabad töltéshordozó hiányában nem vezetik. Kovalens kötés jellemzı a germániumra és a szilíciumra, valamint az azonos atomokból álló molekulákra (gázok). A kovalens kötés felépítése 3

4 Fémes kötés A kötéseknek ez a harmadik típusa a fémekre jellemzı, innen kapta az elnevezését. A fémek szobahımérsékleten kristályos állapotban fordulnak elı. A rácspontokban lévı atomtörzsek egymáshoz kovalens kötéssel kapcsolódnak. Az atomtörzsek a kristályrácsban olyan közel helyezkednek el egymás mellett, hogy a szomszédos atomok valenciaelektronjaikat közösen használhatják. Az elektronok így bármely atomhoz tartozhatnak, vagyis szabadok. Ezért a fémekben sok szabad töltéshordozó található, amely a fém jó vezetıképességnek alapja. A szabad elektronok a kristályban szabálytalan ún. hı- vagy termikus mozgást végeznek az atomok között. A szabad elektronok mozgása fémekben A vezetés Ha egy kristály két vége közé feszültséget kapcsolunk, azaz a kristály részecskéire elektromos tér hat, akkor a rácsban található szabad töltéshordozók elmozdulnak. Ebben az esetben a szabálytalan termikus sebesség mellé egy térirányú összetevı is társul. Az elektronok a villamos tér által rájuk kényszerített irányba sodródnak. Ez nem más, mint az elektromos áram, amit drift, vagy sodródási áramnak is nevezhetünk: az anyag vezet. Termikus mozgás villamos tér hatására Termikus mozgás vezetékben Az ellenállás A villamos tér hatására sodródó elektronok mozgásuk közben ütköznek a helyhez kötött atomtörzsekkel, miközben energiájuk egy részét azoknak leadják (az elektron lelassul, a kristály energiája nı, hımérséklete emelkedik). Az ütközések korlátozzák a töltéshordozót a továbbhaladásában. Bármely közegnek azt a tulajdonságát, hogy akadályozza a szabad töltéshordozók áramlását, villamos ellenállásnak (rezisztancia) nevezzük. A villamos ellenállás jele: R, [ R ] = Ω = A V 4

5 1 Ω az ellenállása annak az anyagnak, amelyben 1 V feszültség hatására 1 A áram folyik. A kis ellenállású anyag jól, a nagy ellenállású rosszul vezet, vagyis az ellenállás és a vezetıképesség fordítottan arányos egymással. A villamos vezetıképességet G-vel jelöljük, G 1 R =,így [ G ] = S = 1 Ω Ha a vezetıképességet egységnyi mérető (1 m hosszú és 1 négyzetméter keresztmetszető) anyagra vonatkoztatjuk, a fajlagos vezetést kapjuk. Jele: γ = 1 Ωm Az áramvezetés szempontjából az anyagokat a következıképpen csoportosíthatjuk: Elsırendő vezetık: fémek Másodrendő vezetık: folyadékok Harmadrendő vezetık: félvezetı anyagok, gázok, légüres tér Az elektronika a félvezetı anyagokban, a gázokban és a légüres térben lejátszódó elektromos jelenségeket hasznosítja. Az ilyen elven mőködı alkatrészeket (dióda, tranzisztor, elektroncsı) elektronikus alkatrészeknek nevezzük. A prefixumok Megengedett az SI-egységek 10 alapú hatványainak használata a megfelelı elıtag (prefixum) alkalmazásával. Ezeket akkor használjuk, ha a mennyiség túl kicsi vagy túl nagy. A prefixumok jelét minden esetben a mértékegység elé írjuk, a megfelelı decimális szorzószám helyett. Például: I=0,005 A= A=5 ma Szorzószám: neve: Prefixumok jele: = exa- E = peta- P = tera- T 10 9 = giga- G 10 6 = mega- M 10 3 =1 000 kilo- k 10 2 =100 hekto- h 10 1 =10 deka- da 10-1 =0,1 deci- d 10-2 =0,01 centi- c 5

6 10-3 =0,001 milli- m 10-6 =0, mikro- µ 10-9 =0, nano- n =0, piko- p =0, femto- f =0, atto- a Az elektrotechnika, mint mőszaki tudomány A villamosság ma már annyira a mindennapi élet részévé vált, hogy a legtöbben nem tudnák elképzelni az életüket nélküle. A rádió, a televízió, a számítógép, a telefon, a különféle háztartási berendezések, sıt a legtöbb mérımőszer is villamos elven mőködik. A villamosság a természetben is elıfordul, így figyeltek fel a jelenségre gondoljunk csak a villámlásra, az elektromos rájára, vagy az emberi izom- és idegrendszer mőködésére. Az elektromos és a villamos elnevezések egyenértékőek. A nemzetközi szakirodalom általában a görög eredető elektromos kifejezést, a magyar nyelv inkább a villám szóból származtatott villamos elnevezést használja. A villamosságtan a fizika egyik ága, a villamos jelenségek legáltalánosabb törvényszerőségeit vizsgálja. A villamos jelenségek technikai eszközökben történı hasznosításával az elektrotechnika, és az ebbıl kifejlıdött villamos tudományok (pl. az elektronika) foglalkoznak. A villamos jelenségek vizsgálata azonban elképzelhetetlen különbözı technikai berendezések nélkül, ebbıl következik, hogy a villamosságtan és az elektrotechnika szoros kapcsolatban áll egymással. Az elektrotechnika felosztása 6