7.A A villamos áram hatásai Hıhatás

Átírás

1 7.A A villamos áram hatásai Hıhatás Sorolja fel a villamos áram hatásait! Ismertesse a villamos- és a hıenergia közötti kapcsolatot! Magyarázza el az áram hıhatásának okait! Mutasson be hıhatáson alapuló jellemzı gyakorlati alkalmazásokat (főtés, melegítés, izzólámpák, biztosítók, hőtıbordák)! Mutassa be a káros hıhatás elleni védekezést! A villamos áram hatásai: Az álló villamos töltéseknek csak elektromos kölcsönhatásuk van, amikor azonban a töltések mozogni kezdenek, az elektromos mellett további kölcsönhatások is fellépnek. Ezek közül a gyakorlati felhasználás szempontjából a villamos áram hı, fény, vegyi, élettani és mágneses hatása a legjelentısebb. A villamos áram hıhatása Ha nem légüres térben áramlanak a töltéshordozók, akkor az anyag atomjai akadályozzák a mozgásukat. A bekövetkezı ütközések a töltéshordozók sebességét, és ezáltal a mozgási energiáját is csökkentik. Ez az energia az anyagban hıenergiává alakul, amit főtıberendezésekben (például fızılap főtıspirálja, vasaló, forrasztópáka) használhatunk fel. A mágneses hatást itt elhanyagoljuk, mert ezekben a berendezésekben a hıhatás a legfontosabb. A villamos áram egy testet olyan magas hımérsékletre is felmelegíthet, hogy az izzásba jön (például izzólámpa). Ilyenkor a kibocsátott fényt hasznosítjuk, és az ezzel járó hıhatást hanyagoljuk el. Egy fogyasztóban a szabad töltéshordozók folyamatos áramlásának biztosításához külsı villamos energia befektetése szükséges. Ha az energia felhasználásának célja a főtés vagy a melegítés, akkor ezt a villamos energiát hıenergiává kell átalakítani, de a fogyasztókban közvetlenül nem hasznosítható energia is általában hıenergiaként veszik el. Főtıspirál Vasaló Forrasztópáka Villamos és hıenergia Az energia-megmaradás törvénye értelmében a befektetett villamos energia megegyezik a melegített test által felvett hıenergiával: W be =W fel Ha az áramkör elektromos adataiból határozzuk meg a befektetett energiát, akkor a már leírtak szerint a W be =U I t összefüggéssel tehetjük meg. Ha átalakítjuk ezt Ohm törvényének felhasználásával, akkor a W be =I 2 R t kifejezésbıl a gyakorlatban jelentkezı problémák okaira tudunk következtetni. Mivel a betáplált és hıvé alakuló energia az áramerısség négyzetével arányos, ezért nagyobb áramerısség esetén a vezetékek és az elektromos alkatrészek sokkal jobban melegszenek. Ezt a jelenséget hasznosítják az olvadó biztosítóban túláram esetén, amikor a nagymértékő melegedés hatására a vezetıszál elolvad, és az áramkör megszakad. Arra is ügyelni kell, hogy a keletkezı hı az ellenállással is egyenesen arányos, ezért egy áramkörben a nagyobb ellenállású elemen keletkezik nagyobb hı. Ez káros hıhatásként jelentkezik az elektromos csatlakozási pontokon, ha azok csak lazán kapcsolódnak, például a nem kellıen meghúzott csavarral rögzített vezetéknél. Viszont ugyanez a jelenség használható fel a pillanatforrasztó huzaljának, illetve ívhegesztéskor a hegesztıpálca végének a melegítésére. A hı terjedése A hı terjedésének nevezzük, ahogyan a hıenergia eljut az egyik rendszerbıl a másikba. Ez történhet vezetéssel, áramlással és sugárzással, illetve ezek kombinációjával. A hı mindig a magasabb hımérséklető helyrıl (ez most az áram hıhatása által melegített berendezés) a kisebb hımérséklető hely (a környezet) felé terjed. 1

2 Fekete hőtıborda Radiátor Szilárd anyagokban a hı vezetéssel terjed, pl. a forrasztópákából a forrasztócsúcson keresztül a forrasztandó alkatrészbe, egy tranzisztor hőtésekor a tranzisztorból a hőtıbordába vagy a villanyrezsóból az edény falába. Ezekben az anyagokban az atomok és a szabad elektronok a hımérsékletükkel arányos rezgı mozgást végeznek. A hıvezetéskor ennek a mozgásnak az energiáját közvetítik a szabad elektronok mozgásukkal és ütközéseikkel. A test hıenergiáját tehát azok az anyagok vezetik jól, amelyekben sok szabad elektron van, vagyis elektromosan is jó vezetık. Ilyen jó hı és áramvezetık a fémek. Folyadékokban és gázokban a hı áramlással terjed, pl. egy hőtıbordából a környezetbe, a főtıkészülékekbıl a szoba hidegebb részei felé vagy a melegített edénybıl a benne levı folyadékba. A magasabb hımérséklető helyen az anyag kitágul, mert a molekulák intenzívebben mozognak, ezért több helyre van szükségük. A melegebb és emiatt kisebb sőrőségő anyag felfelé áramlik, helyére pedig a hidegebb kerül. Ezt a jelenséget hıáramlásnak nevezzük, és ezért kell a hőtıbordák, illetve a radiátorok lapjait függılegesen elhelyezni. A leadott hımennyiség nemcsak a test felületével arányos, hanem függ annak helyzetétıl is. A hı elektromágneses sugárzással is terjedhet, pl. a Napból a légüres téren át így jut el hozzánk a hıenergia. A test sugárzással leadott hıteljesítménye egyenesen arányos a hımérsékletével és a felületének nagyságával, de befolyásoló tényezı a színe is. A hőtıbordákat azért festik fekete színőre, mert a fekete felület sugároz a legerısebben. Hısugárzás esetén a hı elektromágneses sugárzás formájában terjed, így a terjedéséhez nincs szükség közvetítı közegre. Testek melegedése Ha egy testet állandó villamos teljesítménnyel melegítünk, azt tapasztaljuk, hogy a hımérséklete elıször lineárisan, majd egyre lassabban növekszik. Az ábra mutatja, hogy a melegedés egy maximális hımérsékletet elérve már nem folytatódik, mert ekkor a test által felvett és a kisugárzott energia megegyezik. A test maximális hımérséklete a betáplált teljesítménnyel arányos, minél nagyobb a teljesítmény, a test annál magasabb hımérsékletre melegszik fel. A villamos berendezések és alkatrészek a bekapcsolás után ilyen módon változtatják a hımérsékletüket. Ha a hımérséklet egy megadható maximális értéknél nagyobb, károsodás következhet be. Ezt elkerülhetjük a betáplált teljesítmény csökkentésével, illetve a fogyasztó felületének növelésével is, mert így megnövelhetı a kisugárzott teljesítmény. A gyakorlatban ezt hőtıbordák alkalmazásával érjük el. Az izzólámpák esetében az izzószál kis mérete pedig éppen a kellıen magas hımérséklet miatt szükséges, mert a wolframszál izzása szolgáltatja a fényt. Testek melegedése 2

3 Az anyagok fajhıje, a hıhatás jellemzı alkalmazásai A fajhı A villamos- és hıenergia közti kapcsolatot Joule francia fizikus vizsgálta, ezért az általa felfedezett összefüggést Joule törvényének nevezzük. Az energia-megmaradás törvénye értelmében a befektetett villamos energia megegyezik a melegített test által felvett hıenergiával: W be = W fel Mivel a hıenergiát a fizika Q-val jelöli, és a melegített test adataiból meghatározható, ezért W be = Q fel és Q fel = c m T ahol T a hımérséklet megváltozása ( T=T 2 T 1 ), m a melegített anyag tömege, c pedig a fajhıje. A fajhı megmutatja, hogy mennyi energia szükséges 1 kg anyag hımérsékletének 1 C-szal történı emeléséhez. ( c) kw s = 0 Anyag ( c) kg C kw s = 0 kg C Ólom 0,13 Ezüst 0,23 Vörösréz 0,39 Vas 0,46 Alumínium 0,9 Levegı 1 Jég 2,1 Víz 4,18 Néhány anyag fajhıje A táblázatban szereplı fajhı értékekbıl kiolvasható, hogy a fémek melegítéséhez kevesebb energia szükséges, mint a levegıhöz vagy a vízhez. A hıhatás jellemzı alkalmazásai Alkatrészek hőtése, a káros hıhatások elleni védekezés A mőködés közben keletkezı hımennyiség egyes alkatrészeknél olyan nagy is lehet, hogy azt már nem képes önállóan leadni a környezetének. Ilyen esetekben a károsodás elkerülése miatt szükség van hőtıborda vagy mesterséges hőtés alkalmazására. Ventillátor Tranzisztor A hőtıbordát a hőtendı alkatrészhez kell rögzítenünk, ezzel megnövelve a felületét és a hıleadását. A hőtıborda mindig szorosan és a lehetı legnagyobb felülettel érintkezzen a hőtendı alkatrésszel. A zárlat elkerülése érdekében viszont ezeket vékony, jó hıvezetı, de villamosan szigetelı anyaggal (például csillám) kell elválasztanunk egymástól. 3

4 Nagyobb teljesítmények esetén szükség lehet mesterséges hőtésre is. A léghőtést ventilátor felszerelésével valósíthatjuk meg, amely a hőtıborda által felmelegített levegıt cseréli hidegebbre. Hőtıbordával, illetve ventilátorral hőtjük a nagy teljesítményő félvezetı eszközöket (diódákat, tranzisztorokat, integrált áramköröket). Léghőtés esetén kerüljük a zárt doboz alkalmazását, alakítsuk ki rajta szellızı nyílásokat, hogy a levegı cserélıdni tudjon. Nagy teljesítményő háromfázisú transzformátorok hőtésénél a vasmagot és a tekercselést olajtartályban kell elhelyezni. Az olaj jobban hőt, mint a levegı, jobban is szigetel, és megakadályozza a nedvesség bejutását. Az olajat szintén hőtıbordákon keresztül a levegı hőti. Mivel az olaj melegedésekor tágul, ezért rugalmas bordázású olajtartályra vagy külön tágulási tartályra van szükség. Főtés A villamos energiát főtésre, anyagok melegítésére közvetlen és közvetett módon is használhatjuk. Közvetlen főtésőek azok a berendezések, amelyekben az áram által átjárt részbıl vesszük ki a hıt. A nagy áram melegíti fel pont- és ívhegesztı berendezéseknél az anyagokat és a hegesztıpálcát. A közvetett főtéső berendezésekben biztonságtechnikai okokból az árammal melegített főtıszáltól villamosan el van szigetelve a melegítendı anyaggal kapcsolatba kerülı szerkezeti rész. A hı így csak a szigetelı anyag felmelegítése után, közvetett módon jut el a felhasználás helyére. Ez az idıben is jelentkezı késedelem a test hıtehetetlensége. Közvetett főtéső a vasaló, a villanyrezsó és a különbözı vízmelegítı berendezések. A főtıszál Az izzólámpa Izzólámpák Az izzólámpákban a villamos áram egy wolframszálat melegít fel olyan magas hımérsékletre ( C-ra), ahol a szál izzása közben jelentıs fényt sugároz. A wolfram használatát a fémek közötti legmagasabb olvadáspontja (3420 C) indokolja. Ezért az üzemi hımérsékletén is megfelelı mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, emellett kb. 3 %-os a fényre vonatkoztatott hatásfoka. Ez nem túl magas érték, de különbözı technikai megoldásokkal javítható. A kép egy egyszerő izzólámpa szerkezetét mutatja, amelyben az izzószál légüres térben van elhelyezve. A vákuum miatt a wolfram nem ég el, de viszonylag gyorsan párolog, a szál hamar megszakad, vagyis kiég az izzó. Mőködés közben pedig az üvegbúrára lecsapódó vékony wolframréteg csökkenti az izzó fényerejét. Az izzólámpát ennek ellenére még gyakran használják lakások, munkahelyek világítására, villamos berendezésekben üzemi állapotok jelzésére. Biztosítók Túláram esetén egy villamos berendezésben az áramerısség jelentısen meghaladja a névleges értéket. Ez komoly károkat okozhat a berendezésben és az energiaszolgáltató hálózatban is. Ha vezetékek nem kívánt összeérése (például szigetelési hiba) okoz nagyon nagy áramot, azt zárlati áramnak nevezzük, amely az üzemi áram szerese is lehet. Ha az áramerısség túlterhelés miatt növekszik meg, akkor túlterhelési áramról beszélünk. A biztosító a túláramtól védi a villamos berendezést és az energia szolgáltató hálózatot is. Olyan szerkezet, amely bizonyos áramerısséget tartósan elvisel, de ettıl nagyobb áramerısség esetén meghatározott idı múlva kiolvad, megszakítva ezzel az áramkört. 4

5 Az olvadó biztosító foglalatból (tartó aljzat érintkezıkkel és menetes fejjel) és cserélhetı betétbıl áll. A hálózat felıl jövı vezetéket érintésvédelmi szempontok miatt mindig a foglalat alsó érintkezıjére, a fogyasztó felé menı vezetéket pedig az oldalsó érintkezıjére kell bekötni. A betét háza üveg vagy kerámia, ebben található az olvadószál és nagyobb áramú betéteknél kvarchomokkal van kitöltve. A kvarchomok a szál megolvadása után a megolvadt szál helyét kitölti, így megnöveli a kialakuló ív hosszát. Kialakításuk szerint beszélhetünk Diazed és Wichman (vihman) rendszerő biztosítókról. A biztosító Az olvadó biztosíték Diazed rendszerő biztosító Wichman rendszerő biztosító Típusok: F: gyors FF: szuper gyors T: lomha TT: nagyon lomha Biztosítók kiolvadása N: normál Energiaszállító vezetékek méretezése A generátortól a fogyasztóig a villamos energiát vezetékek segítségével juttatjuk el, ezeket energiaszállító vezetékeknek nevezzük. A vezetékeknek azonban van az l R = ρ összefüggés alapján meghatározható ellenállásuk (R v ). Ez kis érték ugyan, A de a rajta átfolyó áramerısség hatására a vezetékben P v = I 2 R v hıteljesítmény keletkezik. Ez nemcsak a vezetéket melegíti feleslegesen, hanem a generátor hasznos teljesítményét is csökkenti. A fogyasztó árama adott, ezért ezt a veszteséget csak a vezeték ellenállásának a minimalizálásával lehet csökkenteni. A vezeték méretezésekor a keresztmetszetét kell meghatározni, mert a hossza és az anyaga általában adott. 5

6 Energiaszállító vezetékek méretezésénél a feszültségesést figyeljük, mert a fogyasztóra jutó feszültség a vezeték ellenállása miatt U v = I R v -vel csökken. A feszültség csökkenése azonban csak 2-5 % lehet, különben a fogyasztó nem megfelelıen mőködik. A vezeték ellenállása A huzal magas hımérséklete miatt károsodhat a tekercsekben is, ahol a hıt nehezebb leadni az egymás melletti és alatti menetekbıl. A vezetékek melegedésére az áramsőrőség a legjellemzıbb mennyiség, amely az egységnyi keresztmetszeten folyó áramerısséget mutatja meg. A jele: J, mértékegysége: J = I A A 2 mm, kiszámítása:, ahol A a vezeték keresztmetszete (mm 2 ) és I a rajta keresztülfolyó áram erıssége. Ugyanakkora áramerısség esetén egy vezetékben az áramsőrőség a kisebb keresztmetszető részben nagyobb. Tehát a vezetékek legkisebb keresztmetszete határozza meg a maximális áramerısségüket. Az áramsőrőség 6