Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

Átírás

1 Egyenáram Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

2 Elektromos áram Az elektromos töltéshordozók meghatározott irányú rendezett mozgását elektromos áramnak nevezzük. Iránya: Megállapodás szerint a pozitív töltéshordozók iránya, ami tehát a negatív töltéshordozók-elektronok- áramlási irányával ellentétes.

3 Áramerősség Az elektromos áram mennyiségi jellemzője az áramerősség. 1 amper az áramerősség, ha a vezető keresztmetszetén 1 másodperc alatt 1 coulomb töltés áramlik át. I = dq dt

4 Áramköri elemek Áramforrás: a tartós töltésáramláshoz áramkörre van szükség. Áramforrás lehet: galvánelem: kémiai energia alakul át elektromos energiává fényelem (napelem) termoelem generátor

5 További áramköri elemek Vezetékek, ellenállások, fogyasztók, kapcsolók, mérőműszerek, kondenzátorok stb.

6 Az elektromos áram hatásai Hőhatás, vagy fényhatás Kémiai hatás Mágneses hatás Élettani hatás

7 Ohm törvény A vezetőn átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a vezetőn eső feszültséggel. R = U I

8 Ellenállás A feszültség és az áramerősség hányadosát, amely az Ohm törvény értelmében állandó érték, ellenállásnak nevezzük. Az ellenállás mértékegysége az ohm [ R] = Ω

9 Ellenállás Az ellenállás egyenesen arányos a vezető hosszával. Fordítottan arányos a vezető keresztmetszetével. Függ a vezető anyagi minőségétől, a vezető anyagi minőségére jellemző állandó neve: fajlagos ellenállás R = ρ l A

10 Az ellenállás hőmérsékletfüggése A hőmérsékletváltozással járó ellenállás változás egyenesen arányos a kezdeti ellenállással, a hőmérséklet változással, és függ az anyagi minőségtől. ΔR = α R0 ΔT

11 Az elektromos áram munkája W = U Q = U I t Az elektromos áram teljesítménye: Mértékegysége: watt kwh= 1000W 3600s=3, J P = W t = U I

12 Fogyasztók kapcsolása Fogyasztók soros kapcsolása: A fogyasztókon átfolyó áram erőssége egyenlő: I 1 = I 2 Az áramforrás feszültsége megegyezik a fogyasztók feszültségének az összegével: U = U i Az eredő ellenállást a részellenállások összege adja. R = e Ri

13 Fogyasztók párhuzamos kapcsolása A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók feszültsége U U U... 2 = megegyezik: n 1 = A főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágak áramerősségeinek az összegével: I = Ik Az eredő ellenállás reciproka egyenlő a részellenállások reciprokainak az összegével: 1 1 = R e R k

14 Ohm törvény teljes áramkörre Az áramforrásnak is mindig van belső ellenállása. Ezt figyelembe véve az Ohm törvény úgy írható: Az áramkörben az áramerősség a külső ellenállás növelésével csökken. Az áramforrás maximális áramát akkor kapjuk, ha nincs külső ellenállás, azaz az áramforrás kapcsait rövidre zárjuk. (rövidzár, zárlat) Ekkor az áramkör túlmelegedhet. U 0 I = R k + R b

15 Az áramvezetés típusai Elektromos áram fémekben Értelmezés: elektrongáz-modell segítségével: A fémrács helyhez kötött ionjai között az elektronok rendezetlenül mozognak, elmozdulhatnak. A modellel megmagyarázhatjuk az áram hőhatását.

16 Elektromos áram folyadékokban Az elektrolitok vezetik az elektromos áramot. Elektrolitoknak a bázisok, savak, sók vizes oldatait nevezzük. Az elektrolitokban pozitív és negatív ionokat találunk. A negatív töltésű ion neve: anion A pozitív töltésű ion neve: kation

17 Elektrolízis Az anionok az áramforrás pozitív pólusán, a pozitív elektródán az anódon válnak ki. A kationok az áramforrás negatív pólusán a negatív elektródán katódon válnak ki. Az elektródákon történő anyagkiválás az elektrolízis.

18 Faraday törvényei Faraday első törvénye: Az elektródokon kiváló anyag mennyisége arányos az átáramló töltésmennyiséggel. Faraday második törvénye: 1 mólnyi 1 vegyértékű anyag kiválasztásához C töltésmennyiség szükséges. Az elektrolízis alkalmazása: fémbevonatok készítése: galvanizálás

19 Érintkezési elektromosság Két különböző fajta anyag érintkezésekor az egyik anyag pozitív, a másik anyag negatív töltéshez jut a határfelület mentén. Elektromos kettősréteg jön létre. Szigetelők érintkezése: Coehn-féle szabály: A nagyobb dielektromos állandójú anyag lesz pozitív töltésű A dörzsölési elektromosság esetében tehát a dörzsölésnek másodlagos szerepa van, ez csak az érintkezést segíti elő.

20 Lenard-effektus Vízesési elektromosság: A vízesések közelében a levegőnek negatív töltése van, mert a vízcseppecskék felszíne a molekuláris erők következtében olyan elektromos kettősréteg, amelynek külső része negatív töltésű.

21 Fémek érintkezése Volta: különböző fémek érintkezésekor is elektromos kettősréteg alakul ki. Volta-féle feszültségi sor: Alumínium-cink-ólom-ón-antimon-bizmut-vas-rézezüst-arany-platina-szén-barnakő Volta törvénye: a sor két tagja közti Volta-feszültség független attól, hogy a két tag közvetlenül, vagy akárhány más tag közbeiktatásával erintkezik egymással, feltéve, hogy az érintkezési hely azonos hőmérsékletű.

22 Elsőfajú és másodfajú vezetők A Volta törvénynek eleget tevő vezetőket elsőfajú vezetőknek nevezzük. Savak, bázisok, sók vizes oldatai nem követik a Volta törvényt, ezeket másodfajú vezetőknek nevezzük.

23 Galvánelemek Az olyan berendezést, amely legalább három vezetőből áll, és ezek közül legalább egy másodfajú vezető, galvánelemnek nevezzük. A galvánelem általában két különböző fém, és egyféle vagy kétféle elektrolitból áll.

24 Akkumulátorok Az akkumulátorok olyan kémiai áramforrások, amelyekben az áram termelésekor átalakult anyagok ellentétes irányú áram átbocsátásával regenerálhatók. Ólom vagy savas akkumulátor: hígított kénsavba két ólomlemezt teszünk.

25 Elektromos áram gázokban A levegő szigetelő, de tartalmazhat ionokat, amelyek a kozmikus sugárzás, radioaktív sugárzás, vagy a Napsugárzás révén kerül a levegőbe. Ennek következtében a levegő is kismértékben vezeti az áramot. A gázok áramvezetése akkor lesz jelentős, ha ütközési ionizáció jön létre.

26 Ütközési ionizáció Az elektromos mezőben felgyorsuló elektronok ütköznek a gázmolekulákkal, és azokat pozitív töltésű ionokká, és negatív töltésű elektronokká bontják, azaz ion-elektron párokat keltenek. A keletkező ion-elektron párok az elektromos mezőben ugyancsak felgyorsulnak, és láncreakció szerűen újabb ion-elektron párokat hoznak létre. A folyamat feltétele, kellően nagy feszültség. A különböző színű fényjelenségek esetén a fény színe attól függ, hogy milyen gázban zajlik le a fenti folyamat.

27 Elektromos áram vákuumban Légüres térben akkor folyhat áram, ha a katódot elektron-kényszerítjük. Ezt a folyamatot termikus emisszióval érhetjük el ( Edison hatás ) A katód és az anód közötti nagy feszültségkülönbség hatására az elektronok felgyorsulnak. A felgyorsuló elektronok megfelelően felületkezelt rétegbe ütközve azt fénykibocsátásra kényszeríti. Alkalmazás: televíziók képcsöve

28 Elektromos áram félvezetőkben A félvezetők elektromos tulajdonságaik alapján a fémek és a szigetelők közé sorolhatóak. Félvezető modell a szilicium kristály segítségével: A szilicium (Si) négy vegyértékű elem. A négy vegyértékelektron másik négy elektronnal közösen alakítja ki a nemesgáz konfigurációt. Az Si ebben az állapotban szigetelőként viselkedik.

29 Félvezetők sajátvezetése Az így létrejövő kristályban a vegyértékelektronok kötése gyenge, elektromos térben az elektronok könnyen elmozdulnak, helyükön lyukakat hagyva. A negatív elektronok a pozitív pólus felé mozognak, mindig átlépve a keletkező lyukakba, a pozitív töltésűnek tekinthető lyukak pedig a negatív pólus felé vándorolnak.

30 Szennyezett félvezetők A kristály áramvezető képessége növelhető szennyező atomok bejuttatásával. Negatív típusú félvezetők: a szennyező atomok öt vegyértékűek, például foszfor, így egy elektron felesleges. Pozitív típusú félvezetők: a szennyező atom három vegyértékű, így egy lyuk keletkezik.