A semleges testeket a + és a állapotú anyagok is vonzzák. Elnevezés: töltés: a negatív állapotú test negatív töltéssel, a pozitív állapotú test

Átírás

1 Elektromosság Elektromos alapjelenségek Egymással szorosan érintkező ( pl. megdörzsölt) felületű anyagok a szétválás után elektromos állapotba kerülnek. Azonos elektromos állapotú anyagok taszítják egymást, különbözőek vonzzák egymást. Két fajta elektromos állapot hozható létre: elnevezésük: pozitív (+) és negatív ( ) Az azonosak (+ + vagy ) taszítják egymást, a különbözőek (+ ) vonzzák egymást.

2 A semleges testeket a + és a állapotú anyagok is vonzzák. Elnevezés: töltés: a negatív állapotú test negatív töltéssel, a pozitív állapotú test pozitív töltéssel rendelkezik. A vonzás, taszítás jelenségek magyarázata: A testek, tárgyak atomjai, molekulái + protonokat és elektronokat tartalmaznak. Ha nincsenek elektromos állapotban, akkor ezek száma azonos, kiegyenlítik egymást, a tárgy semleges. A tárgyak szoros érintkezésekor a negatív elektronok képesek leválni az atomról és átmenni az egyik tárgyról a másik tárgyra. Ekkor az egyiken elektron hiány, a másikon elektron többlet alakul ki. Egy töltött test közelében a semleges testben a töltések megoszlanak. Mivel a vonzás akkor nagyobb, ha a töltések közelebb vannak, a külső töltés nagyobb erővel vonzza a semleges testben közelebb levő ellenkező töltéseket, mint ahogy taszítja a távolabbi azonosakat, ezért az egész semleges testet vonzza.

3 A töltés jele: Q, mértékegysége: C (Coulomb) A legkisebb töltés (elemi töltés): 1 elektron töltése: - 1, C (azért -, mert negatív) 1 proton töltése: 1, C Elektromos állapot mérésére szolgáló eszköz: elektroszkóp Az elektroszkóp mutatója kitér, mivel azonos töltésű lesz a tartó rúddal, ezért taszítják egymást. Minél nagyobb a kitérése, annál nagyobb töltéssel lett feltöltve. Vezető anyag: amelyben a töltések könnyen tudnak mozogni. Elektromos állapotú tárggyal érintkezve az elektromos állapotot könnyen átveszik. Pl. fémek, oldatok, víz, emberi test Szigetelő anyagok: amelyben a töltések nem, vagy csak nehezen tudnak kimozdulni a helyükből, ezért a külső elektromos állapotú testtel érintkezve az elektromos állapotot nem veszik át. Pl. gumi, műanyag, porcelán, üveg, desztillált víz, száraz fa Földelés: Ha egy tárgyat vezető anyaggal összekötünk a Földdel, akkor a tárgyra kerülő töltések levezetődnek a tárgyról a Földbe, és a tárgy semleges lesz. Pl. háztartási eszközök földelt vezetéke

4 Példák az elektrosztatikus vonzás, taszítás alkalmazására: Lézernyomtató, fénymásoló: A forgó hengeren olyan bevonat van, ami a lézerfény hatására elektromosan feltöltött lesz. Erre rávetítik a szöveget. Ez a réteg magához vonzza az ellenkező töltéssel feltöltött festékszemeket. A henger tovább forog a papírhoz, ahol egy újabb elektromos vonzóhatás áthúzza a festékszemeket a papírra. Elektrosztatikus légszűrő, füstszűrő: A semleges füstszemeket két ellentétesen feltöltött lemez magához vonzza, és azon a füst kirakódik. Elsősorban ipari üzemekben, kéményekben alkalmazzák, így a füst nagy része megköthető, és nem jut ki a környezetbe. A villám, és a szikra keletkezése: Két ellentétesen feltöltött tárgy között a nagy térerősség hatására a levegő semleges részecskéiből ionpárok, ionok lesznek, amelyek a két tárgy felé indulnak a vonzás hatására. Közben ütköznek más levegő részecskékkel, azt ionizálják, így azok is áramlanak a másik tárgy felé, így töltések gyors áramlása, töltéslavina alakul ki a két tárgy között. Ez a szikra. Ha a felhőkben levő vízrészecskék a súrlódás hatására feltöltődnek, akkor ez a töltéslavina a felhők között, vagy a felhők és a Föld között jön létre, ez a villám.

5 Coulomb törvény Két töltés közötti vonzó vagy taszító erő akkor nagyobb, ha a két töltés nagyobb, vagy távolságuk kisebb. Vagyis az erő egyenesen arányos a töltések nagyságával, és fordítottan arányos a távolságuk négyzetével. Képletben: Q 1 és Q 2 a két töltés, r a távolságuk, k egy arányossági tényező: N m 2 /C 2 Ha egy töltésre több töltés is hat, akkor a rá ható elektromos erőket irányuk szerint összegezni kell. (Pl. azonos irányúakat összeadni, ellentétesek kivonni.) Elektromos térerősség Bármely elektromos test körül elektromos mező, tér alakul ki. Ha ebbe a mezőbe egy kis pontszerű töltést rakunk, akkor arra erő hat. Az elektromos térerősség megadja a mező egy pontjába helyezett 1 C nagyságú töltésre ható erő nagyságát. Jellemzi az elektromos mező erősségét egy-egy pontban. Képletben: E = F/Q, ahol az F a Q töltésre ható erő. Az elektromos térerősség jele: E, mértékegysége N/C

6 Elektromos feszültség, elektromos munka Az elektromos térben levő töltésre erő hat, emiatt elmozdul az A pontból a B pontba, az elektromos tér munkát végez (munka=erő út). A munkavégzés egyenesen arányos a töltés nagyságával. Az 1 C töltés A pontból B pontba történő mozgatásához szükséges munka az elektromos tér e két pontjára jellemző érték: az A és B pont közti feszültség. Jele: U, mértékegysége V (volt) Töltések elhelyezkedése vezető anyagban A vezetőre vitt többlettöltés mindig a vezető felületére csoportosul a taszítás miatt. Így a vezető belsejében a térerősség nulla, belül nincs elektromos tér. Elektromos árnyékolás Mivel a vezető belsejében nincs elektromos tér, ha egy vezető anyag vesz körül egy térrészt, akkor abban a térrészben nincs elektromos tér akkor sem, ha a vezető burok feltöltődik (elnevezése: Faraday kalitka). A vezető anyagú burok leárnyékolja a külső elektromos teret. Ezt hívják elektromos árnyékolásnak.

7 Az elektromos árnyékolás felhasználásai: Fém autóban, repülőben utazókat nem éri a villámcsapás, fémburok árnyékolás védi a külső elektromos zajoktól a híradástechnikai vezetékeket (pl. antennakábel, hangszerek, erősítők vezetékei), szabadban álló gáztartályokat fémkerettel védik,.. Csúcshatás A vezető anyag felületén elhelyezkedő töltések sűrűbben helyezkednek el ott, ahol a tárgy keskenyebb, csúcsos kialakítású. Ezért ott a töltések jobban vonzzák a levegőben levő ionokat és a semleges részecskéket. Tehát a csúcs odavonzza a környezetében levő részecskéket, ezért azok nem máshova mennek, hanem a csúcsba. Példa a csúcshatás felhasználására: Villámhárító: A csúcsos vezeték magához vonzza a levegőben levő részecskéket és levezeti az elektromos felhőből jövő töltéseket a Földbe.

8 Kondenzátor Két egymással szemben álló vezető anyagú lemezt feltöltünk + és töltéssel. A két lemez között feszültség (U) jön létre, ami annál nagyobb, minél nagyobb töltéssel (Q) töltjük fel a lemezeket. A létrejövő feszültség és a töltés egymással egyenesen arányos. A töltés és a feszültség hányadosa az adott kondenzátorra jellemző állandó: A kondenzátor kapacitása Jele: C, mértékegysége F (Farad) Képlete: A kondenzátor kapacitása függ a lemezek nagyságától (A), és távolságától (d), és a köztük levő anyagtól. Kondenzátorokat használnak az elektronikai áramkörökben feszültség tárolásra, feszültség szabályozásra. Készítik különböző méretekben, alakokban.

9 Egyéb példák a kondenzátor felhasználására: A kondenzátor arra is használható, hogy feltöltve képes tárolni a töltését, feszültségét, majd egy alkalmas pillanatban ezt a töltést leadja és így rövid ideig tartó nagy áramot (töltésmozgást) tud előidézni. Vaku: A kondenzátort az akkumulátor feltölti töltéssel, majd hirtelen kisül, hirtelen leadja töltését egy erős fényű lámpának, ami felvillan. Defibrillátor: Hasonlóan a vakuhoz, az akkumulátor feltölti a kondenzátort, majd az hirtelen leadja töltését, és rövid ideig tartó áramot (kis áramütést) hoz létre.

10 Elektromos áram, egyenáram Áram Az elektromos töltések egyirányú, rendezett mozgását, áramlását, elektromos áramnak nevezzük. (A fémekben az elektronok áramlanak, folyadékokban, oldatokban az oldott ionok, gázokban ionok.) Áramerősség: 1 másodperc alatt átáramlott töltésmennyiség Az áramerősség jele: I (current Intensity) mértékegysége: A (Amper), ma (milliamper) Nagyobb az áram erőssége, ha ugyanannyi idő alatt több töltés áramlik, vagy ugyanannyi töltés kevesebb idő alatt áramlik. Képletben: (Q: töltés, t: idő) Áramkör Ha az áramot fel akarjuk használni, akkor áramkört kell létrehozni, amelyben folyamatosan folyik az áram.

11 Az áramkör fő részei: Fogyasztó: Olyan eszköz, ami az áram hatására energiát ad át a környezetének, olyan jelenséget mutat, amit felhasználhatunk. (pl. melegít, világít, forog, hangot ad, stb...) Fogyasztó pl.: lámpa, vasaló, villanymotoros készülékek (fűnyíró, turmixgép,..), elektromos főzőlap, porszívó, TV, számítógép, mobiltelefon, mosógép, csengő, hangszóró, stb... Áramforrás, vagy más néven feszültség-forrás: Biztosítja a töltések folyamatos áramlását. Meghatározott feszültséget (U) biztosít az áramkör részére, folyamatosan. Pl. elem, akkumulátor, generátor, hálózati feszültség Vezetékek: Ezek kötik össze az áramkör többi elemét, elektronok áramlanak a vezetékekben. A vezeték rézből, vagy valamilyen más fémből készül, külső szigetelő (műanyag) burokkal. Kapcsoló: Megszakítja, vagy összeköti az áramkört. Áramköri jelek:

12 Az áramkörben folyó áramot ampermérővel, más néven árammérővel mérhetjük. Az ampermérőt az áramkörbe a fogyasztóval sorosan kell bekötni. Az áramkörben levő áramforrás (vagy feszültségforrás) feszültségét, és a fogyasztókra jutó feszültséget voltmérővel, más néven feszültségmérővel mérhetjük. A voltmérőt a mérendő két pontra, pl. a fogyasztó két végére, a fogyasztóval párhuzamosan kell bekötni. (Az ábrán az A az ampermérő, a V a voltmérő.) Minél nagyobb feszültséget kapcsolunk egy fogyasztóra, annál nagyobb áram jön rajta létre. A létrejövő áram (I) egyenesen arányos a fogyasztóra kapcsolt feszültséggel (U). A kettő hányadosa a fogyasztóra jellemző adat, a fogyasztó ellenállása (R) (resistence). Ez Ohm törvénye. Képletben: Az ellenállás mértékegysége: Ώ (Ohm)

13 Vezető anyag ellenállása annál nagyobb, minél jobban akadályozzák az anyag részecskéi az elektronok áramlását. A vezető anyag ellenállása ezért: - a hosszával ( l ) egyenesen arányos - minél hosszabb, annál nagyobb az ellenállása. - a keresztmetszetével (A) fordítottan arányos minél nagyobb a keresztmetszet, tehát vastagabb, annál kisebb az ellenállása. - függ a vezető anyagától. Az ellenállás jele az áramkörben: Változtatható ellenállás (potenciometer): Bekötve az áramkörbe az ellenállásának a változtatásával lehet változtatni az áramkörben folyó áramot. Felhasználása: hangerő szabályozó, fényerő szabályozó, hőfok szabályozó,... A változtatható ellenállás jele az áramkörben:

14 Soros és párhuzamos kapcsolás Fogyasztók, ellenállások soros kapcsolása Ha az ellenállásokat sorba kapcsoljuk, a rajtuk átfolyó áram erőssége azonos lesz, a rájuk kapcsolt feszültség megoszlik. Az ellenállások helyettesíthetőek egy olyan ellenállással (eredő ellenállás), amelynek értéke a sorba kapcsolt ellenállások összege. R e = R 1 + R 2 Fogyasztók, ellenállások párhuzamos kapcsolása Ha az ellenállásokat párhuzamosan kapcsoljuk, akkor a rájuk kapcsolt feszültség azonos lesz. Az áram megoszlik közöttük úgy, hogy a csomópontban szétoszló áramok összege azonos lesz a főágban folyó árammal (I = I 1 + I 2 ). Az eredő ellenállás értéke kisebb lesz mindkét ellenállás értékénél.

15 Áram munkája Az elektromos tér munkavégzéssel növeli a fogyasztó energiáját (energiaváltozás), amit az átad a környezetének, így tudjuk felhasználni az elektromos energiát. A munkavégzés egyenesen arányos a fogyasztóra kapcsolt feszültséggel (U), a fogyasztón folyó árammal (I) és a működés idejével (t). W = U I t A munka jele: W mértékegysége: J (Joule) A fogyasztó teljesítménye Annak a fogyasztónak nagyobb a teljesítménye, amelyen ugyanaz az energiaváltozás (elektromos munka) kisebb idő alatt jön létre, vagy ugyanannyi idő alatt nagyobb munka, energiaváltozás jön létre. Mivel a fogyasztó az energiáját átadja a környezetének, ez azt jelenti, hogy ugyanazt az energiát rövidebb idő alatt adja át, vagy ugyanannyi idő alatt nagyobb energiát ad le a környezetének. Jele: P mértékegysége: Joule/sec = W (Watt), kw (kilowatt) A teljesítmény =

16 Mivel a teljesítmény mértékegysége Joule/sec = Watt, az energia, munka mértékegysége a Joule = Watt sec A háztartási és ipari eszközök nem néhány másodpercig, hanem órákig működnek, ezért az energia felhasználás idejét nem másodpercben, hanem órában mérik. Így az elektromos energia felhasználás másik mértékegysége a Watt-óra, jele: Wh Ennek ezerszerese a kilowatt-óra: kwh Ebben a mértékegységben mérik a háztartásokban használt fogyasztók elektromos energia felhasználását. (Ezt méri a villanyóra, ez alapján kell fizetni.) Hatásfok A fogyasztók energia-átadásának, energia-változásának egy része hasznos energia, egy másik része nem hasznos energia, hanem veszteség. A hatásfok megadja, hogy az összes energia hányad része, hány százaléka hasznos. hasznos energiaváltozás ΔE hasznos Hatásfok = = összes energiaváltozás ΔE összes

17 Pl.: izzólámpa világít (hasznos), és melegít (veszteség) Energiatakarékos izzó hatásfoka 80 %, hagyományos izzó hatásfoka 5-20 %, tehát ugyanakkora fényerőhöz sokkal kisebb energia-fogyasztású, kisebb teljesítményű energia takarékos izzó elegendő. Másik példa: forraló melegíti a vizet (hasznos), de melegíti magát a forralót és a környezetét is (haszontalan veszteség) Háztartási gépek, szórakoztató elektronikai készülékek energiaosztályozása hatásfokuk szerint: A +++, A ++, A +, A, B, C, D (legnagyobb hatásfokú az A +++ ) Amelyik készüléknek nagyobb a hatásfoka, az kevesebb energiafogyasztással képes a feladatát elvégezni. Energiatakarékosabbak. (Ezek a készülékek drágábbak, de mivel kevesebb az energiafogyasztásuk, ezért hosszabb távon (1-2 év) megtérül az áruk.)

18 Az áram hatásai Hőhatás Az áramló részecskék beleütköznek a többi részecskébe, ezért azok gyorsabb rezgőmozgást végeznek, az anyag felmelegszik. A világító fogyasztók is általában az áram hőhatása miatt világítanak, pl. az izzólámpa az izzószál világít (és melegszik). Példák az áram hőhatásának felhasználására: hősugárzó, izzólámpa, melegítő háztartási eszközök (vasaló, mosógép, hajszárító, stb...) Mágneses hatás Az áramot vezető tekercs körül mágneses tér alakul ki, a tekercs úgy viselkedik, mint egy mágnes. Példák az áram mágneses hatásának felhasználására: Raktárakban mágneses emelő (vasból készült tárgyakat felemel (pl. roncsautó, konténer)), elektromágneses motor Kémiai hatás Ha egy folyadékban vannak szabadon mozgó ionok, akkor a folyadékba vezetett áramot a folyadék (oldat) vezeti.

19 A szabadon mozgó ionokkal rendelkező folyadékot elektrolitnak nevezzük. A folyadékba tett két db fém vagy szén rudat elektródának nevezzük. A + elektróda az anód, a elektróda a katód. A + ionok a katód felé, a ionok az anód felé áramlanak, így jön létre az elektrolitban az áram. A katódhoz és anódhoz érkező ionok elektront vesznek fel vagy adnak le, semlegessé válnak és kiválnak az oldatból. Élettani hatás Mivel az élő szervezetek vizet tartalmaznak és abban ionokat, így elektrolitnak tekinthetők, ezért vezetik az áramot. Az áram nagysága függ a szervezetet érő feszültségtől és a szervezet elektromos ellenállásától. Az áram izom-összehúzódást, égési sérülést, vérrögképződést, sejtnedvek összetételének megváltozását okozza. Ezért az áramütést el kell kerülni, mert halálos is lehet.