ELEKTROMOSSÁGTAN : elektromos állapot elektromos töltés 2 üveg v. 2 ebonit (egyforma töltés) taszítja egymást de ebonit és üveg vonzza egymást

Átírás

1 ELEKTROMOSSÁGTAN : elektrosztatika Thales, i.e. 600 : gyapjúval megdörzsölt borostyán apró testeket vonz magához ma : műanyag vonalzót száraz hajhoz dörzsölni, ebonitrudat szőrmével, üvegrudat bőrrel, megdörzsölni, papírdarabokat, stb vonz (majd érintkezés után eltaszít) elektromos állapot elektromos töltés 2 üveg v. 2 ebonit (egyforma töltés) taszítja egymást de ebonit és üveg vonzza egymást

2 2 féle töltés : Q egyforma töltések taszítják azonosak vonzzák egymást üveg bőr szőrme ebonit vonzzák egymást, egyforma nagyságú töltés halmozódik fel rajtuk töltés-szétválasztás vezetők szigetelők : fémet nem lehet dörzsöléssel elektromossá tenni, csak ha szigetelő nyélen van

3 szigetelő nyélen fém egy pontjához érintve töltött testet, az egész fém töltött lesz! elektromos megosztás: töltés-szétválasztás : Coulomb-törvénye: elektromos tér: F r E = Q [ N ] [ V ] C m 1 r Q 2 2 r F F Q 1 r r = Q E Q 2 2 r 0

4 szemléltetése erővonalakkal : ponttöltés :

5 homogén tér centrális tér töltésközéppont (elektromos súlypont) :

6 dipólus tere : dipól elektr. térben : töltetlen vezető elektr. térben :

7 az elektromos tér munkája, elektr. potenciál, feszültség : U munka W AB = J, 1 = V Q C AB 1 Az elektromos tér munkája nem függ a munkavégzés útjától, csak a kezdeti és végállapottól. KONZERVATÍV ERŐTÉR nullpont választható. tetszőleges Elektromos potenciál (U p ) U p = W Q po U AB = U AO U BO Elektromos potenciális energia: E pot = Q U p

8 Ekvipotenciális felület : az azonos potenciálú pontok összessége a térben A térerősség merőleges az ekvipotenciális felületekre és a csökkenő potenciál irányába mutat. villámcsapás villámhárító

9 töltés elhelyezkedése a vezetőn : a vezető külső felületén helyezkedik el: Kísérlet : Faraday-kalitka autóban ülve nem veszélyes a villámcsapás elektromos árnyékolás

10 a töltéseloszl. a vezető felületén ált. NEM egyenletes : függ a görbülettől : Kísérlet : csúcshatás : gyertyát elfújja (= elektromos szél), elektr. Segner-kerék, csúcs (A) közelében másik test (B) feltöltődik, csúcsok szívóhatása elektrosztatikai gépek villámhárító

11

12

13

14 kapacitás, kondenzátorok : Q ~ U kucu-törvény Q = C. U kapacitás [F] : a kond. geometriájától függ, pl. síkkond. esetén f és d, valamint a fegyverzetek közötti anyagtól (vákuum v. dielektrikum) µf=10-6 F, nf=10-9 F, pf=10-12 F. ld. később villanymotor, fénycső, elektronika,

15

16 Leideni palackok

17

18 multiréteg kerámia multiréteg kerámia polystyrene metalized aluminum kerámia korong poliészter film, cső poliészter film elektrolit 12 pf, 20 kv

19 ultranagy kapacitások:

20 kond.-k összekapcsolása : kond. energiája : Kísérlet : 1 C = 1 C + 1 C Cn C = C C Cn E kond = 1 2 C U 2 a golyó pattog (=mozog) munkavégzés

21 elektrosztatikai gépek : dörzselektromos gép (Guericke, 1672) elektrofor (Volta) : influenciagép : fém ebonit: szőrmével lemez dörzsölni U 100ezer V

22

23 Van de Graaf generátor: U > 1millió V!!!

24 el.sztat. tér szigetelőkben (dielektrikumban) : a szigetelő betolásával U csökken C növekszik, kihúzva fordítva dielektromos állandó : ε = C C 0 az elektr. tér behatol a szigetelőbe is, csak benne más lesz az erővonal-sűrűség :

25 piezoelektromosság : alkalmazások: mérlegek, STM, AFM, injektor szelepek,

26 érintkezési elektromosság : 2 kül. anyag érintkezése rajtuk kül. töltések (pl. ebonit+szőrme) 1V potenciálkül. fémek érintkezése Volta : V (az erővonalak széthúzása miatt) széthúzás után : a Zn + lesz, a Cu - (a Zn-ről e - -k mennek Cu-re) itt is 1V V lesz

27 az 1 és 2 fémek a levegővel is érintkeznek (f, f 1, f 2 felületek) 3 érintkezési feszültség: U 01, U 12, U 20 U G,12 = U 12 U V,12 = U 01 + U 12 + U 20 fémek anyagi minőségétől, hőm.-től és a szigetelők anyagától is függ fém folyadék érintkezése: galvánelem

28 fém folyadék érintkezése: galvánelem nyitott pólusok zárt áramkör e.m.e. 1-2 V kapocsfeszültség tetsz. nagy e.m.e. kapható

29 az elektrosztatikai- és a magnetosztatikai tér : Statikus tér: a térre jellemző fizikai mennyiségek időben állandóak. Homogén tér: a térre jellemző fizikai mennyiségek a helytől sem függenek. elektrosztat. és magnetosztat. analóg Elektrosztatika Elektromos töltés: Q Magnetosztatika Póluserősség: p pozitív negatív elektron hiány többlet Permanens mágnes északi pólusok déli

30 elektron hiány többlet Semleges test a pozitív és negatív töltések algebrai összege zérus északi pólusok déli

31

32 Polarizáció: P Mágnesezettség: M Dipólmomentum: m Elektrosztatika Elektromos dipólus: m=q l Magnetosztatika Permanens mágnes: m=p l Az elektromos dipólust alkotó töltések fizikailag különválaszthatók. A permanens mágnes pólusai egymástól nem választathatók el.

33 Dipólmomentum: m Magnetosztatika I erősségű árammal átjárt A irányított felületű hurok m=µµ o NIA

34 Erőhatások Elektrosztatika Elektromos töltések között fellépő erő Magnetosztatika Mágneses pólusok között fellépő erő vonzó taszító vonzó taszító A semleges testeket a töltéssel rendelkező testek vagy vonzzák vagy taszítják. A testek mágneses térben anyagi minőségüktől függően különböző képpen viselkednek.

35 Elektrosztatika Pontszerű elektromos töltések között fellépő erő Erőhatások Coulomb törvény Magnetosztatika Mágneses pólusok között fellépő erő v F = k Q Q 1 2 r 2 r r v F = C p 1 p 2 r 2 v r r

36 Elektrosztatikai tér Magnetosztatikai tér létrehozzása Nyugvó elektromos töltés Nyugvó permanens mágnes, ill. stacionárius áram szemléltetése erővonalakkal indukcióvonalakkal jellemzése E térerősségvektorral H térerősségvektorral (D megosztási vektorral) (B indukció vektorral)

37 Elektrosztatikai tér Elektromos térerősségvonalak Érintőik a térerősségvektorok Magnetosztatikai tér Mágneses térerősségvonalak és indukcióvonalak Érintőik a térerősségvektorok vagy indukcióvektorok. H 1 H 2 Az elektrosztatikus tér forrásos, örvénymentes A permanens mágnes tere forrásos, örvénymentes. A stacionárius áram mágneses tere örvényes, forrásmentes.

38 Elektrosztatikai tér Magnetosztatikai tér Elektromos térerősség (E) Az elektromos tér egy adott pontját jellemző vektormennyiség v v F E =, 1 Q N C Mágneses térerősség (H) A mágneses tér egy adott pontját jellemző vektormennyiség v v F H =, p 1 N Wb newton weber Megosztási vektor (D) v D = εε o v, As E 1, 2 m Indukcióvektor (B) v v Vs B = µµ o H, 1 = 1T( Tesla ) 2 m ε o a vákuum, ε a szigetelő (anyagi minőségére jellemző) dielektromos állandója µ o a vákuum, µ a közeg (anyagi minőségére jellemző) mágneses permeabilitása.

39 Magnetosztatikai tér térerősség indukció H hosszú egyenes áramjárta vezető terében = I, ill. 2rπ I B = µµ o 2rπ szoleonid belsejében H = NI I,ill. B = µµ o NI I

40 Elektromos megosztás Vezetők Elektronok elmozdulása Megosztás (polarizáció) Mágneses megosztás Ferromágneses Fe, Ni, Co, bizonyos ötvözetek Szigetelők deformáció (Bohr-modell) Paramágneses Bizmut, higany, réz, víz, etilalkohol, nitrogén, hidrogén Diamágneses palládium, króm, platina, alumínium, oxigén, levegő

41 doménszerkezet :

42 AZ ELEKTROMOS ÁRAM ÉS A MÁGNESES TÉR

43 Elektromos töltéssel rendelkező részecskék mozgása : Az elektromos áram Konduktív Konvektív Vezetőkben elektromos tér hatására Feltétel: feszültség Szállítási mechanikai úton mozgatjuk Áramlási ionok mozgása gázokban Feltétel: feszültség

44 az elektromos áram jellemzése : Elektromos áramerősség: I I Q ; t 1A C = 1 s skalár mennyiség, de van iránya: a pozitív töltések haladási iránya az áram hatásai: =

45 áramsűrűség : Elektromos áram állandó egyenáram stacionárius Nagysága (változó) változó Nagysága és iránya (váltakozó) szinuszos váltakozó áram nem szinuszos váltakozó áram

46 egyenáram szinuszos váltakozó áram I I I o t T t Q I = = t áll. I = I o sin 2πνt a váltakozó áram effektív értéke: I eff = I o 2

47 Elektromos áramkörök törvényei fogyasztó(k) R k vezetékek A V U k kapocsfeszültség üresjárási feszültség U o áramforrás R b belső ellenállás

48 fogyasztó (ellenállás) R egyenáramú áramforrás váltakozó áramú + - ~ + - üresjárási feszültség U 0 > U k kapocsfeszültség

49 Ohm törvénye vezető szakaszra : I R V Ha T állandó : R t U R U A R I [ 1+ α(t t )] α: hőmérsékleti tényező Kísérlet : üveg vezetése o U Feltétel: T = áll. = R I 1Ω = 1 V A Homogén vezetőszakasz ellenállása: l l : hossz = ρ A A : keresztmetszet ρ : fajlagos ellenállás o

50 Ohm törvénye teljes áramkörre : A V R k U k I = R k U + o R b R b kicsi Ne zárd rövidre az áramforrást! R b v = állandó, de kicsi! de bekapcsoláskor mégis azonnal felgyullad a villany???

51 Kirchhoff törvényei : I. Csomóponti törvény II. Huroktörvény R 1 U 0,1 I 3 I 1 R 2 I I 4 2 R 3 U 0 2 I 1 + I 2 = I 3 + I 4 IR 1 + IR 2 + IR 3 -U 0,1 + U 0,2 = 0 ellenállások soros- és párhuzamos kapcsolása

52 Ellenállások kapcsolása : Soros kapcsolás Párhuzamos kapcsolás R 1 R 2 R n R + = R 1 + R R n R 1 R 2 R n 1 R = 1 R + 1 R R 1 2 n áram- és feszültségmérők : pl nagy áram mérése : sönt : nagy feszültség mérése: előtét ellenállás

53

54 Az elektromos áram hőhatása (Joule-hő), munka, teljesítmény : Az elektromos árammal átjárt vezető felmelegszik. Nagy fajlagos ellenállás Elektromos melegítő berendezések : rezsó, kályha, hősugárzó, merülőforraló, vasaló, forrasztópáka túláram ellen védő biztosítékok : olvadó, bimetálos automata izzólámpa (Edison, Bródi Imre) Joule törvénye : Az elektromos tér munkát végez W = U I t [ 1 J = 1VAs ] Hőmennyiség fejlődik (+ egyéb, pl. fény)

55 Teljesítmény : P = U I [ 1 W = 1VA ] A fogyasztókon feltüntetik: névleges teljesítmény, megengedett áramerősség, ill. feszültség Az elektromos áram kémiai hatása : elektrolitok (sók, savak, bázisok) elektrolitos disszociáció elektródok pozitív és negatív ionok mozgása akkumulátorok : (Pb + H 2 SO 4 kisüléskor PbSO 4 )

56 Faraday első törvénye: m k Q, ill. m = k I t k: elektrokémiai egyenérték =, Faraday második törvénye : Egy mol egy vegyértékű anyag kiválásához C töltésre van szükség Az elektrolízis gyakorlati alkalmazása : Galvanizálás : korrózió vagy kopás elleni védelem, díszítés Galvanoplasztika : hanglemez fémnegatívja, varratmentes rézcsövek Elektrometallurgia : Fémek ipari méretekben való előállítása és tisztítása Nátronlúg, kálilúg, klór, hidrogén, oxigén előállítása

57 Az elektromos áram élettani hatása kémiai hatás hőhatás A testfolyadékokban elektrolízis játszódik le, ha a test két pontja között feszültség van. Biológiai elváltozások, Égés, A hatás függ az áram útjától az áram erősségétől frekvenciától a hatás időtartamától

58 4kΩ ellenállású emberi testen 15mA es áramerősség még nem okoz maradandó 42V os változásokat feszültség érintése nem veszélyes Elektromos berendezéseket érintésvédelmi célból földeléssel látnak el. + fi relé Az érintési feszültség kisebb legyen 65 V-nál, ill. a biztosíték azonnal oldjon ki. kettős szigetelés villanyt szerelni csak 1 kézzel (jobb kézzel) szabad!!! Fizikoterápia és kozmetika Bőrön át juttathatnak a testbe nyomelemeket, vitaminokat, gyógyszereket.

59 Az elektromos áram és a mágneses tér : a mozgó töltés mágneses teret kelt maga körül : a stacionárius áram maga körül statikus mágneses teret kelt

60 teheremelő mágnes, relé, elektromos csengő, Morse-távíró, fülhallgató, lágyvasas ampermérő stb. :

61 A mágneses tér hat a benne mozgó töltésekre Mágneses térben mozgó töltésre erő hat: Lorentz erő A sebesség és az indukció síkjára merőleges körpályára A töltés kényszerül csavarvonal-menti pályára alkalmazások : TV-készülék, oszcilloszkóp, elektronmikroszkóp tömegspektrográf Mágneses térben elhelyezett áramvezetőre erő hat.

62 ha az áramvezető zárt felületet ölel körül mágneses térben elfordulhat forgatónyomaték : M = N I A sin α Gyakorlati alkalmazások : Áramerősség, és feszültségmérő műszerek, wattmérő, villanyóra, magnetométer

63 forgótekercses műszer (Deprez) lágyvasas műszerek elektrodinamikus műszerek

64 AZ ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ : Tekercset és mágnes rudat állandó sebességgel egymáshoz közelítünk és távolítunk Váltakozó áramú generátor Az I. tekercs kapcsaihoz feszültségmérőt csatlakoztatunk, a II. tekercsben változtatjuk az áram erősségét Transzformátor

65 mágneses fluxus = adott felületnek, és a rajta átmenő mágneses indukcióvonalak számának szorzata : Φ = A B cos α da

66 mágneses fluxus = adott felületnek, és a rajta átmenő mágneses indukcióvonalak számának szorzata : Φ = A B cos α da változása előidézhető a B mágneses indukció vagy az A felület nagyságának, ill. kölcsönös helyzetüknek (α) a megváltoztatásával: Faraday féle indukciós törvény : U i = Φ t Lenz törvénye : Az indukált feszültség által létrehozott indukált áram olyan irányú, hogy mágneses tere akadályozza az őt létrehozó változást.

67 Váltakozó áramú generátor Transzformátor Indukálódott feszültség: sin ωt B indukciójú elektromágnes Ω szögsebességgel forog N menetszámú A keresztmetszetű tekercspár előtt U i = U o sin ωt U i = U o U o = NABω Primer tekercs Szekunder tekercs U p = U sz N N Bláthy-Déri-Zipernovszky 1885 p sz

68 egyfázisú generátor transzformátor áttétele Hatásfok 90 % fölött van teljesítmény : I U = p p I sz U sz U i = U o sin ωt egyeniránytás : kommutátorral (kollektor) : egyenáramú generátor

69 egyenáramú generátor : öngerjesztő generátor = dinamó, Jedlik Ányos, 1861 : a külső mágnes helyett elektromágnes, amit saját maga állít elő háromfázisú áramrendszerek : 3, egymással 120 o szöget bezáró tekercs erőművek háztartásban ebből csak 1 fázis van (fázis + nulla + védőföldelés)

70 villanymotorok : a generátor megfordítása egyenáramú váltóáramú motorok

71

72 elektromos energia szállítása: Nagy távolságra úgy szállíthatjuk gazdaságosan az elektromos energiát, hogy a generátornál nagyfeszültségre (750 kv, ) transzformáljuk, így az áram erőssége szállítás közben kicsi lesz és viszonylag kevés lesz a fejlődő Joule-hő (=veszteség). A felhasználás helyén aztán a kívánt feszültségre transzformáljuk (villanyoszlopok, transzformátorházak, olajhűtés)

73 transzformátor szikrainduktor : 100 kv 1m-es szikra!!!

74 Tesla-transzformátor:

75

76 a nagyfrekv. nem káros az egészségre

77 elektroakusztikai eszközök: mikrofonok, hangszórók

78 Váltakozó áramú ellenállások Egyenáramú áramkörben Az ohmos fogyasztó Váltakozó áramú áramkörben Az ohmos ellenálláson áthaladó áram, és a kapcsain mért feszültség azonos fázisban van. Végtelen nagy ellenállást képvisel A kondenzátor Annál kisebb ellenállást képvisel, minél nagyobb a frekvencia és a kapacitás: X c = C 1 A feszültség 90 o -ot késik az áramerősséghez képest. ω

79 A tekercs Ugyanakkora ellenállást képvisel, mint az ohmos ellenállás Annál nagyobb ellenállást képvisel, minél nagyobb a frekvencia, ill. a tekercs induktivitása. L = µµ o X L NN l = L ω A tekercs önindukciós együtthatója

80 az ohmos ellenállást, kondenzátort és tekercset tartalmazó váltakozó áramú soros RLC-körben tartósan áram folyik, az áram és a feszültség között φ fáziskülönbség van : U(t) I(t) = I o sin ωt = U sin t o ( ω + ϕ) U L U k U U C φ U R I t

81 párhuzamos RLC-kör elektromágneses rezgések : kondenzátor kisülése tekercsen át csillapodó elektromágn.rezgés

82 csillapodó elektromágn.rezgés: csatolt rezgőkörrel kényszerrezgést lehet csinálni : pl.: nem fog csillapodni!

83 rezgéseket szikrakisüléssel is lehet csinálni : szikraköz indukció a lámpa világít egyetlen menet is elég Tesla-transzformátor : A és B között nagy szikrák (több 100 kv) ha B-t földeljük A-ból több m-es szikrák indulnak

84 - neoncső világít a tekercs mellett - izzólámpa egyik drótját kézben tartva a másikat A- hoz érintve a lámpa világít fiziológiai hatás : nem káros az emberre szabad elektromágn. hullámok, dipólus sugárzása :

85 dipól antennák kísérletek el.mágn.hullámokkal (Hertz) : a térben energia terjed = = elektromágneses hullámok (hullámjelenségek: törés, visszaverődés, stb bemutathatók) hosszú hullámok, rövid hullámok terjedése rádió, adások vétele

86 rádió adó és vevő : csillapítatlan sin-rezgést kell kelteni (vivő frekv.) + moduláció :

87 mikrohullámok : hullámhossz < 30cm ( GHz frekv.) mikrohullámú sütő televízió

88 elektromos áram gázokban és vákuumban : nem önálló vezetés gázokban : több töltéshordozó (ionizáció miatt) nem önálló vezetés nagy vákuumban : fotoeffektus e - - k kellenek a vezetéshez

89 a K-ból kilépő e- egyenesen halad: kísérlet: Máltai kereszt de az e - - k pályája eltéríthető elektr. v. mágn. térrel : TV, monitor, oszcilloszkóp, elektronmikroszkóp

90 elektronmikroszkóp elektronoptika: mágneses lencsék önálló vezetés ritka gázokban : kísérlet : gázkisülési csövekkel

91 p 40 torr nyomás csökken a színek a csőben levő gáztól függnek

92 ködfénykisülés : gázmolekulák ionizáció önálló vezetés világít : gázmolek.-k legerjesztődés fény felhasználás : neoncsövek (nem csak Ne-gáz!) önálló vezetés közönséges nyomású gázokban : szikra villám koronakisülés : nagyfesz. távvezeték mellett

93 ívkisülés ívfény (lámpa), ívhegesztés Hg-gőz lámpa, vonalas színkép W-szálas izzó folytonos színkép anyag szerkezete atom- és magfizika

94

95 ATOM-és ATOMMAG- FIZIKA : Röntgensugárzás: keletkezése; alkalmazások gyógyászat, anyag-és anyagszerkezet vizsgálat radioaktivitás : keletkezése; alkalmazások atomerőmű, atombomba,