Elektromos áram, áramkör Az anyagok szerkezete Az anyagokat atomok, molekulák építik fel, ezekben negatív elektromos állapotú elektronok és pozitív elektromos állapotú protonok vannak. Az atomokban ezek száma azonos, így az atom semleges. Ha elektron többlet vagy hiány alakul ki, akkor az atomból ion lesz, amely így + vagy lesz. Az a test vagy tárgy, amelyben az elektronok és protonok száma azonos, az semleges. Az a test vagy tárgy, amelyben elektrontöbblet van, az töltésű, amelyben elektronhiány van, az + töltésű. Az azonos töltésűek ( + + vagy ) taszítják egymást, a különböző töltésűek ( + ) vonzzák egymást. A töltés jele: Q, mértékegysége: C (Coulomb) A fémekben az elektronok könnyen el tudnak mozdulni, áramlani képesek a fémben. Áram: Az elektromos töltések egyirányú, rendezett mozgását, áramlását, elektromos áramnak nevezzük. (A fémekben az elektronok áramlanak, oldatokban az oldott ionok.) Az áram jele: I mértékegysége: A (Amper)
Vezető anyag: Amelyben a töltések könnyen áramlanak. Pl. fémek, szén, csapvíz, emberi test Szigetelő anyag: Amelyben a töltések nehezen tudnak elmozdulni. Pl. üveg, műanyag, desztillált víz, száraz fa Az elektromos vezetékeket ezért úgy készítik, hogy a fémet (általában réz) szigetelő műanyaggal veszik körül. Földelés: Ha egy test vagy tárgy elektromos töltését meg akarjuk szüntetni, akkor vezetékkel összeköthetjük a földdel, ahova a vezeték a töltését levezeti így a test semlegessé válik. Így működik a villámhárító is.
Elektromos feszültség A töltések áramlásához az elektromos tér munkát végez. Annál több ez a munkavégzés, minél több töltés áramlik át az egyik helyről a másikra. A munkavégzés osztva a töltéssel a két pont közötti elektromos feszültség. Az elektromos feszültség megmutatja, hogy mennyi munkát végez az elektromos tér, ha 1 C töltést az egyik pontból a másikba mozgat. Képletben: (W a munka, Q a töltés) Az elektromos feszültség jele: U mértékegysége V (Volt) Árammérő és feszültségmérő Az árammérőt (ampermérőt) a fogyasztóval sorba kell bekötni az áramkörbe, hogy mérje a fogyasztón átfolyó áram erősségét. A méréshatárt mindig magasabbra kell állítani, mint amilyen mért áramot várunk. A feszültségmérővel (voltmérővel) két pont közti feszültséget tudunk mérni (pl. a fogyasztó vagy az áramforrás két végpontja között). A méréshatárt itt is magasabbra kell állítani a várt értéknél.
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.
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:
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)
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 is. A fogyasztók, vezetékek ellenállása függ a hőmérsékletüktől is. Nagyobb áram esetén nő a fogyasztó hőmérséklete (pl. lámpa jobban világít, akkor melegszik is. A fémek ellenállása növekszik a hőmérséklet növekedésekor. Vannak anyagok, amiknek csökken, pl. szén, üveg. 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:
Fogyasztók, ellenállások soros kapcsolása - A sorba kapcsolt fogyasztók mindegyikén ugyanakkora áram folyik. I = I 1 = I 2 = I 3 - Ellenállásuk arányában az áramkörre kapcsolt teljes feszültség megoszlik rajtuk. U = U 1 + U 2 + U 3 + - A fogyasztók, ellenállások eredő ellenállása, az egyes ellenállások összege: R eredő = R 1 + R 2 + R 3 + Az áramkörben létrejövő áramerősség: Hátránya: Ha egy fogyasztó kiég, akkor megszakad az áramkör és a többi sem működik. Pl. soros karácsonyfaégő
Fogyasztók, ellenállások párhuzamos kapcsolása - A főágban folyó áram egyenlő a mellékágakban folyó áramok összegével. I = I 1 + I 2 + I 3 + - Mindegyik fogyasztóra ugyanaz a feszültség jut. U = U 1 = U 2 = U 3 = - Az ellenállások eredője: A főágban folyó áram: Előnye: a fogyasztók egymástól függetlenül működnek, ha az egyik elromlik, a többi tovább működik. Pl. a háztartásban használt elektromos eszközök
Lakás elektromos hálózata A lakásba a 230 V-os hálózati feszültséget vezetik be. Ez az elosztó dobozba kerül, amiben az árammérő óra is van. A lakás elektromos hálózata több áramkörből, több részből (2, 3, 4,..) áll, amelyekhez a feszültséget az elosztó doboz külön-külön biztosítja. Ezek a részek a lakás külön helyiségeikbe vannak kiépítve. Pl. lehet egy áramkör a fürdőszobának, egy a konyhának, még egy a szobáknak. A ház tervezésekor alakítják ki, hogy melyik helység melyik áramkörhöz tartozzon, de ez később is átalakítható. A dobozban mindegyik áramkörhöz külön automata biztonsági kapcsoló, ugynevezett biztosíték van bekötve, ami automatikusan kikapcsolja az áramkört, ha túl nagy áram folyik rajta. Ez azért szükséges, mert egyrészt az áram melegítő hatása miatt a túl nagy áram tűzveszélyes, másrészt akkor jöhet létre túl nagy áram, ha valamelyik készülék zárlatos, hibás, és az életveszélyes. Az ilyen biztosítékok általában max. 6 A, 10 A, 15 A áramot engedélyeznek. A lakásban használt háztartási eszközök párhuzamosan vannak kapcsolva, így az áramuk összeadódik. Vagyis minél többet kapcsolunk be, annál nagyobb lesz az áram az áramkörben. Ha az összegük eléri a biztosíték értékét, akkor az lekapcsol.