Az áram hatásai, az áram munkája, teljesítménye Hőhatás Az áramló elektronok beleütköznek a vezető anyag részecskéibe, ezért azok gyorsabb rezgőmozgást végeznek, az anyag felmelegszik. A világító volfram-izzólámpa is az áram hőhatása miatt világít. Általában fém(volfram) izzószál, spirális fűtőszál van a melegítő berendezésekben. Példák az áram hőhatásának felhasználására: hősugárzó, izzólámpa, melegítő háztartási eszközök (vasaló, mosógép, hajszárító, vízforraló, kenyérpirító, elektromos sütő, stb...) Mágnesesség, az áram mágneses hatása Tudománytörténeti háttér Már i. e. 600 körül Thalész felfedezte, hogy Magnesia város mellett vannak olyan ércek, amelyek vonzzák a vasat. Ezeket mágnesnek nevezték el, és mágnestűket, iránytűket készítettek. Az iránytű a 12. században terjedt el Európában. Mágneses alapjelenségek Ha eltürjók a mágnest, akkor is két pólusa marad. Elnevezésük: Északi (amelyik a Föld Északi sarka felé áll be), és a másik pólusa a Déli.
Két mágnes pólusai vonzzák vagy taszítják egymást a következőképpen: Azonos pólusok taszítják, a különbözőek vonzzák egymást. A mágnes bármelyik pólusa vonzza a vasat. A vonzáshoz, taszításhoz nem szükséges érintkezniük, mert a mágnes körül mágneses tér alakul ki és ez hat a másik mágnesre, vagy vasdarabra. Elnevezés: tengelyen forgó kis mágnestű: iránytű A mágnes közelében levő (mágneses térben levő) vas átmenetileg mágnessé válik és a többi vasat vonzza. Egy vezeték vagy tekercs körül mágneses tér alakul ki, ha áramot vezetnek bele. A tekercs úgy viselkedik, mint egy mágnes. Neve: elektromágnes
Példák az elektromágnes felhasználására: elektromágneses emelő (vasból készült tárgyakat felemel (pl. roncsautó, konténer)), elektromágneses ajtónyitó (elektromos áram hatására ki-be kapcsol) fülhallgató, hangszóró (áram hatására mozgatja a vas-membránlemezt, ami rezegteti a levegőt, és hangot kelt), automata biztosíték (nagy áram hatására magához vonzza a vaskapcsolót, ami megszakítja az áramkört), elektromos csengő, elektromágneses motor Elektromágneses motor van pl. a következő eszközökben: fúrógép, turmixgép, mosógép, ventilátor, fűnyíró, körhinta,...
Kémiai, vegyi hatás Ha egy folyadékban vannak szabadon mozgó ionok, akkor a folyadékba vezetett áramot a folyadék (oldat) vezeti. 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. Felhasználása: vízbontás (H 2 -re és O 2 -re), galvanizálás (fém védő- vagy díszbevonatok). 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, szívmegállást, sejtnedvek összetételének megváltozását okozza. Ezért az áramütést el kell kerülni, mert halálos is lehet.
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 =
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
Az elektromos energia-fogyasztás mérése A különböző fogyasztók, háztartási eszközök energiafelhasználása, energia-fogyasztása ( ΔE ) egyenlő a rajta átfolyó áram elektromos munkavégzésével ( W ). A munka pedig a fogyasztó teljesítményének és a működési idejének szorzata (W = P t = ΔE ). Tehát az energiafogyasztás ΔE = P t A háztartási eszközök működés idejét nem másodpercben, hanem órában szokták számolni, ezért az energiafelhasználás mértékegysége: Watt óra ( Wh ), vagy ennek ezerszerese: kwatt óra ( kwh kilowattóra) (Ezt méri a villanyóra.) Annak a fogyasztónak nagyobb az energiafogyasztása, amelyiknek nagyobb a teljesítménye. Néhány fogyasztó teljesítménye (nem kell megtanulni):
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, működni. Energia-takarékosabbak. (Ezek a készülékek drágábbak, de mivel kevesebb az energiafogyasztásuk, ezért hosszabb távon (1-2 év) megtérül az áruk.)