Elektromos áram, áramkör, ellenállás 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. Akkor nagyobb az áramerősség, ha ugyanannyi idő alatt több töltés halad át a vezetőn, vagy ugyanannyi töltés rövidebb idő alatt halad át a vezetőn. Képletben:
Elektromos áramkör Áramforrás: Olyan berendezés, amely tartósan képes elektromos áramot fenntartani. Pl. elem, akkumulátor, épületekben elektromos hálózat Fogyasztó: Olyan berendezés, amelyben az áram hatására olyan változás jön létre, amelyet valamilyen célra használunk. P. lámpa, elektromos fűtőtest, elektromos motor, elektromos háztartási eszközök Egyszerű áramkör: Vezetékekkel összekötött áramforrás és egy fogyasztó. Egyenáramú áramkör: Amelyben az áram iránya mindig ugyanaz. Az egyenáramú áramkörben olyan áramforrás van, amelynek van egy + és egy pólusa. Áramkörben levő alkatrészek jelölései: Egyszerű áramkör rajza:
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.
Ampermérő és voltmérő az áramkörben: Elektromos ellenállás Az anyag részecskéi akadályozzák a töltések mozgását. Ezt a tulajdonságot nevezzük elektromos ellenállásnak. Annak a fogyasztónak nagyobb az ellenállása, amelyben ugyanolyan feszültségű áramforrás hatására kisebb áram jön létre, vagy ugyanolyan áramhoz nagyobb feszültségű áramforrás szükséges. Az ellenállás jele: R mértékegysége: Ώ (Ohm) Ohm törvény: Egy fogyasztón mért áram erőssége egyenesen arányos a fogyasztó kivezetésein mért feszültséggel. ellenállás = feszültség / áramerősség Képletben:
Vezetékek ellenállása Az áramkörben levő vezetékeknek is van ellenállása, mivel az anyagában levő részecskék akadályozzák az elektronok mozgását. Az ellenállás nagyobb, - ha hosszabb a vezeték (egyenesen arányos a hosszával), - ha a vezeték keresztmetszete kisebb (fordítottan arányos a keresztmetszetével), - és függ a vezeték anyagától. Képletben: l : vezeték hossza, A : keresztmetszet : a vezeték anyagára jellemző állandó ( ró görög betű) a vezeték fajlagos ellenállása Néhány anyag fajlagos ellenállása: (nem kell megtanulni)
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.
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.
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. 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.
Elektromos munka és teljesítmény Elektromos munka Az elektromos mező munkát végez, amikor töltéssel rendelkező részecskéket a mező egyik pontjából a másikba mozgat. Ez a munka egyenlő a két pont közti feszültség (U), és a töltés (Q) szorzatával. (Ez már szerepelt a feszültségnél is.) Mivel Q = I t, az elektromos munka: W = U Q = U I t A munka mértékegysége: J (Joule) Elektromos teljesítmény Egy fogyasztó teljesítménye megadja, hogy a fogyasztó mekkora munkát képes végezni 1 másodperc alatt. A teljesítmény jele: P mértékegysége J/s = Watt 1000 Watt = 1 kwatt (1 kw) Teljesítmény = munka / idő = feszültség áramerősség Képletben: vagyis P = U I
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):
Megjegyzések a dolgozathoz: Elméleti kérdések az ebben az összefoglalásban levő elméletből lesznek. A következő elméleti kérdések is ezekre vonatkoznak, ezekre tudni kell a választ: Könyvben az Ellenőrizd tudásodat feladatok közül: 14. oldal 1., 2., 3., 19. oldal 1., 2., 3. 25. oldal 1., 2., 8. 27. oldal 1., 2., 3., 4., 5. 31. oldal 5., 6. 38. oldal 1., 2., 3. 41. oldal 1., 2. 43. oldal 1., 2., 6. 53. oldal 6. (A válasz benne van a könyvben is és ebben az összefoglalásban is.) Érdemes átnézni: 34. oldal és 58. oldal (Ezeknek a tartalma is benne van ebben az összefoglalásban.) Számítási feladatok az összefoglalásban levő képletekből lesznek. Áramkör rajzolás A dolgozatban áramkört is kell lerajzolni (soros vagy párhuzamos kapcsolással, vagy voltmérővel vagy árammérővel, fogyasztóval, kapcsolóval, áramforrással.) (Ilyen rajzok is vannak ebben az összefoglalásban.)