Misák Sándr ELEKTRONIKA I. DE TTK. Székely V., Tarnay K., Valkó I.P. Elektrnikus eszközök. Budapest: Műegyetemi Kiadó, 000.. Gergely L. Elektrnikai alkatrészek és műszerek I. Budapest: Tankönyvkiadó, 985. 3. Rumpf K.-H. Elektrnikai alkatrészek kislexiknja. Budapest: Műszaki Könyvkiadó, 99. 4. Bársny I., Kökényesi S. Funkcinális anyagk és technlógiájuk // DE MFK (főisklai jegyzet), 003. 5. Sze S.M. Semicnductr Devices: Physics and Technlgy. New Yrk: nd editin, Ed.-Wiley. 00. 6. Wang F.F.Y. Intrductin t slid state electrnics. Amsterdam; New Yrk: Nrth-Hlland; New Yrk, NY, USA: Sle distributrs fr the USA and Canada, Elsevier Science Pub. C., 989. v.0. (007.08.9.). Elektrnika fgalma;. Villams alapfgalmak; 3. Elektrnikai alkatrészek kategóriái; 4. Passzív és aktív, lineáris és nemlineáris, vákuum és szilárdtest alkatrészek definíciója; 5. Az anyagk csprtsítása villams szempntból. AZ ELEKTRONIKA FOGALMA ELEKTRONIKA Elektrnika a tudmány azn ága, amely az elektrmsan töltött részecskék mzgásával kapcslats jelenségeket vizsgálja. TUDOMÁNY VIZSGÁLAT TECHNIKA ALKALMAZÁS A töltésmzgás történhet vákuumban, gázkban, flyadékkban és szilárd testben. Elektrnika a technika azn ága, amelyben kidlgzzák az elektrn és in jelenségek alkalmazási, hasznsítási módszereit.
Az elektrnika magában fglalja: a fizikai flyamatk vizsgálatát; az elektrnikai eszközök (lámpák, tranzisztrk, integrált áramkörök, stb.) és bnylultabb, ezekből az eszközökből álló berendezések tervezését, gyártási technlógiájuk kidlgzását. VILLAMOS ALAPFOGALMAK Minden anyag mlekulákból, atmkból épül fel (Bhr, Rutherfrd, Schrödinger). Az atm alktórészei: atmmag: pzitív töltésű prtnkból és töltéssel nem rendelkező (semleges) neutrnkból áll; elektrnk: negatív töltésű elektrnk elektrnfelhőt alktnak. (Manapság kb. 00-féle elemi részecskét ismerünk. Az elemi részecskék közé tartzik a prtn, a neutrn és az elektrn is.) A villams töltéssel rendelkező részecskék között erőhatás tapasztalható, amely kölcsönös vnzásban vagy taszításban nyilvánul meg. A különböző töltések vnzzák, az azns töltésűek visznt taszítják egymást. Két töltés között fellépő erő (Culmb erő): F = 4π ε r 0 Elemi töltés: egy prtn vagy egy elektrn töltése,6 0-9 C Az elemi töltés 6,5 trilliószrsát választtták egységnyi töltésmennyiségnek. A töltésmennyiség jele:, q Mértékegysége: [ C ] culmb C = 6,5 trillió (6.50.000.000.000.000.000=6,5 0 8 ) darab prtn vagy elektrn töltése A test kifelé töltést mutat, ha a) elektrnkat viszünk rá: elektrntöbblet, b) elektrnkat veszünk el róla: elektrnhiány, c) a pzitív és negatív töltések egyenletes megszlását megszüntetjük: egyenlőtlen töltésmegszlás. Valamely test töltése egyenlő a testre rávitt vagy a testről elvett elektrnk töltésével, illetve a test kívülről tapasztalható töltésével.
Az in: Az elektrn hiánnyal vagy elektrntöbblettel rendelkező atmt (vagy atmcsprtt) innak nevezzük. Töltéshrdzók: Az elmzdulásra, áramlásra képes elektrnkat és inkat töltéshrdzóknak nevezzük. A villams áram: A töltéshrdzók rendezett áramlását villams áramnak nevezzük. A villams áram hatásai: hő, fény, mágneses, vegyi, élettani. Az elektrn negatív, a prtn pzitív villams töltéssel rendelkezik. Elemi töltés: e =,6 0-9 C. Az elektrntöbblettel rendelkező test negatív töltésű. Az elektrnhiánnyal rendelkező test pzitív töltésű. A villams töltéseket villams tér veszi körül. A térnek azt a részét, amelyben villams töltésre erő hat, villams térnek nevezzük. Azns nemű töltések taszítják, különnemű töltések vnzzák egymást. A villams teret villams erővnalakkal ábrázljuk. A villams erővnalak tulajdnságai: pzitív töltésen erednek, negatív töltésen végződnek; egyirányú erővnalak taszítják egymást; az erővnalak gumiszalag módjára rövidülni igyekeznek; az erővnalak shasem keresztezik egymást és merőlegesek a test felületére. pzitív negatív töltés körül kialakuló villams tér két pzitív, egymáshz közeli töltés körül kialakuló villams tér 3
Két villams töltéssel rendelkező test között fellépő erő (F) egyenesen aránys a testek villams töltésével (, ), és frdítttan aránys a köztük lévő távlság négyzetével (r ): F = k r [ N ] két különböző előjelű, egymáshz közeli töltés körül kialakuló villams tér k értéke függ a teret kitöltő anyagtól. k értéke vákuum (légüres tér) és levegő esetén: k = 9 0 9 V m A s A villams erőtérben a villams töltésű testekre erő hat. Az egységnyi ( C) töltésre ható erőt villams térerősségnek nevezzük. E = F [ V/m ] F : erő [ N ] : töltésmennyiség [ C ] A villams térerősség vektrmennyiség. Hatásvnalát a vizsgált pntn átmenő villams erővnalhz húztt érintő, nagyságát és irányát a pzitív töltésre ható erő adja meg. A villams tér minden pntja jellemezhető egy-egy térerősség-vektrral. Hmgén a villams tér, ha a térerősség nagysága és iránya a tér minden pntjában megegyezik. Hmgén villams térben az egységnyi erővnalhsszra jutó feszültséget villams térerősségnek nevezzük. U E = d [ V/m ] U : feszültség [ V ] d : erővnalhssz [ m ] A villams tér két pntja között feszültség mérhető. A villams tér pntjainak feszültségét a tér egy kiválaszttt pntjáhz visznyítva is mérhetjük, illetve számíthatjuk. A villams tér pntjainak a tér egy kiválaszttt pntjáhz visznyíttt feszültségét villams ptenciálnak (U [ V ]) nevezzük. A villams tér minden pntja jellemezhető egy-egy ptenciálértékkel. A villams tér kiválaszttt pntját, amelyhez a többi pntjának feszültségét visznyítjuk, nulla ptenciálú helynek vagy nulla-pntnak nevezzük. 4
Nulla ptenciálú helyként általában a Földet, illetve a Föld nedves rétegeivel vezetői összeköttetésben levő fémtesteket választjuk. A villams tér két pntja közötti feszültség egyenlő a két pnt ptenciáljának különbségével. feszültség = ptenciálkülönbség U AB = U A U B A villams tér hatására a vezető anyagkban megszűnik a pzitív és negatív töltések egyenletes elszlása. A vezető anyag villams töltést mutat, mert az egyik részén elektrntöbblet, a másik részén elektrnhiány alakul ki. Ezt a jelenséget villams megsztásnak nevezzük. Ha a vezetőt kivesszük a villams térből, a megsztás megszűnik. A kapacitás: C [ F ] farad Valamely vezetőre vitt töltés egyenesen aránys az általa létesített U ptenciállal: hányadsuk állandó és jellemző az adtt vezetőre. A vezető villams kapacitása: C = U [ F ] F a kapacitása annak a vezetőnek, amelyen C töltés V ptenciált hzz létre. A farad a gyakrlat számára igen nagy egység, ezért annak törtrészeit használjuk. mikrfarad : µf = 0-6 F nanfarad : nf = 0-9 F pikfarad : pf = 0 - F Rajzjelek: ideális feszültséggenerátr ideális galvánelem fgyasztó (ellenállás) ideális vezeték 5
A feszültség: U [ V ] vlt töltésszétválasztás feszültség feszültség: töltéskiegyenlítődésre törekvő hatás Két pnt között a feszültség egyenlő azzal a munkával (W), amit akkr végzünk, amikr a C töltést az egyik pntból a másikba viszünk. W U = [ V ] A feszültséget vltmérővel mérjük. A vltmérő belső ellenállása nagy, ideális vltmérőé végtelen. A vltmérőt a fgyasztóval párhuzamsan kell bekötni! Az áramerősség: I [ A ] amper töltéskiegyenlítődés áram A vezető keresztmetszetén s alatt átáramló töltésmennyiséget áramerősségnek nevezzük. I = t [ A ] Az áramerősséget ampermérővel mérjük. Az ampermérő belső ellenállása kicsi, ideális ampermérőé nulla. Az ampermérőt a fgyasztóval srsan kell bekötni! Feszültség hatására zárt áramkörben áram flyik. a) Feszültségirány A feszültség nyila a pzitív pólustól a negatív felé mutat 6
b) Megállapdás szerinti vagy technikai áramirány Az áramerősség nyila A pzitív pólustól a fgyasztón keresztül a negatív pólus felé haladva kijelöli a pzitív töltések (képzelt) áramlásának irányát U és I iránya: fgyasztón megegyező; generátrn ellentétes. Az ellenállás: R [ Ω ] A villams ellenállás a testeknek az a tulajdnsága, hgy a villams áram áthaladását anyagi minőségüktől és méreteiktől függően gátlják. Az ellenállás jele: R Mértékegysége: [ Ω ] Ohm Ω az ellenállása annak a vezetőnek, amelyen V feszültség A áramt hajt. A vezetőképesség: G [ S ] Az ellenállás reciprk értékét vezetőképességnek nevezzük. G = R A vezetőképesség jele: G Mértékegysége: [ S ] siemens S = Ω Az áramerősség egyenesen aránys a feszültséggel és frdítttan aránys az ellenállással. U I = R A fajlags ellenállás: ρ [ Ωm ] Valamely anyag, m hsszú (l) mm keresztmetszetű (A) darabjának 0 C-n mért ellenállását (R) az adtt anyagra villams szempntból jellemző értéknek, fajlags ellenállásnak (ρ) nevezzük. A ρ = R l A fajlags ellenállás jele: ρ (ró) Mértékegysége: [ Ωm, Ωmm /m ] Ωm = 0 6 Ωmm /m. Vörösrézre: ρ Cu = 0,075 Ωmm /m Alumíniumra: ρ Al = 0,03 Ωmm /m 7
A fajlags vezetőképesség: γ [ S/m ] Valamely anyag, mm keresztmetszetű (A) 0 C-n Ω ellenállású (R) darabjának méterben mért hsszát (l) az adtt anyagra villams szempntból jellemző értéknek, fajlags vezetőképességnek (γ) nevezzük. A fajlags vezetőképesség a fajlags ellenállás reciprk értéke: γ = = ρ R l A A fajlags vezetőképesség jele: γ (gamma) Mértékegysége: [ S/m, S m/mm ] S/m = 0-6 S m/m. Vörösrézre: γ Cu = 57 S m/mm Alumíniumra: γ Al = 33 S m/mm A vezeték ellenállása függ: a vezeték anyagától, a vezeték gemetriai méreteitől. A vezető ellenállása (R) egyenesen aránys a vezetékanyag fajlags ellenállásával (ρ) valamint a vezeték hsszával (l) és frdítttan aránys a vezeték keresztmetszetével (A). ρ : fajlags ellenállás [ Ωmm /m ], l : vezetékhssz [ m ], A : keresztmetszet [ mm ] Mintafeladat: ρ Al = 0,03 Ωmm /m, l = 50 m, A =,5 mm. R = (0,03 50) /,5 = 0,6 Ω ρ = A R l R = ρ l [ Ω] l [ ] A A = ρ mm R Ω mm m l = RA ρ [ m] Az anyagk ellenállása függ a hőmérséklettől. A hőmérséklet emelkedésével a fémek ellenállása növekszik (α pzitív); a szén, a félvezetők és az elektrlitk ellenállása csökken (α negatív). A hőmérsékleti tényező (hőfktényező) jele: α (alfa) [/ C] A hőmérsékleti tényező megadja, hgy valamely anyag Ω ellenállású darabjának hány hmmal váltzik meg az ellenállása, ha hőmérsékletét 0 C-ról C-ra növeljük. (A hőmérsékleti tényezőt általában 0 C-ra adják meg.) α Cu = 0,0038 / C, α Al = 0,004 / C, α C = 0,0004 / C. 8
R : melegellenállás (ellenállás 0 C-tól eltérő hőmérsékleten); R 0 : ellenállás 0 C-n; α : hőfktényező 0 C-ra vnatkztatva. t : a 0 C-tól eltérő hőmérséklet. t = t t = t -0 : hőmérsékletváltzás 0 C-hz képest. R = R R 0 = Rα t : ellenállásváltzás R 0 -hz képest. R = R R = R R = R R = R 0 0 0 0 t számítása: + R + R 0 α t + R 0α ( t 0) [ Ω] ( + α t) t = R R R 0 α 0 + 0 [ C] A villams energia a fgyasztóban más energiává alakul át és így villams mtrkat hajt, hőt fejleszt, világít, stb. A villams munkát a villams mező feszültsége hzza létre a töltések mzgatásával. W U = I = t W = U = I t és W = U I t = P t [ J = W s] jule 3600 W s = W h és 000 W h = kw h A villams munka egyenesen aránys a feszültséggel, az áramerősséggel és az áram áthaladásának idejével. W = U I t = I U R t = R t = P t Meghatárzása: a) U, I, és t mérésével; a) b) I, R és t mérésével; c) U, R és t mérésével; d) P és t mérésével e) fgyasztásmérővel. A villams teljesítmény egyenlő az időegység alatt végzett villams munkával. A villams teljesítmény egyenesen aránys a feszültséggel és az áramerősséggel. U W P = U I = I R = = R t [ W ] watt 000 W = kw és 000 kw = MW W annak a villams berendezésnek a teljesítménye, amelyikben V feszültség A áramerősséget hajt keresztül. 9
Meghatárzása: a) a) U és I mérésével; b) I és R mérésével; c) U és R mérésével; e) d) W és t mérésével e) wattmérővel. A villams gépek és készülékek energiát alakítanak át. Az energiaátalakítás srán a bevezetett energia egy része mindig lyan energiává (elsősrban hőenergiává) alakul át, amely nem hasznsítható. Ezt veszteségi energiának (veszteségnek) nevezzük. Bevezetett energia (teljesítmény): W b (P b ) Hasznsíttt energia (teljesítmény): W h (P h ) Veszteségi energia (teljesítmény): W v (P v ) W h = W b W v A hatásfk: η (éta) A hatásfk az a szám, amely megmutatja, hgy a bevezetett energia hányadrészét hasznsíthatjuk. A hatásfk mindig kisebb -nél, illetve 00%-nál. W η. h = ill η Wb W η = W h b Ph = P b százalékban: Ph 00% ill. η = 00% P b A villams áram melegíti a vezetékeket. A villams energia (W) hőenergiává () alakul. Jule törvénye: A villams energia átalakulása srán keletkezett hőenergia egyenesen aránys az áramerősség négyzetével, a vezető ellenállásával és az áram áthaladásának idejével. = I R t J (Jule) J 0,4 cal (kalória) cal 4, J A villams hőfejlesztő berendezések hőátadása srán a keletkezett hőenergia egy része veszteség. (Ezért η<00%) CSOMÓPONTI TÖRVÉNY A bevezetett villams energia: A hasznsíttt hőenergia: A hőátadás hatásfka: η = W b = UIt = Pt h W = mc h b t 0
CSOMÓPONTI TÖRVÉNY HUROKTÖRVÉNY Áramelágazás esetén a csmópntba beflyó áramk összege egyenlő a csmópntból kiflyó áramk összegével. I = I + + I I3 párhuzams kapcslás HUROKTÖRVÉNY Zárt áramkörben az áramt fenntartó feszültség egyenlő az ellenálláskn eső feszültségek összegével. U = U + + U U 3 srs kapcslás Mzgó, áramló töltések (áramk) körül mágneses tér alakul ki. Nyugvó töltések körül villams tér. Mzgó töltések körül mágneses tér: elektrmágneses tér A mágneses teret mágneses indukcióvnalakkal ábrázljuk. A mágnes É (északi) sarkán lépnek ki és a D (déli) sarkán lépnek be, a mágnesen belül a D sarktól az É sark felé haladnak; önmagukban záródnak; egyirányú indukcióvnalak taszítják egymást; gumiszalag módjára rövidülni igyekeznek; egymást shasem keresztezik (eredőjük hat).
ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK KATEGÓRIÁI ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK AKTÍV ALKATRÉSZEK LINEÁRIS ELEMEK VÁKUUM ESZKÖZÖK PASSZÍV ALKATRÉSZEK NEM-LINEÁRIS ELEMEK SZILÁRD TEST ESZKÖZÖK Aktív alkatrészek növelik a hzzájuk vezetett energiaszintet (pl. trióda, tranzisztr). Passzív alkatrészek csökkentik a hzzájuk vezetett energiaszintet (pl. ellenállás, kndenzátr, indukciós tekercs, transzfrmátr, dióda, stb.). A lineáris alkatrészekben a feszültség és áram között lineáris összefüggés van. A nemlineáris elemekben a feszültség és áram között nemlineáris összefüggés van. Általáns estekben a nemlineáris elemekhez srljuk a tranzisztrkat, elektrncsöveket, induktív tekercseket, vasmags transzfrmátrkat, átalakítókat (ptikaielektrms, adócsövek; elektrms-ptikai, vevőcsövek). Ezeket közelítőleg lineáris elemként vizsgáljuk (kezeljük), különösen kisjel-szintű működésnél. A vákuum elemekben alkalmazzák a vákuumban végbemenő elektrms jelenségeket. A szilárd elemekben alkalmazzák a szilárd testekben végbemenő szabad töltéshrdzók mzgását. ELEKTRONIKAI ALKATRÉSZEK DEFINÍCIÓI
Elektrnikai alkatrész (eszköz, elem) egy lyan eszköz, amely biznys elektrms (esetleg mágneses, ptikai) funkciót végez. Elektrnikai áramkör elektrnikus eszközök elektrms kapcslásából létrejött elektrms hálózat. Ellenállás egy elektrnikai áramkör azn eleme, mely biznys állandó vagy váltzó (szabályzható) ellenállást visz az áramkörbe. Az ellenállás lineáris karakterisztikájú, passzív elektrnikai alkatrész. A villams ellenállása független a rákapcslt feszültség nagyságától és plaritásától. Az ellenállás értéke közelítőleg független a hőmérséklettől és az üzemi frekvenciatartmányban a frekvenciától is. Kndenzátr egy elektrnikai áramkör azn eleme, mely biznys állandó vagy váltzó (szabályzható) kapacitást visz az áramkörbe. Kndenzátr elektrms töltéseket tárló passzív elektrnikai alkatrész. A kndenzátrk két, egymással szemben levő, elektrmsan vezető felületből (fegyverzet) állnak, amelyeket egymástól nem vezető dielektrikum választ el. Indukciós tekercs egy elektrnikai áramkör azn eleme, mely biznys állandó vagy váltzó (szabályzható) induktivitást visz az áramkörbe. Tekercs passzív elektrnikai eszköz, amelyet úgy állítanak elő, hgy szigetelőtesten (vagy szigetelőtest nélküli, önhrdzó kivitelben), szigetelt huzalból egymástól elszigetelt meneteket alakítunk ki. Indukciós tekercs egy elektrnikai áramkör azn eleme, mely biznys állandó vagy váltzó (szabályzható) induktivitást visz az áramkörbe. Tekercs passzív elektrnikai eszköz, amelyet úgy állítanak elő, hgy szigetelőtesten (vagy szigetelőtest nélküli, önhrdzó kivitelben), szigetelt huzalból egymástól elszigetelt meneteket alakítunk ki. Kétpólus két kivezető kapccsal vagy egy beés egy kimeneti kapccsal rendelkező feketedbz. Van bemeneti és kimeneti kapccsal rendelkező aktív kétpólus (pl. negatív ellenállás, negatív differenciális ellenállás), kétkimenetű aktív kétpólus (generátrk és szcillátrk), tvábbá passzív kétpólus (ellenállás, kndenzátr, tekercs, dióda). A kétpóluskból felépített hálózatk számításainak alapját a Kirchhff-törvények adják. 3
Négypólus két bemeneti és két kimeneti kapccsal rendelkező fekete-dbz. Van aktív (erősítő) négypólus (pl. tranzisztr, trióda) és passzív kétpólus (pl. transzfrmátr, szűrők és vezetékek). A négypólus viselkedése a négypólusparaméterekkel írható le. Tranzisztrs erősítőknél a h-paramétereknek és az y- paramétereknek van jelentősége. Kapcsló egy áramköri elem, amely két pnt között szakadást vagy rövidzárat alakít ki, alkalmas digitális jel előállítására. Erősítő ugyanabban az energiafajtában állítja elő egy gyenge jel felnagyíttt mását. Ezt a vezérlés teszi lehetővé, vagyis az, hgy a felerősítendő (bemenő) jel az eszköz egy fnts paraméterét beflyáslja. A felerősített (kimenő) jelhez szükséges energiát külön energiafrrás szlgáltatja. Oszcillátr elektrms rezgéseket előállító berendezés, lényege sk esetben erősítő, melyben a kimenő jel egy részét megfelelő fázisban visszavezetik vezérlő jelnek. Elektróda egy elektrnikus eszköz lyan belső pntja, amely az áramkör (hálózat) csmópntjaihz definiálható módn csatlakzhat. Egyenirányító lyan eszköz, amely két pnt között egyik irányban lényegében átengedi, másik irányban lényegében megszakítja az áramt. Az az elektródája, amely áramvezetéskr pzitívabb, az anód, a másik a katód. Dióda (vákuum, félvezető) két elektródával rendelkező eszköz, amely többnyire egyenirányításra képes. Dióda nemlineáris, aszimmetrikus karakterisztikájú passzív kétpólus, amely a rákapcslt feszültség plaritásától függően eltérő viselkedést mutat. Elektrncső (vákuumcső) igen kis légnymásra szivattyúztt lezárt edény, amely rögzített elektródákat tartalmaz, azk kivezetéseivel. Egyik elektródája (katód) elektrmsan izzítható. Trióda (vákuum) hárm elektródás cső. Az anód és katód között rácsa van. A rácsra adtt feszültség a katódból az anód felé haladó elektrnk mennyiségét vezérli. Tranzisztr hárm elektródás félvezető eszköz. Két típusa van: bipláris és térvezérlésű tranzisztr. Bipláris tranzisztr elterjedt erősítő és kapcsló félvezető eszköz. Lényege: egykristálys lapkában p-n-p vagy n-p-n adaléklású zónák (területek, tartmányk), melyek közül a középső nagyn keskeny. A hárm zóna a tranzisztr hárm elektródája: emitter, bázis (vezérlő elektróda) és kllektr. 4
Fém-szigetelő (xid) félvezető tranzisztr (szigetelt elektródás térvezérlésű tranzisztr, MIS-, MOS-tranzisztr): igen elterjedt félvezető erősítő és kapcsló eszköz. Elektródái: a frrás (Surce), a nyelő (Drain) és a vezérlő elektróda, a kapu (Gate). AZ ANYAGOK CSOPORTOSÍTÁSA VILLAMOS SZEMPONTBÓL Elsőrendű vezetők azk, amelyekben az áramvezetés nem jár anyagátvitellel. Pl.: a fémek, a félvezetők, a szén grafit módsulata (bennük a töltéshrdzók az elektrnk). Másdrendű vezetők azk, amelyekben az áramvezetés anyagátvitellel jár. Pl.: sók, savak, lúgk vizes ldata vagy lvadéka elektrlitk (bennük a töltéshrdzók az ink, melyeknek mzgása a közegben anyagátvitellel jár). Harmadrendű vezetők: a gázk csak külső inizáló hatásra válnak vezetővé (bennük töltéshrdzók az ink és az elektrnk). Anyag: technikai értelemben az ember által alkttt szerszámk, gépek, eszközök, berendezések, műtárgyak építőeleme. A mdern atmfizika egyre mélyebbre hatl az anyag szerkezetébe. Vezetők: nagymennyiségű töltéshrdzóval rendelkeznek (vezetik a villams áramt). Félvezetők: kis hőmérsékleten szigetelnek, külső hatásra (hő, fény, sugárzás) vezetővé válnak. Szigetelők (dielektrikumk): gyakrlatilag nem rendelkeznek szabad töltéshrdzókkal (nem vezetik a villams áramt). Vezetőknek nevezzük azkat az anyagkat, melyek alapvető tulajdnsága a kis elektrms ellenállással jellemezhető jó áramvezetés: 0 - ρ 0-4 Ohm m. Félvezetőknek nevezzük azkat a szilárd anyagkat, melyek fajlags ellenállása a vezetőké és a dielektrikumk között van és nagymértékben függ az adalékk, a különböző rácshibák fajtájától és kncentrációjától, csakúgy, mint a különböző külső hatásktól (hőmérséklet, megvilágítás, stb.): 0-4 ρ 0 7 Ohm m. 5
Szigetelőknek nevezzük azkat a szilárd anyagkat, amelyekben nagy feszültségek hatására sem flyik számttevő áram. Tökéletes szigetelő nincs, elegendően nagy feszültség esetén mindig mérhető csekély áramerősség. Aktív (nagy-) és passzív (kis-) kapacitású szigetelők. Különleges tulajdnságuk az, hgy bennük létezhet elektrsztatikus mező (plarizáció): 0 7 ρ 0 6 Ohm m. Mágneses anyagknak nevezzük azkat, amelyeket mágneses térbe helyezve a teret kisebb vagy nagybb mértékben megváltztatják. A mágneses anyagkban a külső tér beflyáslásának mértéke több nagyságrenddel nagybb, mint más anyagk esetében. Néhány anyag fajlags ellenállásának értéke: fémek: ρ Ag (ezüst) =,58 0-4 Ω m; ρ Cu (réz) =,75 0-4 Ω m; ρ Ni-Cr (nikkel-króm) =,08 0-6 Ω m. félvezetők: ρ CdS (kadmium szulfid) = 0-3 0 Ω m; ρ Ge (germánium) = 0-6 4,7 0 - Ω m. dielektrikumk: ρ (csillám) = 0 0 4 Ω m; ρ (üveg) = 0 6 0 3 Ω m. A megadtt példákból észrevehető, hgy a különböző anyagcsprtk fajlags ellenállásai fedhetik egymást. Ezért az anyagkat egyértelműen nem csprtsíthatjuk a fajlags ellenállás értékek alapján. Segítségünkre lehet a fajlags ellenállás (vezetőképesség) hőmérsékleti függése, ami különböző a fémek és félvezetők esetében. A fémeknél a ρ értéke növekszik a T abszlút hőmérséklet növekedésével: ρ ρ T = ρ = T 0 ( + α t), 0 T ahl ρ 0 a fém fajlags ellenállása 0 C-nál, α a fém hőfktényezője, t hőmérséklet ( C-ben), T 0 = 73 K. 0 A félvezetőknél a ρ értékének hőmérsékleti függése más, minta fémeknél: β ρt = ρ0 exp, T ahl β egy biznys hőmérsékleti tartmányban egy állandó, amely minden egyes félvezető anyagnál egy jellemző érték. 6
Legyen δ a fajlags ellenállás hőmérsékleti tényezője: ρ ρ ρ δ = =. T T T A fémeknél δ >0, a félvezetőknél pedig δ <0. A δ előjele ugyancsak nem lehet az anyagk csprtsításának meghatárzó kritériuma, mert egy félvezető biznys hőmérsékleti tartmányban hasnlóképpen viselkedhet, mint egy fém. A villams tér hatására a szigetelőanyagk mlekuláiban a pzitív és negatív töltések súlypntja szétválik és az így kialakult dipólusmlekulák beállnak a villams tér irányába. Ezt a jelenséget dielektrms plarizációnak nevezzük. dielektrikum = szigetelőanyag Váltakzó irányú villams térben a szigetelőanyag mlekulái átplarizálódnak: a villams tér irányának váltzásakr átfrdulnak. Az átplarizálódás hőfejlődéssel, energiaveszteséggel jár, melyet dielektrms veszteségnek nevezünk. Ez a jelenség felhasználható szigetelőanyagk hevítésére. Az átütési szilárdság: E kr [ kv/cm ] Ha a szigetelő anyagkban növeljük a térerősséget, a mlekuláik plarizációja egyre nagybb mértékű. Egy, a szigetelőanyagra jellemző térerősségnél a mlekulákról elektrnk szakadnak le, így a szigetelőanyagban szabad töltéshrdzók keletkeznek. Ezt a lavinaszerűen bekövetkező jelenség az átütés, aminek következtében a legtöbb szigetelő anyag tönkremegy. Azt a kritikus térerősséget, amelynél a szigetelőanyag átütése bekövetkezik, átütési szilárdságnak nevezzük. (Levegő esetén: E kr = kv/cm) Elektrlit: sók, savak, bázisk (lúgk) vizes ldata vagy lvadéka. Elektrlitikus disszciáció: a mlekulák szétválása az elektrlitban pzitív és negatív inkra. Ha az elektrlitba két szilárd vezetőt helyezünk be és rájuk feszültséget kapcslunk az áramkörben villams áram flyik. Az elektrlitban az ink váltztathatják helyüket: az elektrlitk vezetik a villams áramt. Az elektrlitkban feszültség hatására a pzitív ink (katink) a negatív elektródhz (katódhz) vándrlnak és tt elektrnkat vesznek fel, míg a negatív ink (anink) a pzitív elektródhz (anódhz) vándrlnak és tt elektrnkat adnak le. Az ink az elektródáknál semleges atmcsprtkká alakulnak és kiválnak az ldatból. Elektrlízis: a villams áram elektrlitn való áthaladása srán lejátszódó, anyagkiválással járó vegyi flyamat. 7
Példa elektrlízisre: Műszaki alkalmazása: galvanizálás (galvansztégia, galvanplasztika); elxálás; nagytisztaságú fémek előállítása; alumíniumgyártás. Ha két különböző fémet (vagy fémet és szenet) lyan elektrlitba mártunk, amelyben legalább az egyik fém ldódik, energiafrrást kapunk, amelyet galvánelemnek nevezünk. Az elektrlitba merülő két fémet (illetve fémet és szenet) elektródknak nevezzük, köztük feszültség mérhető. A pzitív elektród neve: anód. A negatív elektród neve: katód. A galvánelemek kémiai energiát alakítanak át villams energiává. Működésük srán az U f frrásfeszültséggel ellentétes plarizációs feszültség keletkezik: nő az R t belső ellenállás, csökken az U k kapcsfeszültség. A plarizációs feszültség csökkentésére deplarizátrt alkalmaznak. a) Vlta elem b) Leclanché elem (a mai száraz elem őse) U f =, V Anód: réz Katód: cink Elektrlit: higíttt kénsav Deplarizátr: nincs U f =,5 V Anód: szén Katód: cink Elektrlit: szalmiáksóldat Deplarizátr: barnakőpr Működésük az elektrkémiai flyamatk megfrdíthatóságán alapszik. Töltéskr az akkumulátrba bevezetett villams energia kémiai energiává alakul és így tárlódik. Kisütéskr (az akkumulátrra fgyasztót kapcslva) a tárlt kémiai energia visszaalakul villams energiává. Fajtái: savas- és lúgs akkumulátrk. a) Savas akkumulátr (ólmakkumulátr) U f V / cella Anód: ólmdixid Katód: ólm Elektrlit: higíttt kénsav A savas akkumulátrk belső ellenállása: R b = 0,0 0,00 Ω A rövidzárásra érzékeny. 8
b) Lúgs akkumulátr vas-nikkel (FeNi) akkumulátr U f, V / cella Anód: nikkelhidrxid Katód: vas Elektrlit: kálilúg Amperóra (Ah) kapacitás: az az Ah-ban mért töltésmennyiség, amely a teljesen feltöltött akkumulátrból a megengedett legkisebb feszültségig kisütve kivehető. Wattóra (Wh) kapacitás: az a Wh-ban mért villams energia, amely a teljesen feltöltődött akkumulátrból a megengedett legkisebb feszültségig kisütve kivehető. Névleges töltőáram: a 0 órás kisütéshez tartzó áram. Amperóra hatásfk: η Ah = Wattóra hatásfk: η Wh W = W visszanyert bevezett visszanyert bevezett 00 00 (%) (%) Jellemzők Mechanikai igénybevételre Nagy töltő- és kisütő áramra Rövidzárlatra Kisüthető Kisütés után Elektrlit cseréje Cellafeszültsége Ah hatásfk Wh hatásfk Ára Savas érzékeny,83 V-ig mielőbb tölteni ritkán V 85-95 % 70-80 % lcsóbb Lúgs érzékeny,0 V-ig skáig tárlható -,5 évenként, V 70-80 % 50-60 % drágább Figyelmeztetés! A kénsav és kálilúg veszélyes, maró anyag! Savas akkumulátrk töltésekr hidrgén fejlődik, amely rbbanásveszélyes! Akkumulátrk alkalmazása: szükség- és vészvilágításhz; híradástechnikai berendezésekhez; gépjárművekhez; védelmi berendezésekhez. A töltés feltétele: U k > U a ellen- vagy szembekapcslás 9
A levegő és más gázk nrmális körülmények között jó szigetelők. a) hő-, radiaktív-, vagy röntgensugarak hatására a gázk vezetővé válnak, mert a semleges gázmlekulák inkra és elektrnkra bmlanak (inizáció). A vezetés csak addig tart, amíg a külső inizáló hatás fennáll. (Önállótlan vezetés.) b) Meghatárztt (gyújtási) feszültségértékektől kezdve a töltéshrdzók annyira felgyrsulnak, hgy a semleges gázmlekulákkal ütközve elektrnkat ütnek ki belőlük és így inkat és elektrnkat hznak létre (ütközési inizáció). Ezek megint újabb mlekulákkal inizálnak és így tvább. A töltéshrdzók száma lavinaszerűen nő. (Önálló vagy önfenntartó vezetés.) Nagy feszültség esetén, ritkíttt gáztérben a nymástól függő fényjelenség mellett jön létre a vezetés. Kb. Pa-nál kisebb nymásn, a csőben fényjelenség nincsen. A katód felületéről katódsugarak (elektrnk) indulnak ki. Azkat a berendezéseket, amelyek két egymástól szigetelőanyaggal elválaszttt vezetőből állnak, kndenzátrnak nevezzük. A kndenzátr rajzjele: Kndenzátr kapacitása általában: C = U A síkkndenzátr felépítése: A szembenálló vezetőket fegyverzeteknek nevezzük. A : egy fegyverzet hatáss felülete; d : a fegyverzetek közötti távlság; ε = ε ε r : dielektrms állandó (a fegyverzetek között lévő szigetelőanyagra jellemző érték) 0
A síkkndenzátr kapacitása egyenesen aránys a fegyverzetek közötti szigetelőanyag dielektrms állandójával valamint a fegyverzetek egymással szembenálló felületével, és frdítttan aránys a köztük lévő távlsággal: A dielektrms állandó: ε (epsziln) [ F/m ] A dielektrms állandó a szigetelőanyagk egyik, villams szempntjából jellemző állandója. ε = ε r ε A C = ε r ε d [ F ] ε : (abszlút) dielektrms állandó [ F/m ] ε : a vákuum dielektrms állandója [ F/m ] ε r : relatív dielektrms állandó (a szigetelőanyagnak a vákuuméhz visznyíttt dielektrms állandója) ε r >. Levegő esetén: ε r. A vákuum dielektrms állandója: ε = 4π 9 0 9 9 A s 0 A s = V m 36π V m A Culmb törvény: F = k r ε 8,854 0 - F/m ε r meghatárzása kndenzátr kapacitásának mérésével. ε = r C C C : kapacitás a vizsgált szigetelőanyag esetén; C : kapacitás vákuum esetén. k arányssági tényező: Vákuum esetén: k k = 4π ε r ε = = 9 0 4π ε 9 V m A s A Culmb törvény teljes alakja: F = 4π ε ε r r és az eredő kapacitás számítása: Párhuzamsan kapcslt kndenzátrkn azns a feszültség. F = ε ε r 4π r 4πr : a gömb felszíne, mivel az erőhatás gömbszimmetrikus.
és az eredő kapacitás számítása: A töltésmennyiségek összegződnek: e = + + 3 C e U = C U + C U + C 3 U és az eredő kapacitás számítása: Ha a srsan kapcslt kndenzátrkra U feszültséget kapcslunk, a feszültség hatására ezek feltöltődnek (= e = = = 3 töltésre) és kapcsaik között U, U, U 3 feszültség jelenik meg. U-val egyszerűsítve: C e = C + C + [ F ] C3 n darab azns C kapacitás párhuzams eredője: C e = nc és az eredő kapacitás számítása: A feszültségek összegződnek: U e = U + + U U 3 és az eredő kapacitás számítása: -val egyszerűsítve: [ F ] = + + C e C C C 3 Ce = C + C + C3 n darab azns C kapacitás párhuzams eredője: C C e = n és az eredő kapacitás számítása: Vegyes kapcslás: srsan és párhuzamsan kapcslt részeket egyaránt tartalmaz. Vegyes kapcslás esetén az eredőt úgy számítjuk ki, hgy a srs és a párhuzams eredő számítási szabályait alkalmazva a kapcslást lépésről-lépésre mind egyszerűbb alakra hzzuk. és az eredő kapacitás számítása: MINTAFELADAT:
és az eredő kapacitás számítása: MINTAFELADAT: és az eredő kapacitás számítása: MINTAFELADAT: C p = + 4 = 6 nf 6 Ce = = 4 nf + 6 és az eredő kapacitás számítása: MINTAFELADAT: C p = + + 3 = 6 pf 6 3 Cs = = pf 6 + 3 Cs = = pf + Ce = = 0.5 pf + A kndenzátr töltésekr az energiafrrás töltést szállít a kndenzátr fegyverzeteire: a kndenzátr energiát tárl. (Kisütéskr a tárlt energiát visszaszlgáltatja.). A kndenzátrban felhalmztt energia: W = U = CU [ W s ]; [ J ] 3