az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára

FIZIKA az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára

doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc. Mgr. Ľubica Morková

Szerzők – Autori © doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc., Mgr. Ľubica Morková Lektorálták – Lektorovali: Mgr. Zuzana Klaudíniová, Mgr. Mária Oravcová, doc. RNDr. František Kundracik, CSc. Az illusztrációk szerzői – Autori ilustrácií © Mgr. Zuzana Lapitková, doc. RNDr. Václav Koubek, CSc., RNDr. Peter Kohaut Fordította – Prekladateľ © Mgr. Lacza Tihamér „Jóváhagyta a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány- és Kutatásügyi és Sportminisztériuma 2012. szeptember 24-én a 2012-15017/42141:4-919 szám alatt, mint fizika tankönyvet az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára. A jóváhagyási záradék 5 évig érvényes.” Schválilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky pod č. 2012-15017/42141:4-919 zo dňa 24. septembra 2012 ako učebnicu fyziky pre 9. ročník základnej školy a 4. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. Schvaľovacia doložka má platnosť 5 rokov. Minden jog fenntartva. A könyv vagy bármely része nem használható fel, nem reprodukálható, nem terjeszthető semmilyen módon, akár mechanikus, fotografikus vagy elektronikus eszközökkel nyomtatott formában, fotokópiaként, illetve információs rendszer útján stb. a kiadó előzetes írásos beleegyezése nélkül. Všetky práva vyhradené. Žiadna časť tejto knihy nesmie byť použitá, reprodukovaná ani šírená akýmkoľvek spôsobom a prostriedkami, či už mechanickými, fotografickými alebo elektronickými a to vo forme tlačenej, fotokópií či záznamov, alebo prostredníctvom informačného systému a pod. bez predchádzajúceho písomného súhlasu vydavateľa. Első kiadás – Prvé vydanie, 2012 ISBN 978-80-8091-277-2

Hogyan tájékozódjunk gyorsan a tankönyvben?

Kísérlet Feladat

Oldd meg a faladatokat Fontos kifejezések

Házi felkészülés a tanítási órára Projekt

Összefoglaló tananyag

Megjegyzés:

Tudod-e, hogy… Az információk összegyűjtésére és feldolgozására irányuló feladatok Kiegészítő tananyag A tankönyvhöz az interneten a következő helyeken találhatók elektronikus anyagok http://www.expolpedagogika.sk vagy http://www.fyzikus.fmph.uniba.sk

4

TARTALOM

Mit fogunk tanulni ....................................................................................................................................................... 6 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI ...................................................... 8 Az anyagok mágneses tulajdonságai ............................................................................................ 8 1.1. Vizsgáljuk az anyagok mágneses tulajdonságait ..................................................................................... 8 1.2. Hogyan készítsünk mágnest .......................................................................................................................... 11 1.3. A Föld mint mágnes .......................................................................................................................................... 14 Az anyagok elektromos tulajdonságai ........................................................................................ 17 1.4. Vizsgáljuk az anyagok elektromos tulajdonságait. Az elektromos töltés ...................................... 17 1.5. Az elektromos töltés átvitele. Elektroszkóp ............................................................................................. 22 1.6. Elektromos mező. Testek elektromos mezőben ..................................................................................... 25 1. projekt ........................................................................................................................................ 30 Amit megtanultunk................................................................................................................................................... 30 1. teszt – feleltesd le önmagadat ........................................................................................................................... 32

II. ELEKTROMOS ÁRAM ...................................................................................................................... 34 Elektromos áram vezetése fémvezetőkben ................................................................................ 34 2.1. Elektromos áramkör. Elektromos vezetők és szigetelők ...................................................................... 35 2.2. Elektromos áram fémvezetőben. Az áram hőhatása ............................................................................ 39 2.3. Elektromos áramerősség mint fizikai mennyiség. Az áramerősség mérése ................................. 42 2.4. Elektromos erők és elektromos mező a vezetőben ............................................................................... 45 2.5. Elektromos feszültség. A feszültség mérése ............................................................................................ 47 2.6. Ohm törvénye. A vezető elektromos ellenállása .................................................................................... 50 2.7. Az elektromos ellenállás függése a vezető tulajdonságaitól ............................................................. 54 2.8. Változó ellenállású rezisztor ........................................................................................................................... 57 Amit megtanultunk................................................................................................................................................... 61

5

2. teszt – feleltesd le önmagadat.................................................................................................. 63 2.9. A fogyasztók soros kapcsolása az elektromos áramkörben ............................................................. 65 2.10. A fogyasztók párhuzamos kapcsolása az elektromos áramkörben .............................................. 67 2.11. Elektromos munka. Elektromos bemenő teljesítmény...................................................................... 71 2.12. Mágneses mező az árammal átjárt vezető körül. Az árammal átjárt tekercs mágneses mezeje ........................................................................................ 74 2.13. Elektromágnes és alkalmazása .................................................................................................................. 77 Amit megtanultunk................................................................................................................................................... 82 3. teszt – feleltesd le önmagadat ................................................................................................. 84 Elektromos áram vezetése folyadékokban és gázokban ........................................................... 85 2.14. Elektromos áram vezetése folyadékokban. Elektrolízis és hasznosítása ..................................... 85 2.15. Kémiai áramforrások ...................................................................................................................................... 88 2.16. Elektromos áram vezetése gázokban ...................................................................................................... 91 2.17. Az elektromos áram hatása az emberi szervezetre. Biztonság az elektromos berendezésekkel végzett munka közben ....................................................... 93 Elektromos energia és átalakulásai ............................................................................................. 96 2. projekt ...................................................................................................................................... 100 Amit megtanultunk................................................................................................................................................. 101 4. teszt – feleltesd le önmagadat................................................................................................ 103

6

Mit fogunk tanulni Ebben a tanévben az anyagok elektromos és mágneses tulajdonságait, valamint az elektromos árammal összefüggő jelenségeket fogjuk vizsgálni a szilárd, a cseppfolyós és a gáznemű anyagokban. Az elektromos jelenségekkel kapcsolatos legkorábbi beszámoló Milétoszi Thalész görög filozófustól származik, aki i. e. a 6. században élt. A borostyánkövet dörzsölve, amely egy megszilárdult természetes gyanta és különböző tárgyak készíthetők belőle, azt látjuk, hogy apró testeket vonz magához. A borostyánkőből készült szerszám a len fonásánál használt berendezés része volt. Munka közben a szerszám súrlódott és mindenféle apró anyagmaradványokat: szalma- és lenszáltörmelékeket vonzott magához, miközben a lenfonalak taszították egymást. Ezeket az ókori megfigyeléseket az elektron kifejezés őrizte meg, ami a borostyánkő görög neve. Később, 1600 táján William Gilbert angol orvos ismét leírta ezt a jelenséget, és ezzel ösztönzést adott a további kutatásokhoz. A görögök azt is megfigyelték, hogy bizonyos természetes „kövek”, pl. a magneborostyánkő tit nevű ásvány, vonzzák a vastárgyakat. Ez volt az elektromos és mágneses jelenségekkel foglalkozó tudomány kezdete. Később az ún. Oersted kísérlet során (1820-ban) kiderült, hogy ez a két jelenség összefügg egymással. A dán Hans Oersted (örszted) megfigyelte, hogy a vezetőben haladó áram kitéríti az iránytű mágnestűjét. Ez a történelmi kísérlet megtalálható a tankönyvben is. A tudományos kutatás új területével, az elektromágnességgel számos ország tudósai foglalkoznak és sok új műszaki találmány alapját képezi. A bevezetőnek szánt két egyszerű kísérlet összefügg a tankönyvben feldolgozott fizikai ismeretekkel. Végezzétek el a kísérleteket és gondolkodjatok el a lefolyásukon. mágnesvaskő

1. kísérlet Figyeljétek meg és magyarázzátok meg a fonalra függesztett golyócska viselkedését, ha elektromosan töltött vonalzóval közelítünk felé. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 6 x 2 cm-es alufólia, hosszú műanyagvonalzó, 30–35 cm hosszú fonal, olló, Bunsen-állvány (főzőpohár), grafitceruza, papír zsebkendő Végrehajtás: a) A 6 × 2 cm nagyságú alufóliából készítsetek egy kis golyót és erősítsetek rá egy fonalat. b) A fonal másik végén alakítsatok ki egy hurkot, hogy a golyócskát fel tudjátok akasztani a ceruzára. c) A ceruzát erősítsétek az állványra vagy fektessétek keresztbe egy magasabb főzőpoháron úgy, hogy a golyócska szabadon függjön. d) Papír zsebkendővel dörzsöljétek meg a műanyagvonalzót, majd közelítsétek a golyócskához.

1. ábra A golyócskával és az elektromosan feltöltött vonalzóval végzett kísérlet eszközei

7

Válaszolj: 1. Hogyan viselkedett a golyócska, amikor az elektromosan feltöltött vonalzóval közelítettél hozzá? 2. A megfigyelés során csak egy jelenséget észleltetek vagy volt több is? 3. Hogyan magyarázod az egyes megfigyeléseket?

2. kísérlet Egy laposelemből és egy kis izzóból állíts össze elektromos áramkört, hogy az izzó világítson. Eszközök: laposelem (telep, 4,5 V),), kis izzó

2. ábra A teleppel és az izzóval végzett kísérlet eszközei

Válaszolj: 1. Írd le, hogyan kell az izzót a telephez csatlakoztatni, hogy meggyulladjon. 2. Rajzold le, hogyan képzeled el az elektromos áram áthaladását az izzón. 3. Mi az oka, hogy az izzó akkor gyullad meg, amikor helyesen csatlakoztatjuk a telephez? Ha a golyócskával végzett kísérletnél ilyen kifejezéseket használtál, mint elektromos töltés, vonzó vagy taszító erő, a tapasztalatodra épülő magyarázatod nagyon közel volt a szakmai magyarázathoz. A második kísérlet, az izzó kigyulladása és a világítás magyarázata valakinek nagyon egyszerű lehet, de vannak felnőttek is, akik nem képesek az izzót helyesen csatlakoztatni a telephez. A megfelelő magyarázathoz legalább az elektromos áramkör, az izzó és a telep elemeit ismerni kell. p szerkezetének legfontosabb g

8

I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI Az anyagok mágneses tulajdonságai A mágneseket és a mágneses anyagokat mindennapjainkban széles körben alkalmazzák. Hasznosítják őket az elektronikai iparban (pl. számítógépek merevlemezei, a hitelkártyák mágneses vonalai), amely a mágneses anyagok tulajdonságainak ismerete nélkül nem létezne. Bizonyára találkoztatok már az iránytűvel, a tájolóval vagy a tárgyak egyszerű mágneses rögzítésével. Az iskolában valószínűleg mágneses táblát használtok.

A mindennapi életben gyakran használnak elektromágneseket is. Példaként a mágnes vasutat vagy a rejtett betegségek feltárására szolgáló képalkotó orvos-diagnosztikai berendezéseket (mágneses magrezonancia készülék) stb. említhetjük. Ezek a mágnesség jelenségének korszerű magyarázatán alapuló berendezések.

1.1. Vizsgáljuk az anyagok mágneses tulajdonságait Az ókorban a magnetit (mágnesvaskő) ásvány csak szórakozásra szolgált, pl. bizonyos fémtárgyak vonzására. A mágnesvaskő természetes mágnes. Ma már mesterséges mágneseket készítenek (acélból vagy speciális ötvözetekből) vagy akár elektromágneseket is, amelyekről bővebben szó lesz az elektromos árammal foglalkozó fejezeben. A következő feladatban lehetőségetek lesz megvizsgálni a rúdmágnes tulajdonságait. Az iskolai eszközként használt rúdmágnes egyik végét – a mágnes egyik pólusát (sarkát) – pirosra festik, a másik végét (pólusát, sarkát) pedig kékre.

I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI

9

Kísérlet A kísérletek alapján jellemezzétek két rúdmágnes kölcsönös viselkedését. Írjátok le a rúdmágnes tulajdonságait és viselkedését a különböző anyagú tárgyakkal szemben. (Dolgozzatok csoportokban.) lajdo Eszközök: 2 rúdmágnes, acél szögecskék (acélreszelékek, kis mágnesek vagy apró tárgyak) és a feladat végrehajtásához szükséges egyéb eszközök belátásotok szerint Javaslatok további eszközökre:

Végrehajtás: a) Javasoljatok és végezzetek el kísérleteket két rúdmágnessel úgy, hogy megválaszolhassátok a feladat kérdéseit. b) Hajtsatok végre kísérleteket kis acéltárgyakkal és mágnessel. c) Javasoljatok kísérleteket, amelyek alapján következtetéseket tudtok levonni a mágnes és a különböző tárgyak közötti viselkedésről. d) Prezentáljátok megállapításaitok eredményét a kísérletekkel együtt az osztály előtt, majd közösen állítsátok össze a mágnes tulajdonságainak a jegyzékét. Válaszolj: 1. Hogyan viselkednek egymással szemben a mágnesek ellenkező színű – ellentétes pólusai? 2. Hogyan viselkednek egymással szemben a mágnesek azonos színű – megegyező pólusai? 3. A mágnes két sarka és a középső része hasonlóan viselkedik, amikor magához vonzza az apró acélszögeket vagy egyéb tárgyakat? 4. Milyen anyagokból készült tárgyakat vonz magához a mágnes, és milyen anyagúakat nem vonz? 5. Milyen közegben nyilvánul meg a mágnes hatása? Az előző feladat célja az volt, hogy megmutassuk a rúdmágnes közismert tulajdonságait. A kísérletek során meggyőződhettetek róla, hogy a mágnes és a vasból, az acélból (valamint a nikkelből, a kobaltból) készült tárgyak között mágneses erő hat. Azokat az anyagokat, amelyekre a mágnes hat, gyűjtőnévvel ferromágneses anyagoknak nevezzük. A mágneses erő láthatóan nem mutatkozik meg (igen gyenge), ha a mágnes közelében olyan anyagok találhatók, mint a műanyagok, a papír, a fa vagy az alumínium, de akár a réz, az ón vagy a sárgaréz is. Ha a kísérletek során a rúdmágnessel a szögekhez (acél iratkapcsokhoz) közelítettetek, megfigyelhettétek, hogy a legtöbb a mágnes sarkaihoz tapadt, ahol az erőhatások a leginkább megnyilvánulnak. A mágnes közepénél egyetlen szögecske sem tapadt meg. A mágnesnek ezt a részét semleges övezetnek nevezik.

10


pólusok

3. ábra Az acél szögecskék megtapadása a rúdmágnesen

A rúdmágnesnek két eltérő pólusa van. Erről meggyőződhettek, ha a mágnest ceruzákra helyezzük és a piros színű sarokhoz a másik mágnes kék színű sarkával közelítünk. Megállapítható, hogy a mágnesek kölcsönösen vonzzák egymást (4.a ábra). Ha a ceruzákra helyezett mágnes valamelyik sarkához egy másik mágnes ugyanolyan színű sarkával közelítünk, a mágnesek kölcsönösen taszítják egymást (4.b ábra)

a

b

4. ábra A rúdmágnesnek eltérő pólusai (sarkai) vannak

A mágnesek pólusai mágneses erővel hatnak egymásra. Az iskolai mágneseken az egyik pólus feltűnő vörös festékkel van megjelölve, ez az északi pólus és N betűvel jelölik (az angol North = észak nyomán). A másik a déli pólus, amelyet S betűvel jelölnek (South = dél). Az egymáshoz közelített mágnesek már egy bizonyos távolságból hatnak egymásra, még azt megelőzően, hogy érintkeznének. Hasonlóan viselkednek a mágnessel szemben a ferromágneses anyagokból készült testek is. Érintkezés nélkül a mágneses erőhatást a mágneses mező közvetíti, amely a mágnesek körül alakul ki. A mágnesek közeledésével a mágneses erőhatás egyre intenzívebb lesz és fordítva, a mágneseket fokozatosan eltávolítva gyengül. Végezzünk el egy kísérletet, amelyben feldaraboljuk a rúdmágnest, akárcsak az iskolai krétát. A mágnest feldarabolva azt várnánk, hogy elválasztjuk egymástól a mágnes pólusait. Meglepetésünkre azonban ez nem következik be. Nem történik meg ez akkor sem, amikor a mágnest igen kis részekre törjük, akár molekulákra, atomokra bontjuk. Minden mágnesdarabnak van északi és déli pólusa.


S S

11

N N

S

N

S

N

S

N

5. ábra Kisebb darabokra osztva a mágnest minden résznek lesz északi és déli pólusa

Minden mágnes nagyszámú kis (elemi) mágnesből áll. Ezek a mágnesben megőrzik az eredeti irányukat. A mágnes feldarabolása után az irányuk nem változik, ezért marad meg az új mágnesdarabok mindkét pólusa.

A mágnesek mágneses erőkkel hatnak egymásra. A mágneses erők lehetnek vonzók és taszítók. A mágneses erők nagysága csökken a mágnestől távolodva. A mágneses erőhatást a mágneses mező közvetíti. A mágneses hatás a legintenzívebb a mágnes pólusainál. Minden mágnesnek van északi (N) és déli (S) pólusa.

Oldd meg a feladatokat 1. Végezd el a kísérletet: Hasonlítsd össze két rúdmágnes erőhatását, amelyek először ellentétes pólusaikkal, majd azonos pólusaikkal fordulnak egymás felé. Eszközök: két rúdmágnes, Bunsen-állvány, szorító, nagyobb mennyiségű acél szögecske (acél iratkapocs) Végrehajtás: a) Helyezz egymás mellé két rúdmágnest ellentétes pólusaikkal szemben és tegyél a közelükbe nagyobb számú acél szögecskét (gemkapcsot). Helyezd őket az ellentétes pólusokhoz. b) Számold meg, hány szögecskét vonzott magához a mágnes. c) Helyezz egymáshoz két rúdmágnest azonos pólusaikkal szemben és tegyél a közelükbe nagyobb mennyiségű acél szögecskét (gemkapcsot). Helyezd őket a mágnes azonos pólusaihoz. d) Számold meg a mágnesekhez tapadt szögecskéket. Válaszolj: 1. Hasonlítsd össze és jellemezd a két rúdmágnessel végzett kísérlet eredményeit. 2. Általánosítsd a kísérlet eredményeit. 2. Állapítsd meg, hogy az elektronikai iparban mire használják az anyagok mágneses tulajdonságait. 2 3. Feladatul kaptad, hogy megmérjed annak az erőnek a nagyságát, amellyel két rúdmágnes ellentétes pólusai vonzzák egymást. Javasolj eszközöket és végezd el a mérést.

1.2. Hogyan készítsünk mágnest Az acélból készült tárgyak, mint a szögek, a kulcsok, a különböző szerszámok, általában nem mágnesesek. Amikor erős mágneses mezőbe helyezzük őket, megállapíthatjuk, hogy mágneseződnek és rúdmágnesként viselkednek.

12


Ha a tárgyak ún. mágnesesen lágy acélból készültek, a mágnest, tehát a mágneses mezőt eltávolítva, megszűnnek mágnesként viselkedni. Ilyenkor ideiglenes mágnesekről beszélünk. Készíthetünk persze tartós mágnest is. Ez esetben egy mágnesesen kemény acélból készült tárgyat kell mágneseznünk. Mi történik az anyagban, amely mágnessé válik? Mielőtt a mágneses mezőbe helyeznénk a tárgyat, az anyagban levő „kis mágnesek” rendezetlenek és a közeli északi és déli pólusok hatásai kölcsönösen kioltják egymást (6.a ábra). Mágneses mezőbe helyezve a tárgyat a kis mágnesek a 6.b ábrán szemléltetett módon rendeződnek el.

a

b 6. ábra A mágnes keletkezésének magyarázata

Az anyagban az elemi mágnesek elrendeződését követően a tárgy középső részében az északi és a déli pólusok hatása kioltja egymást, csak a test végében jelentkezik.

Feladat Állapítsd meg, a tárgyak közül melyek vannak mágnesesen kemény, és melyek mágnesesen lágy acélból. Eszközök: 6–7 cm hosszú acélcsavar, 6–7 cm hosszú varrótű, apró szögek (acél gemkapcsok) Végrehajtás: Hogyan végeznéd el a kísérletet és hogyan értékelnéd ki? Leírunk egy kísérletet, amely lehetővé teszi, hogy közelebbről jellemezzük a mágneses mezőt. Az asztalra helyezünk egy rúdmágnest (7. a ábra) és a mágnesre egy nagyobb üveglapot fektetünk. A lapra durvább acélreszeléket szórunk. Minden részecske – reszelékdarabka mágnessé válik. Az üveglapon a reszelékek a 7.a ábrán látható módon rendeződnek el. A reszelékekből kialakult vonalak rendszere a mágneses mező erőhatását szemlé szemlélteti. mléélteti.

a b c 7. ábra A mágneses mező indukcióvonalainak modellje – az acélreszelék elrendeződése

A reszelékláncból kialakult vonalakat a mágneses mező indukcióvonalainak nevezzük. Hasonló módon acélreszelékekkel szemléltetjük az erőhatást az ellentétes pólusok közeledésekor (7. b ábra). A mágneses mező indukcióvonalai úgy irányulnak, mintha a mágnes egyik pólusából indulnának ki és a másikba érkeznének meg. A mágnes azonos pólusainak közeledésekor (7. c ábra) a mágneses mező indukcióvonalai a mágnesek taszítását szemléltetik.

13


A mágneses mező indukcióvonalait azokkal a görbékkel ábrázolhatjuk, amelyek a mágneses erőhatás irányát szemléltetik a mágneses mezőben. A mágneses mező indukcióvonalai úgy irányulnak, hogy a mágnesen kívül az északi pólusból indulnak ki és belépnek a déli pólusba. A mágnes belsejében az indukcióvonalak a déli pólustól az északi pólus felé irányulnak. Az indukcióvonal zárt görbe. A 7. ábrán bemutatott kísérlet fényképeit peitt vonalak segítségével ábrázoljuk ábráz rázzoljuk (8. a, 8. b és 8. c ábra).

a b c 8. ábra A mágneses mező indukcióvonalainak szemléltetése

Az indukcióvonalakat akár a 7. ábrán, akár a 8. ábrán látható módon acélreszelékkel vagy rajz segítségével szemléltetjük, csak két dimenzióban tehetjük. A mágneses mező azonban a mágnest az egész térben körbeveszi és nincs éles határa. A ferromágneses anyagokból készült testeket mágnesezhetjük, ha mágneses mezőbe helyezzük azokat. Mágnesezéskor az elemi mágnesek elrendeződnek az anyagban. A mágneses mezőt szemléltethetjük – modellezhetjük – a mágneses mező indukcióvonalainak a rendszerével. Az indukcióvonalak szemléltetik a mágnes körüli térben jelentkező mágneses erőhatás irányát.

Oldd meg a feladatokat 1. Az ábrákon az acélszög mágnesezését szemléltettük. Magyarázd meg, mit szemléltet az a, b, c ábra a szög belső szerkezete szempontjából.

a

b

c

2. Van két egyforma nagyságú acélrudad. Az egyiket mágnesezték. Javasolj néhány módszert, hogyan állapítanád meg, hogy melyik rúd mágnesezett. 3. A következő ábrán a rúdmágnes metszetén a két pólus, valamint egy mágnespatkó látható. a) Rajzold le vagy másold le az ábrákat és a mágneses mező indukcióvonalaival szemléltesd a mágneses erőhatás irányát a környezetükben. b) Mi a különbség a mágneses mező indukcióvonalainak kétdimenziós és a mágneses erőhatás reális ábrázolása között a mágnesek körül?

S

N

4. Van egy mágnesezett tűd. A tűzbe tartva izzásig hevül. a) Fogalmazz meg egy hipotézist, vajon a tű a kihűlés után is mágnesezett marad. Indokold meg a hipotézised. b) Állapítsd meg, mit jelent a Curie hőmérséklet a ferromágneses anyagok számára.

14


1.3. A Föld mint mágnes A Föld egy hatalmas mágnes. A Föld körüli mágneses mezőt úgy ábrázolhatjuk, mint egy óriási rúdmágnes mezejét, amely áthalad a bolygó középpontján. Sok ezer, sőt százezer kilométer távolságig terjed. A Föld mágneses mezejében ében mágneses erő hat.

Föld forgástengelye

déli mágneses pólus

északi földrajzi pólus

M déli mágneses pólus

R északi földrajzi pólus S N

R

M

9. ábra A Föld mágneses pólusai, a pólusok megjelölése

A Föld magja jobbára olvadt vasból és nikkelből áll, és a mágneses mezőt elektromos áramok gerjesztik. El kell azonban mondani, hogy a földmágnesség pontos magyarázatát egyelőre nem ismerjük. A földi mágneses mező déli pólusa az Arktisz térségében található, az északi földrajzi pólus közelében. Megjegyzés: A térképeken a Föld mágneses pólusai ellenkező módon vannak jelölve. A déli mágneses pólus északi geomágneses pólusként van jelölve, az északi mágneses pólus pedig déli geomágneses pólusként.

A Föld mágneses mezejének képzeletbeli indukcióvonalai az északi féltekén hatolnak be a Földbe. A déli féltekén viszont épp ellenkezőleg, az Antarktisz térségének kb. arról a pontjáról indulnak ki az indukcióvonalak, amelyet mint északi mágneses pólust jelölünk. A mágneses és a földrajzi pólusok nem ugyanazon a helyen találhatók, ez a 9. ábrán is látható. A Föld mágneses pólusait összekötő vonal – M jelenleg a Föld forgástengelyével – R mintegy 12 fokos szöget zár be. A világtájak meghatározására általában az iránytűt használják, amelynek a legfontosabb része egy kis mágnes (szabadon forog a függőleges tengely körül) és a szögskála, esetleg a szélrózsa. Hasonló berendezés a busszola, amely emellett az azimut vagyis az irányszög alkalmas. A dé dérányszög meghatározására is alkalmas li-északi irány meghatározása iránytűvel vagy a busszolával pontatlan a mágneses és a földrajzi pólusok eltérő helyzete miatt. Napjainkban a tájékozódás már nem függ ezeknek a műszereknek az alkalmazásától. A helyzetünket bárhol a Föld felszínén a GPS műholdas rendszer segítségével nagyon gyorsan meg tudjuk állapítani, amely 24 Föld körül keringő műholdról kapja a jeleket. A Föld mágneses mezejét egyszerű eszközökkel mi is igazolhatjuk, amiről a következő kísérlet végrehajtásával győződhetünk meg.

1. kísérlet Egyszerű eszközökkel győződjetek meg az észak-déli irány meghatározásának elvéről és feltételeiről a Föld felszínén. (Dolgozzatok csoportban.)


15

Eszközök: 6–7 cm-es varrótű, rúdmágnes, kis mágnes, esetleg más eszközök választásotok szerint Javaslatok a kísérlet végrehajtásához:

Végrehajtás: a) Beszéljétek meg a csoportban a kísérlet elvégzésének módját. b) Bizonyítsátok be, hogy a berendezésetek nem határozza meg pontosan az észak-déli irányt, ha a radiátorhoz vagy más fémes berendezéshez közelítitek a tanteremben. c) Az osztály előtt prezentáljátok a megoldásokat és a magyarázatot is. Válaszolj: 1. Milyen fizikai ismereteket hasznosítottál a kísérlet végrehajtásánál? 2. Mivel magyarázod a tényt, hogy az iránytűt vagy a tájolót nem használhatod a világtájak meghatározására acélból készült berendezések közelében? Ahogy fentebb már utaltunk rá, a kis mágnes fontos része az iránytűnek vagy a tájolónak és gyakori eszköze az iskolai fizikai szertáraknak. Tulajdonképpen egy kemény acélból készült rombusz alakú kis mágnesről van szó. A kis mágnes egy éles csúcson van elhelyezve, hogy szabadon foroghasson. Ennek segítségével meghatározhatjuk a mágneses erőhatás irányát, ahogy azt a rúdmágnesen szemléltettük (10. ábra).

10. ábra A mágneses erőhatás irányának meghatározása kis mágnessel

A tudományos kutatások szerint a Föld mágneses mezője már 3,9 milliárd évvel ezelőtt létezett. A Föld mágneses mezője sok ezer kilométeren át szétterül a világűrben.

magnetoszféra

11. ábra A napszél által deformált földi mágneses mező

16


Ez a mező állandóan ki van téve a napszél nyomásának. A napszél főleg pozitív töltésű protonokból és negatív töltésű elektronokból áll, ezeket a Nap löki ki magából. Az ember egészségét ezek a részecskék veszélyeztetik, ezért fontos, hogy a Föld mágneses mezője megakadályozza a behatolásukat a bioszférába. A mágneses mezőre ható nyomás hatására ez a mező deformálódik. A Földnek a Nap felé néző oldalán a mező összenyomódott, a túlsó felén elnyúlt és eközben messzire behatol a bolygóközi térbe (kb. 600 000 km).

A Föld körül mágneses mező van. A déli mágneses pólus az északi földrajzi pólus (északi sark) közelében, míg az északi mágneses pólus a déli földrajzi pólus (déli sark) közelében található. A mágneses és a földrajzi pólusok nem ugyanazon a helyen találhatók. A világtájak (égtájak) meghatározására általában iránytűt vagy tájolót használunk. A Föld mágneses mezője megvéd bennünket a Napból érkező részecskéktől.

Oldd meg a feladatokat 1. Hasonlítsd össze a Föld mágneses mezőjét a rúdmágnes mágneses mezőjével. Állapítsd meg az azonos és az eltérő jegyeket a földmagban található mágnesben és a szertári rúdmágnesben. A feladat megoldásához keress további információkat a földmagban található mágnesről és az átmágneseződéséről.

a Föld forgástengelye

2. Keress információkat: a) Ki próbálkozott meg a múltban az északi mágneses pólus helyének a meghatározásával? b) A Föld mellett vannak más bolygók is, amelyeknek mágneses mezőjük van? c) Kik és mikor kezdték először meghatározni a világtájakat iránytű segítségével? 3. Az ábrán a földgömböt szemléltettük és bejelöltük azokat a helyeket, ahol a kis mágnes helyzetét kell berajzolni. a) Másold le az ábrát és szemléltesd rajta a Föld forgástengelyét és a mágneses tengelyét. b) Tüntesd fel az ábrán a földrajzi és a mágneses pólusokat. c) Rajzold be a mágneses indukcióvonalak haladását a Föld körül. d) A kijelölt körökben kis nyíllal rajzold be a kis mágneseket. A nyílban végződő vonal vége legyen a kis mágnes északi pólusa.

Tudjátok-e, hogy… bizonyos állatok képesek visszatérni eredeti helyükre anélkül, hogy a tájban látható tájékozódási pontokra lenne szükségük? A tájékozódáshoz a mágneses mező nagyságával kapcsolatos információkat hasznosítják. A mágneses mező érzékelésének képességét magnetorecepciónak nevezik. Érdekes, hogy ezzel a képességgel sokféle élőlény rendelkezik, a baktériumoktól kezdve, a puhatestűeken, rovarokon, bizonyos halfajokon, kétéltűeken és madarakon át egészen az emlősökig, mint pl. a cetek. A mágneses mező érzékelésének módjai eltérőek és egyelőre keveset tudunk róluk. Például a galambok koponyájában találtak egy idegekkel átszőtt területet, ahol egy, a mágneses mezőre érzékeny biológiai magnetit található. A magnetit megtalálható a fókák, a delfinek, a bálnák, a teknősök fejében és bizonyos madárfajok nyakizmaiban is. Az emberi orr körüli csontokban is előfordul kevés magnetit, ami talán kis mértékben segíti a tájékozódásunkat.


17

Az anyagok elektromos tulajdonságai Ha műanyag szövetből készült ruhát öltünk magunkra, megfigyelhetjük, hogy a hajunk elektromossá válik, akárcsak fésülködés közben, amikor a hajszálak a fésűhöz tapadnak. Ha a hajunk nedves, akkor ezt a jelenséget nem tapasztaljuk. De a pulóverek sem mindig egyformán gerjesztik villamosan a hajunkat. Ez függ a szövet anyagától és a külső körülményektől. A tankönyv elején olvasható a villamosan gerjesztett borostyánkő megfigyelése, amely apró lenszál darabkákat vonzott magához, és ez ösztönzést adott az elektromos jelenségek megfigyeléséhez. A hajszálak is dörzsöléssel villamosan gerjeszthetők.

A testek villamos gerjesztését különböző módon valósíthatjuk meg. A testeknek ezt az állapotát magával az anyag szerkezetével magyarázhatjuk: az anyag elektromos tulajdonságaival. A mágneses tulajdonságokhoz hasonlóan az anyagok elektromos tulajdonságait is hasznosíthatjuk. Példa erre a másolatok készítése a másológépeken vagy a gépkocsik festése festékporlasztóval. A gépjármű karosszériája és a festékcseppek ellenkező elektromos töltésűek. Ez a technológia jobb minőségű és kíméletesebb festést tesz lehetővé.

1.4. Vizsgáljuk az anyagok elektromos tulajdonságait. Az elektromos töltés Gyakran a dörzsölés során a testek nem kívánatos módon is villamosan gerjesztődnek. Márr említettük a műanyag szálas ruhák vagy a száraz haj és a fésű esetét, sőt a villamos gerjesztés jelenségét a hópelyheken is megfigyelhetjük hóviharban, amikor a hulló hópelyhek a levegőhöz súrlódnak. Előfordultak olyan esetek, amikor a villamos töltés tüzet okozott. A következő kísérletben lehetőségetek nyílik megfigyelni néhány anyag elektromos tulajdonságait. A vizsgálat és az elektromos tulajdonságok leírásának alapjául szolgálhatna a polietilén tasakból levágott két villamosan gerjesztett csík.

Kísérlet A kísérletek alapján jellemezzétek két ugyanolyan anyagú villamosan gerjesztett tárgy kölcsönös viselkedését. Jellemezzétek továbbá a villamosan gerjesztett polietiléncsík viselkedését különböző anyagú tárgyakkal szemben. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 2 polietiléncsík, apró papírszeletkék, fésű, két hosszú vonalzó, 2 felfújt léggömb, fonalra függesztett polisztirol golyócskák, alufóliából készített, fonalra függesztett golyócska, papír zsebkendő és további, magatok javasolta eszközök, amelyekre esetleg szükség lehet a feladat elvégzésénél.

18


Javaslatok további eszközökre:

Végrehajtás: a) Dörzsöléssel villamosan gerjesszetek két azonos anyagú tárgyat (léggömböket, polietilén tasakokat) és figyeljétek meg, hogyan viselkednek egymással szemben. b) Végezzetek kísérletet villamosan gerjesztett polietiléncsíkkal és más anyagokból készült tárgyakkal. A polietiléncsíkot úgy gerjeszthetjük, hogy félbe hajtjuk és ujjainkkal megdörzsöljük. A megfigyeléseket egy táblázatba jegyezzétek fel. c) Nedvesítsétek meg a villamosan gerjesztett polietiléncsíkokat és figyeljétek meg a viselkedésüket. d) Az osztály előtt prezentáljátok megfigyeléseitek eredményeit a kísérletekkel együtt. Készítsetek egy közös jegyzéket a villamosan gerjesztett tárgyak tulajdonágairól. Válaszolj: 1. Hogyan viselkedik egymással szemben két azonos anyagú villamosan gerjesztett tárgy? 2. Hogyan viselkedik a villamosan gerjesztett polietiléncsík más anyagokból készült tárgyakkal szemben? 3. Hogyan viselkedtek a villamosan gerjesztett tárgyak a megnedvesítést követően? 4. Hogyan vélekedsz a megfigyelt jelenségekről? 5. Milyen közegben nyilvánul meg leginkább a villamosan gerjesztett tárgyak hatása a környező tárgyakra? Két villamosan gerjesztett polietiléncsík taszítja egymást, de ha összedörzsölünk egy papírlapot és egy polietilén tasakot, akkor azt látjuk, hogy vonzzák egymást. A testek elektromos állapotát az elektromos töltés idézi elő. Az iménti egyszerű kísérletekből kitűnik, hogy a papír és a polietiléncsík ellentétes elektromos töltésű. A polietiléncsíkok között a villamos gerjesztést követően elektromos erő jelentkezett. A villamosan gerjesztett papír és a polietiléncsík vonzotta egymást, mert szintén elektromos erő lépett fel köztük. A polietiléncsíkokon a dörzsölés nyomán jelentkező töltés negatív töltés (–). A papírlap töltése pozitív töltés (+). Ha tehát ismerjük a polietiléncsík töltéstípusát, ennek alapján meg tudjuk határozni más villamosan gerjesztett testek töltéstípusát is. A polietiléncsíkkal és a papírlappal végzett kísérletből két további következtetés is leszűrhető. Két azonos töltésekkel rendelkező test taszítja egymást (pl. a két polietiléncsík), az ellentétes töltésű testek vonzzák egymást (a papírlap és a polietilén tasak).

19


2. kísérlet Állapítsd meg, hogy a villamosan gerjesztett tárgyakon, pl. a műanyagvonalzón, a léggömbön, az üvegtárgyon vagy más tárgyakon az elektromos töltés pozitív vagy negatív. Használd fel azt a tényt, hogy a villamosan gerjesztett polietiléncsíknak negatív töltése van. (A feladat megoldásának eredményeit jegyezd fel.) A dörzsölés előtt a testek nem mutattak semmilyen elektromos erőhatást a környező tárgyakra. Honnan kerül a töltés a testekre a villamos gerjesztést követően. A magyarázatot az anyagokat alkotó atomokban találjuk. Ismételjük át a kémiaórákon tanultakat az atomok felépítéséről. Tudjuk, hogy minden atom atommagból és elektronburokból áll. Az atommagban pozitív töltésű protonok és elektromos töltéssel nem rendelkező neutronok találhatók. Az atommag körül, az elektronburokban elektronok mozognak, amelyeknek negatív elektromos töltésük van. Az elektronok száma a burokban és a protonok száma az atommagban megegyezik. Az atom külsőleg nem mutat elektromos tulajdonságokat – nincs elektromos töltése. Azt mondjuk, hogy elektromosan semleges állapotú. Az ábrán a szénatom modellje látható, amelynek magjában 6 proton, az elektronburkában pedig 6 elektron található. A legegyszerűbb atom a hidrogénatom. Ez egy protonból és egy elektronból áll. A tudósoknak sikerült megállapítaniuk, hogy a legkisebb, tovább már nem osztható töltés, az elektron töltése (jele: e). Ezt elemi töltésnek tekintjük, mert ennél kisebb önálló töltést még nem láttunk. Az elektron negatív töltése ugyanakkora, mint a proton pozitív töltése, tehát a proton töltése is elemi töltés. A töltés nagysága mérhető, ez fizikai mennyiség és a jele Q. Az elektromos töltés mértékegysége a coulomb (ejtsd: kulomb), jele C. Az elektromos töltés egysége az elektromos áramerősség egységéből van levezetve, erről majd a következő tematikus egységben fogtok tanulni. A coulomb egység bevezetése azért volt szükséges, mert az elemi töltés nagyon kicsi egység lett volna. Az elemi elektromos töltés az egyik legfontosabb fizikai állandó. Méréssel megállapították, hogy 1 C megközelítőleg 6.1018 e. Foglalkoztunk a két villamosan gerjesztett test között fellépő elektromos erőhatással. Az elektromos erő (pontosabban az elektrosztatikus erő) a töltések között hat. Ez végbemehet úgy, hogy a töltések kölcsönösen vonzzák, illetve taszítják egymást. Az erő nagysága meghatározható. Az elektromos erő nagysága egyenesen arányos a töltések nagyságával és fordítottan arányos a köztük levő távolsággal. A mérések alapján ezt a következtetést 1785-ben Charles Augustin Coulomb fogalmazta meg és a pontos kifejezését Coulomb-törvényének nevezzük.

Megjegyzés: A 8. osztály számára készült fizikatankönyvben a gravitációs erővel kapcsolatban találkoztatok egy megállapítással: „A gravitációs erő nagysága, amely két test között hat, összefügg a tömegükkel és a köztük levő távolsággal.” Newton 1666-ban két, m1 és m2 tömegű test között fellépő vonzóerővel kapcsolatban megfogalmazott egy törvényt, amely hasonlónak tűnik, mint a Coulomb-törvény (1785), de jóval korábban. A gravitációs erők azonban csak vonzóerők, míg az elektrosztatikus erők lehetnek vonzók és taszítók is.

az elektronok taszítják egymást

A 12. ábrán szemléltettük a a töltések közötti erőhatást, az 1. táblázatban pedig feltüntettük a részecskéket, a jelölésüket és a töltésük jelölését.

a protonok szintén taszítják egymást 1. táblázat Részecskék, jelölésük és töltésük jelölése

az elektronok és a protonok vonzzák egymást

12. ábra A részecskék között ható erők szemléltetése

Részecske elektron proton neutron

Jelölés e p n

A töltés jelölése −e +e 0

20


Az elektronburokból néhány elektron könnyen kiszabadul és az egyik testről átmegy egy másik testre. Ezért van az egyik testnek elektronhiánya és pozitív töltésű lesz. A másik testen elektronfelesleg keletkezik, és negatív töltésű lesz. A polietiléncsíkokat száraz ujjal dörzsölve az ujjunkon levő elektronok átugrottak a polietiléncsíkokra. A csíkoknak ezáltal elektrontöbbletük lett, negatív töltésre tettek szert. A csíkok és az ujjak szoros érintkezésekor egy kis mennyiségű töltés áthelyeződik, és a testek már nem maradnak semleges állapotban. Ha a testben több az elektron, mint a proton, a test negatív töltésű. Elektronjaikat elvesztve az ujjaknak pozitív töltésük van. A csíkokon a töltés növelhető vagy épp ellenkezőleg, a csíkok más tárggyal érintkezve leadhatják azt. A csíkok azonban gyorsan el is veszíthetik a töltésüket, ha pl. nedves kézzel érintjük meg azokat. A pozitív villamos gerjesztés jellegzetes kísérlete az üvegbot dörzsölése selyemkendővel. A negatív elektromos töltések – az elektronok – az üvegbotról áthelyeződnek a selyemkendőre. Az üvegbot pozitív töltésű, a selyemkendő negatív töltésű lesz. Mindkét villamos gerjesztés esetén a dörzsölésen van a hangsúly. A dörzsölés azért fontos, hogy az anyagok között szorosabb érintkezést érjünk el, és ezáltal növeljük az átvitt elektronok számát is. A dörzsöléskor a töltések átrendeződnek – a töltések az egyik testről áthelyeződnek a másik testre. Így a testek már nem maradnak semleges állapotban. A testek elektromos állapotát az elektromos töltés okozza. Kétféle elektromos töltés létezik: pozitív és negatív. Az azonos és az ellentétes töltések között elektromos erő hat. Az elektromos töltés fizikai mennyiség és a jele Q. Az elektromos töltés egysége: C (coulomb) Kisebb egységeket is használnak: μC (mikrocoulomb) 1 μC = 0,000 001 C Az e elemi elektromos töltés értéke az egyik legfontosabb fizikai állandó.

Oldd meg a feladatokat 1. Az ábrán két üvegbot látható, amelyek azonos töltésűek (a. ábra) és két különböző anyagból készült rúd, amelyek ellenkező töltésűek (b. ábra). Mindkét üvegbotot dörzsöléssel gerjesztették.

a

b

üveg

üveg

üveg ebonit

a) Hogyan fog viselkedni a két üvegbot az a ábrán? b) Hogyan fog viselkedni az üvegbot és az ebonitrúd a b ábrán? c) A rudakat dörzsöléssel gerjesztettük. Magyarázd meg, hogyan sikerült dörzsöléssel villamosan gerjeszteni az üvegbotot és az ebonitrudat. 2. Gyűjts információkat, vagy akár mutasd is be a gyakorlatban, hogy a klasszikus tévéképernyőnek elekt2 romos töltése van. Villamosan gerjesztett polietiléncsík segítségével állapítsd meg, hogy ez pozitív vagy negatív töltés-e.

21


3. Ismétled át a kémiából tanultakat: a) Mitől függnek az elemek kémiai tulajdonságai? b) Az ábrán két elem semleges atomjait szemléltettük (a protonokat piros színnel jelöltük). Igaz az az állítás, hogy az ábrán semleges atomok találhatók? c) Az elemek periódusos táblázata alapján állapítsd meg, mely elemek láthatók az a és a b ábrán. Az ábrákon az atommagok egy síkban vannak lerajzolva, ezért valamenynyi proton és neutron látható bennük. d) A periódusos táblázat alapján állapítsd meg, hány protonja és elektronja van a rézatomnak. a b 4. A test töltése 6 μC és negatív töltésű. Írd le azt az eljárást, amellyel kiszámítanád, hogy a testnek mennyivel több az elektronja mint a protonja.

Tudod-e, hogy… a fénymásolás az ellentétes töltések vonzásának egyszerű elvén működik? A másolás során a toner negatív részecskéit a forgó henger vonzza, ahol a másolandó dokumentum pozitív töltésű képe lett kialakítva. Innen aztán a részecskék átkerülnek az elektromosan töltött papírlapra és erre hőkezelés hatására ráolvadnak. Így jön létre a másolat.

Házi felkészülés a tanítási órára Az elektroszkóp egy olyan berendezés, amellyel megállapítható az elektromos töltés jelenléte a villamosan gerjesztett (feltöltött) testeken. Az elektromos töltések tulajdonságainak a vizsgálatánál lesz rá szükségetek. Az ábrán két, egyszerű eszközökből készített elektroszkóp látható. (A munkacsoportban két azonos típusú elektroszkópra van szükség.) Próbáld ki a berendezésedet úgy, hogy villamosan gerjesztesz egy műanyagvonalzót – a hajadhoz vagy egy papír zsebkendőhöz dörzsölöd, majd hozzáérinted a dugó felett elhelyezett rézdróthoz.

rézdrót alufólia egy palack gyurmával bevont dugója

gyurmából készült golyócska egy meghajlított drót végén

rézdrót polisztirol dugó alufólia csík

két alufólia csík

a palack eltávolított alja

üvegpohár

22


1.5. Az elektromos töltés átvitele. Elektroszkóp Az előző részben az elektromos töltéssel és tulajdonságaival foglalkoztunk. Tudjuk, hogy az elektromos töltés nagysága mérhető. A legkisebb negatív elektromos töltése egy elektronnak van és ugyan ilyen nagyságú, de pozitív elektromos töltése van a protonnak. Eddig csak úgy próbáltuk megállapítani az elektromos állapotot, hogy a testek vonzzák-e, illetve taszítják-e egymást. A testek elektromos állapotának a megállapítására szolgál az elektroszkóp. Az iskolai fizikai laboratóriumban vannak demonstrálás céljából használt fémmutatójú elektroszkópok. Ha ennek a készüléknek skálája is van, akkor elektrométerről beszélünk.

13. ábra A töltés megállapítására és nagyságának összehasonlítására szolgáló elektrométerek

Az elektrométer csak a töltés nagyságának összehasonlítására alkalmas, ezért a skáláján a töltés egysége nincs feltüntetve. Az elektromos töltések tulajdonságainak megvizsgálására elvégzünk néhány kísérletet. Ezeket a kísérleteket a házi felkészülés során szerkesztett elektroszkóppal is végrehajthatjuk, de meggyőzőbb eredményt kapunk az iskolai szertárban található elektroszkóppal vagy elektrométerrel.

1. kísérlet Figyeljétek meg és írjátok le az elektroszkóp lemezeinek (mutatóinak) a viselkedését a villamosan g gerjeszj tett testekkel végzett kísérletekben. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: elektroszkóp (készülhet a házi felkészülés során is), hosszú műanyagvonalzó, üvegbot, selyemkendő (szőrme), polietiléncsík, 30 cm hosszú vékony rézhuzal (az elektroszkóp „kimenetele”), hurkapálca. Végrehajtás: a) Villamosan gerjesszétek a vonalzót a hajatokhoz dörzsölve. A villamosan gerjesztett polietiléncsík segítségével állapítsd meg, milyen a vonalzó töltése, azaz a pozitív vagy a negatív töltések vannak-e többségben. b) Érintsd a villamosan gerjesztett vonalzót a dugóból kiálló rézhuzalhoz. Ismételten villamosan gerjeszd néhányszor a vonalzót és érintsd a rézhuzalhoz. c) Érintsd meg a huzalt az ujjaddal. Készíts feljegyzést a kísérletekről és a megfigyelésekről. d) Selyemkendővel (szőrmével) dörzsölve villamosan gerjeszd az üvegbotot. Villamosan gerjesztett polietiléncsík segítségével állapítsd meg, milyen töltések vannak többségben az üvegboton. e) Lassan közelíts a villamosan gerjesztett üvegbottal a rézhuzalhoz, végül érintsd meg azt. f) Érintsd meg ujjaddal a huzalt. Készíts feljegyzést a kísérletekről és a megfigyelésekről. g) Kösd össze a feltöltött elektroszkópot előbb a fel nem töltött hurkapálcával, majd pedig a rézhuzallal. Készíts feljegyzést a kísérletekről és a megfigyelésekről.


23

Válaszolj: 1. Milyen töltések voltak többségben a villamosan gerjesztett vonalzón és mi igazolja az állításodat? 2. Hogyan viselkedtek az elektroszkóp lemezei, amikor először megérintetted a feltöltött vonalzóval a rézhuzalt és mi történt, amikor többször is megismételted ezt a műveletet? 3. Mivel magyarázod az elektroszkópon bekövetkezett változásokat, amikor ujjaddal megérintetted a rézhuzalt? 4. Milyen töltések voltak többségben a villamosan gerjesztett (feltöltött) üvegboton és mi igazolja az állításodat? 5. Hogyan viselkedtek az elektroszkóp lemezei, amikor villamosan gerjesztett üvegbottal feltöltött rézhuzallal érintetted meg a készüléket? Mivel magyarázod az elektroszkóp lemezeinek a viselkedését? 6. Milyen következtetést vonnál le az elektromos töltések viselkedéséből egy másik elektroszkópra történő átvitelükkor? A műanyagvonalzó a hajhoz dörzsölve negatív töltésekre tett szert. A hajszálakból felszabadult elektronok áthelyeződtek a vonalzóra. A vonalzón elektronfölösleg volt, ezért amikor a feltöltött polietiléncsíkok közé helyeztük, taszította azokat. Amikor a villamosan gerjesztett vonalzó hozzáért az elektroszkóp rézhuzalához (vagy a lemezéhez), a töltések egy része a vonalzóról áthelyeződött az elektroszkóp lemezeire. Mindkét lemezen negatív töltésfelesleg alakult ki, ezért taszították egymást. Amikor az elektroszkóp rézhuzalát ismételten megérintettük a feltöltött vonalzóval, azt láttuk, hogy az elektroszkóp lemezei között nőtt a távolság.

14. ábra A villamosan gerjesztett műanyagvonalzó és a töltésátvitel

Ha megérintjük az elektroszkóp rézhuzalát vagy a lemezeit a kezünkkel, a lemezek vagy az elforduló fémmutató lesüllyednek. Azt mondjuk, hogy az elektroszkóp lemezeit leföldeltük. A negatívan feltöltött lemezeken elektrontöbblet volt. Testünkkel érintve a vezető rézhuzalt az elektronok a cipőnkön át a földbe távoznak. Ezáltal az elektroszkóp lemezei elektromosan semlegesekké válnak. Szőrmével dörzsölve az üvegbotot az pozitívan töltődik fel. Az elektronok egy része felszabadult és a szőrmére helyeződött át. A villamosan gerjesztett üvegbotot a feltöltött polietilénszalagok közé helyezve, azokat maga felé vonzotta. A pozitívan feltöltött üvegbottal megérintve a rézhuzalt (vagy a lemezt) az elektroszkóp rézhuzalának negatív elektronjait az üvegbot magához vonzza és egy részük át is ugrik az üvegbotra. Az egész vezetőrendszerben pozitív töltésfelesleg van. Az elektroszkóp lemezei eltávolodnak egymástól. Az emberi test az elektroszkóp rézdrótjával (lemezeivel) érintkezve az elektronhiány megszűnik és az elektroszkóp lemezei elektromosan semlegesekké válnak.

24


15. ábra A villamosan gerjesztett üvegbot és a töltésátvitel

Két elektroszkóppal elvégzett kísérlet alapján meggyőződhetünk arról, hogy az elektromos töltést átvihetjük az egyik elektroszkópról a másikra. Az átvitel azonban csak akkor megy végbe, ha a két elektroszkópot összekötő tárgy vezeti az elektromos töltéseket.

16. ábra A töltésátvitel két elektrométer között

A fa hurkapálca nem képes átvinni az elektromos töltéseket. A rézhuzal átviszi az elektromos töltéseket.

Az elektroszkóppal állapítjuk meg, hogy a test elektromosan fel van-e töltve. Az elektrométerrel az elektromos töltés nagyságát hasonlítjuk össze. A villamosan gerjesztett testet összekapcsolva a földdel, kezünkkel megérintve elektromosan semlegessé válik. Az elektromosan töltött testet földeltük. Az elektromos töltéseket vezetőkkel vihetjük át a testek között.

Oldd meg a feladatokat 1. Végezd el a kísérletet: Figyeld meg és magyarázd meg két alufóliából és két polisztirolból készült és fonalra függesztett golyócska viselkedését, amikor villamosan gerjesztett vonalzóval érintjük meg ezeket. Eszközök: az eszközök megegyeznek az 1. kísérletben (4. oldal) használtakkal, azzal az eltéréssel, hogy a golyócskákat szorosan egymás mellé függesztjük úgy, hogy érintkezzenek. A fapálcika másik végére két polisztirol golyócskát helyezünk. Végrehajtás: azonos a 9. oldalon található 1. kísérlettel, de azzal az eltéréssel, hogy a feltöltött vonalzóval a két golyócska érintkezésénél a belső oldalról érintjük meg őket. A vonalzót papír zsebkendővel ismételten villamosan feltöltöttük. Válaszolj: 1. Hogyan viselkedtek az alufóliából készült golyócskák, amikor a feltöltött vonalzóval ismételten megérintettük őket? 2. Hogyan viselkednek a polisztirolból készült golyócskák, amikor ismételten megérintettük őket a feltöltött vonalzóval? 3. Hogyan magyarázod a megfigyelt jelenségeket?


25

2. Az elektroszkóp negatív töltésekkel van feltöltve, az elektroszkóp mutatója kitért. Közelítsünk feléje pozitívan feltöltött üvegbottal. Hogyan viselkedik majd a mutató, amikor a feltöltött üvegbot hozzáér az elektroszkóp lemezéhez? Válaszodat indokold meg. 3. A laboratóriumi elektroszkópon, de az egyszerű eszközökből készíthető elektroszkópon is bizonyos részek szigetelő anyagokból készülnek. Állapítsd meg, melyek ezek és miért van erre szükség.

Tudod-e, hogy… a testeket igen könnyen fel lehet tölteni kellő nagyságú töltéssel egy Van de Graaff elnevezésű generátorral? A generátort egy forgatókar elforgatásával töltik fel, miközben két gömb gerjesztődik – ezek elektródok ellentétes töltésekkel. Ha az egyik elektródot összekapcsoljuk az elektroszkóp lemezével, a mutató kitér. A generátor forgatókarjának forgatásával az elektroszkóp töltése növekszik. A töltés a gömbök felszínén tömörül. Az ábrán láthatjuk, hogy megérintve a gömb felszínét, a hajszálak villamosan gerjesztődnek. A kísérleti személynek azonban egy szigetelt alapzaton kell állnia, hogy a töltés ne hatoljon a földbe.

Házi felkészülés a tanítási órára A tanítási órára készíts elő egy bádogdobozt, amelyre alufólia-csíkokat ragasztottál. Az eszköz elkészítéséhez (lásd az ábrát) szükséged lesz egy nagyobb fémdobozra, pl. amelyben korábban savanyú uborka vagy kávé volt, dörzspapírra (smirglire), 12 × 14 cm-es alufóliára, egy vékony huzalra (a hosszát igazítsd a bádogdoboz kerületéhez), szigetelő anyagra, amelyre a bádogdobozt helyezed, egy hosszú vonalzóra, papír zsebkendőre. Végrehajtás: a) Egy üres és száraz bádogdoboz felületét smirglivel jól dörzsöld meg kívül és belül egyaránt. Ugyanúgy dörzsöld végig a bádogdoboz nyílásának a környékét is. Ezzel megszabadítod a bádogdobozt a felszíni szigetelő rétegtől. b) Vágj le 12 × 0,5 cm méretű csíkokat az alufóliából. c) Hajlítsd be a csíkok egyik végét és akaszd fel őket a bádogdoboz nyílásának pereme mentén. d) Egy vékony dróttal rögzítsd a csíkokat a külső kerület mentén. Próbáld ki az eszköz működését úgy, hogy egy szigetelő anyagból (polisztirolból) készült aljzatra helyezed és villamosan gerjesztett vonalzóval megérinted a bádogdobozt.

1.6. Elektromos mező. Testek az elektromos mezőben A mező kifejezéssel, fizikai értelemben már találkoztunk a gravitációs és a mágneses jelenségek leírásánál. Azért emlékeztetünk erre, hogy össze tudjuk hasonlítani ezeket a jelenségeket és megérthessük a megegyező és az eltérő jegyeiket. Leírtuk a gravitációs mezőt, amelyben a Föld gravitációs ereje hat. Nemcsak azokra a testekre hat, amelyek érintkeznek a felszínével, hanem azokra a testekre is, amelyekkel közvetlenül nem érintkezik, pl. az esőcseppekre, a fáról lepottyanó almára, az ejtőernyősre vagy a műholdra. Az erőhatás oka (az egymástól távoli testek esetében is) a gravitációs mező, amelyet minden test kialakít maga körül. A testek egymáshoz közeledve egyre nagyobb gravitációs erőhatást fejtenek ki egymásra és fordítva, távolodva egymástól a gravitációs erőhatás gyengül. A mágnes erővel hat a ferromágneses anyagú testekre. Az érintkezés nélküli mágneses erőhatást a mágneses mező okozza, amely a mágnesek körül alakul ki. Egymáshoz közelítve a mágneseket a mágneses erőhatás intenzívebbé válik és fordítva, ahogy a mágnesek távolodnak egymástól, gyengül az erőhatás. Emlékezzünk a villamosan gerjesztett vonalzóval és a polisztirol golyócskákkal végzett kísérletre.

26


A villamosan gerjesztett vonalzó hatása a golyócskákra már egy bizonyos távolságból is látható volt anélkül, hogy a vonalzóval hozzájuk értünk volna. A villamosan gerjesztett testek más elektromos töltéssel rendelkező testekre elektromos erővel hatnak. Minden villamosan gerjesztett test körül elektromos mező van. A feltöltött testek egymáshoz közeledve egyre intenzívebb elektromos erővel hatnak egymásra és fordítva, távolodva egymástól ez az erőhatás gyengül. A mágneses mező erőhatását acélreszelékkel mutattuk be. A vonalakat, amelyekkel az acélforgácsok elrendeződését szemléltettük, mágneses indukcióvonalaknak neveztük és hangsúlyoztuk, hogy a mágnes erőhatása az egész mágnes körül érvényesül. Hasonlóan modellálható az elektromos mező erőhatása, mégpedig villamosan gerjesztett kör alakú fémlapocskákkal, olajcseppekkel és grízszemcsékkel.

17. ábra Az elektromos mező erővonalainak modellálása a pozitívan és negatívan töltött lemez körül és az erővonalak szemléltetése

A kísérletet a 17. ábrán szemléltetjük. Petri-csészébe kör alakú fémlemezkét (érmét) helyezünk, speciális olajat öntünk rá és óvatosan megszórjuk grízzel. A grízszemcsék a fémlemezke pozitív vagy negatív villamos gerjesztését követően láncokba rendeződnek. A grízszemcsék által kialakított láncok modellálják a pozitív vagy a negatív töltés erőhatását a test körül. Ezeket az elektromos mező erővonalainak (elektromos erővonalaknak) nevezzük. Megállapodás született az erővonalak irányának jelöléséről, amelyek a pozitív töltésből indulnak el és a negatív töltésbe érkeznek meg. Hasonlóképpen modellálhatjuk az elektromos mező erővonalait két ellentétesen, illetve két azonosan villamosan gerjesztett fémlemez (érem) segítségével. (18. ábra).

+

–

+

+

18. ábra Az elektromos mező erővonalainak modellálása két ellentétes töltésű fémlapocska körül és az ellentétes, illetve azonos töltésű testek elektromos erővonalainak szemléltetése

A kísérletet úgy is módosíthatjuk, hogy mindkét fémlapocskát azonos előjelű villamos töltésekkel gerjesztjük. Tudjuk, hogy a fémlapocskák között taszító erő lép fel, és ez az erővonalak alakján is megmutatkozik. Az elektromos mező erővonalai két kellő nagyságú, párhuzamosan elhelyezkedő fémlap között párhuzamosak egymással és merőlegesek a fémlapokra. Az ilyen mezőt homogén elektromos mezőnek nevezzük. +

–

19. ábra A homogén elektromos mező modellálása és szemléltetése két párhuzamos fémlap között


27

Már az előző részekben is végeztünk olyan kísérleteket, amelyekben megfigyelhettük különböző anyagú testek viselkedését az elektromos mezőben. Például a hajszálak vagy a papírszeletkék közeledését a villamosan gerjesztett fésűhöz. Mi történik az elektromos töltésekkel a testekben? Miért vonzzák a feltöltött testek a töltéssel nem rendelkezőket? Végezzünk el néhány kísérletet és vegyük szemügyre a testek viselkedését az elektromos mezőben.

Kísérlet Figyeld meg és magyarázd meg az alufólia-csíkok viselkedését a bádogdobozon, amikor egy villamosan gerjesztett testet helyezünk a doboz belsejébe. Eszközök: bádogdoboz alufólia-csíkokkal, hosszú vonalzó, papír zsebkendő, a bádogdobozhoz alátét Végrehajtás: a) Helyezd a bádogdobozt a szigetelő alátétre, pl. egy polisztirol lapra. Papír zsebkendővel dörzsölve villamosan gerjeszd a vonalzót, majd helyezd a bádogdoboz közepébe, de ne érintsd meg a dobozt. b) Rajzold le a kísérlet sémáját és szemléltesd az elektromos töltés elrendeződését a bádogdobozon a feltöltött vonalzó behelyezése után. Tudjuk, hogy a villamosan gerjesztett vonalzó negatív töltésre tett szert. c) Még egyszer villamosan gerjeszd a vonalzót és helyezd a bádogdobozba. Egyúttal érintsd meg a doboz falát és lassan húzd ki belőle a vonalzót. Válaszolj: 1. Szerinted milyen töltése van a bádogdoboz külső falának és a csíkoknak a feltöltött vonalzó behelyezése után? 2. Mit gondolsz, vajon a bádogdoboz külső és belső falán azonos töltés van? 3. Hogyan viselkednek a csíkok a bádogdoboz külső falával érintkezve? Próbáld megmagyarázni a csíkok viselkedését. 4. Hogyan magyarázod a csíkok viselkedését a vonalzónak a bádogdobozból való kihúzása után? Az előző kísérlet során megfigyelteket az elektroszkópon magyarázzuk meg. A negatív töltésű üvegbotot az elektroszkóp lemezéhez közelítve vagy a feltöltött vonalzóval közelítve a házi készítésű elektroszkóp rézhuzalát az elektroszkóp két fémcsíkja eltávolodik egymástól – szétnyílnak. Az elektroszkóp nem volt villamosan gerjesztett állapotban, mielőtt a vonalzóval közelítettünk felé. Ám amikor az elektromos mezőbe került, az elektroszkóp fémcsíkjain azonnal kimutathatók lettek az azonos töltések. Hangsúlyozni kell, hogy a vonalzóról nem kerültek át elektronok az elektroszkópra. A házi készítésű elektroszkóp fémcsíkjai alumíniumból vannak és a fém szerkezetében szabad elektronok is találhatók. Amíg az elektroszkóp az elektromos mezőn kívül volt, elektromosan semlegesnek mutatkozott. A pozitív és a negatív töltések egyenletesen helyezkedtek el. A negatív töltésű vonalzóval közelítve a műszerhez az elektronok áthelyeződtek az elektroszkóp fémcsíkjaira. A rézhuzal csúcsán pozitív töltésfelesleg alakult ki. Az elektroszkóp egymástól távoli részei ellentétesen töltődnek fel. A villamosan gerjesztett testet eltávolítva megszűnik az elektronokra ható erő és ezért visszatérnek eredeti helyükre. A test ismét eredeti, elektromosan semleges állapotában van. A szabad elektronok elektromos erő hatására történő áthelyeződését elektrosztatikus megosztásnak (influenciának) nevezzük.

20. ábra A töltések megosztása az elektrométereken

28


Elektrosztatikus megosztás történt a bádogdobozzal és a villamosan gerjesztett vonalzóval végrehajtott kísérletben is. A doboz szabad elektronokat tartalmazó fémből van. Amikor elhelyeztünk benne egy elektromosan feltöltött vonalzót, a töltések úgy osztódtak meg, hogy a szabad elektronok elmozdultak a doboz külső falára és az alufólia-csíkokra (21. b ábra). A belső falon a pozitív töltések, a külső falon a negatív töltések voltak túlsúlyban. Kívülről megérintve a bádogdobozt leföldeltük, elvezettük a fölösleges elektronokat és a fémcsíkok összezárultak. A bádogdoboz külső fala és a fémcsíkok elveszítették elektromos töltésüket. Semlegessé váltak. A belső falon viszont megmaradt a pozitív töltéstúlsúly (21. c ábra).

a

b 21. ábra A bádogdobozzal végzett kísérlet magyarázata

c

Érdekes jelenség történt, amikor ezt követően a feltöltött vonalzót kihúztuk a bádogdobozból. A bádogdobozra helyezett fémcsíkok ismét szétnyíltak. A vonalzót eltávolítva az elektronok visszatértek eredeti helyükre, de a földelés miatt az elektronok egy része hiányzott. A bádogdobozban pozitív töltéstúlsúly volt. A fémcsíkoknak és a doboznak pozitív elektromos töltésük volt, ezért ismét taszították egymást. p Más a magyarázata az apró papírszeletkék tapadásának a villamosan gerjesztett fésűn. A papír szigetelőanyag, alig van szabad elektronja. A fésű elektromos mezejében jelentkező erőhatás úgy nyilvánul meg az atomokban vagy a molekulákban, hogy az elektronok és a protonok kölcsönösen elmozdulnak. A részecskék úgy helyezkednek el, hogy a test, pl. a papírszeletke két ellentétes végén elektromos töltés jelentkezik. Ha a fésű negatív töltésű, a papírszeletkéknek a fésűhöz közelebbi végén pozitív töltések lesznek. A papírszeletkék túlsó végén negatív töltések vannak. A grízszemcsék, í ék amellyel modelláltuk az elektromos mező erőhatásának irányát, úgyszintén szigetelő anyag. Minden szemcsében, a papírszeletkéhez hasonlóan, az atomokban elmozdulnak az elektronok és a protonok. A szigetelő anyagból készült testek végein az elektromos mezőben ellentétes töltések keletkeznek. Ezt a szigetelő anyag dielektromos polarizációjának nevezzük az elektromos mezőben. Minden villamosan gerjesztett test körül elektromos mező van. Az elektromos mezőt elektromos erővonalak rendszerével szemléltethetjük. Az erővonalak az elektromos erőhatás irányát mutatják, amely az elektromosan töltött test körül nyilvánul meg. A fémekben, amelyek szabad elektronokat tartalmaznak, az elektromos mező hatására elmozdulnak a töltések. Ezt a jelenséget elektrosztatikus megosztásnak (influenciának) nevezzük. A szigetelőkben az elektromos mező hatására a töltések magában az atomban mozdulnak. Ezt a szigetelő dielektromos polarizációjának nevezzük.

Oldd meg a feladatokat 1. Az ábrán egy elektromosan feltöltött üvegbottal közelítünk az elektroszkóp pozitív töltésű lemezéhez. a) Magyarázd meg, hogy a töltések miért úgy osztódtak meg, ahogyan az az ábrán látható. b) El kellene érned, hogy az elektroszkóp mutatója azután is elmozduljon, hogy eltávolítottad az elektromosan töltött üvegbotot. Magyarázd meg a javaslatodat. 2. Az ábrán egy bádogdoboz látható, amelyen szétnyílt fémcsíkok vannak, mivel a fényképezés előtt kísérleteket végeztek vele.


29

a) Fogalmazz meg egy hipotézist, milyen kísérletekkel lehetne elérni, hogy a fémcsíkok továbbra is szétnyíljanak a bádogdobozon. Vizsgáld meg a hipotézisedet. b) Hogyan éred el, hogy a fémcsíkok ismét szorosan illeszkedjenek a bádogdobozhoz? Vizsgáld meg a hipotézisedet. 3. Gyűjts információkat és készíts egy beszámolót arról, hogyan működik az apró hamuszemcséket összegyűj3 tő elektromos szűrő pl. a környezetszennyező hőerőművekben. 4. Töltsd ki a mondatokat, hogy fizikai szempontból helyesek legyenek. a) Minden test körül ..................................... mező van. b) A mágnes körül .................................... mező van. c) A villamosan gerjesztett test körül .................................... mező van. d) Két test .................................... erővel hat egymásra, amellyel kölcsönösen .................................... egymást. e) Két elektromosan töltött test ...................................... erővel hat egymásra, amellyel ...................................... vagy ...................................... egymást. f) Két mágnes ..................................................... erővel hat egymásra, amellyel vagy......................................................, vagy .................................... egymást. 5. A pozitív és a negatív töltésű lemezek között homogén elektromos mező van. A lemezek között apró negatív töltésű olajgolyócska van, amely nem mozog. A rá ható erők egyensúlyban vannak. A golyócska tömege 0,001 g. a) Mekkora gravitációs erő hat a golyócskára? b) Merre irányulnak a lemezek (a földfelszínhez viszonyítva)? c) Milyen nagy elektromos erő hat a golyócskára?

Fontos kifejezések Magyarázd meg a táblázat mindkét oszlopában található fizikai kifejezéseket. A baloldali oszlopban levő kifejezésekhez rendelj a jobb oszlopból kifejezéseket, hogy jelentésük fizikai szempontból igaz legyen.

mágnes

mágneses mező

mágneses erő

elektromos töltés

elektromos mező

elektromos erő

a mágneses mező indukcióvonalai ferromágneses anyagok vonzó erő taszító erő coulomb villamosan gerjesztett test kis mágnes az elektromos mező erővonalai az anyag mágnesezése elektrosztatikus megosztás északi pólus negatív elektromos töltés a Föld mágneses mezője az elektromos töltés átvitele déli pólus molekuláris mágnesek pozitív elektromos töltés elektroszkóp szigetelő dielektromos polarizációja homogén elektromos mező elemi elektromos töltés

30


1. projekt Kísér az elektromos vagy a mágneses jelenségek köréből Kísérlet Egyszerű eszközökből szerkesztett iránytű vagy elektrométer A közhiedelem szerint a kínaiak voltak az elsők, akik a terepen való tájékozódásra mágnest használták. Fennmaradt egy 4600 ével ezelőtti történet, amikor a kínai seregek a homokviharban egy (valószínűleg mágnesvasércből készült) szobrocskának köszönhetően találták meg a helyes irányt, amely kinyújtott karjával dél felé mutatott. A villamosan gerjesztett testekkel, konkrétan az emberi testtel, valamint az elektromos kisülésekkel végzett első kísérletekről 1774-ből vannak feljegyzések. Köztudott, hogy a mágneses és az elektromos jelenségekkel kapcsolatos ismereteink a legrégebbiek közé tartoznak. A tankönyvben bemutatott kísérletek mindenekelőtt az alapfogalmak bevezetésére szolgáltak. Távolról sem merítettük ki az összes egyszerű és érdekes kísérletet a tárgyalt témák kapcsán. Épp ezért egy projekt keretében előkészíthettek, bemutathattok, de meg is magyarázhattok olyan kísérleteket, amelyeket a szakirodalomban, az interneten stb. találtatok. A projektek témái 1. Javasolni egy kísérletet, amelynek elvégzéséhez egyszerű eszközök kellenek, és amely az anyagok mágneses tulajdonságait szemléltetné. Bemutatni és elmagyarázni a kísérletet az osztály előtt. 2. Javasolni egy kísérletet, amelynek elvégzéséhez egyszerű eszközök is elegendőek, és amely az anyagok elektromos tulajdonságait demonstrálná. Bemutatni és elmagyarázni a kísérletet az osztály előtt. 3. Egyszerű tárgyakból megszerkeszteni egy iránytűt vagy elektrométert. Bemutatni és elmagyarázni a berendezés elvét az osztály előtt. Végrehajtás és feltételek 1. Alkossatok munkatársi csoportot. 2. Válasszátok ki az egyik projekttémát. 3. Osszátok el a munkát a csoportban, keressetek információkat, készítsétek elő a kísérletet (berendezést) és a prezentációt a magyarázattal. A prezentációban a csoport minden tagja a projektben végzett saját feladatáról beszéljen. A projekt teljesítésének feltételei A kísérlet legyen sikeres, a berendezés legyen működőképes. A prezentációt magyarázattal kell összekapcsolni. A csoport minden tagja leírja a saját tevékenységét a projektben. A csoport tagjai tudjanak válaszolni a vitában feltett kérdésekre. A kiértékelés módja A projektek kiértékelése történhet az osztályban bevált módon. Az értékelésnél azt is figyelembe kell venni, vajon a prezentálók elkészítették-e a kísérlet és a berendezés sémáját.

Amit megtanultunk Az anyagok mágneses tulajdonságai A mágnes körül mágneses mező van. A mágneses mezőben a mágnes a ferromágneses anyagokból készült tárgyakra mágneses erővel hat N semleges övezet S A kis mágnes segítségével meghatározzuk a mágnes pólusait, valamint a földrajzi pólusokat is.

31


A mágneses mező a mágnes körüli tér. A mágneses mezőt indukcióvonalakkal szemléltetjük.

A mágnesek helyzete a Föld mágneses mezejében

Kölcsönös mágneses erőhatás a mágnesek pólusai között

A mágnest felosztva minden egyes rész önálló mágnessé válik

az anyagok mágnesezése Az anyagok elektromos tulajdonságai A testek elektromos állapotának kiváltója az elektromos töltés. A testek dörzsölés hatására elektromos töltésre tehetnek szert, ha felbomlik az elektronok és a protonok számának az egyensúlya az atomban. A villamosan gerjesztett test körül elektromos mező van. Az elektromos mező kitölti az egész teret az elektromosan töltött test (elektromos töltés) körül.

Az elektron (proton) töltését elemi töltésnek tekintjük. Az elektromos mező erővonalai – az elektromos mező modellje.

+

–

+

+

32


Az elektromos töltés átvitele

A szigetelő dielektromos polarizációja

Elektrosztatikus megosztás

Az elektromos töltés egy fizikai mennyiség és Q betűvel jelöljük. Az elektromos töltés egysége a coulomb, jele: C. Az elemi elektromos töltés e értéke az egyik legfontosabb fizikai állandó.

1. teszt – feleltesd le önmagadat Az anyagok mágneses és elektromos tulajdonságai

1. Az ábrán a földgömb, a Föld mágneses tengelye (M) és a Föld forgástengelye (R) látható. Az üres keretekbe írd be a Föld földrajzi és mágneses pólusának a nevét.

2. Az ábrákon három kísérletet szemléltetünk. Az a ábrán a mágnes hozzáér a tűhöz és az apró fémtárgyakat vonz magához. A b ábrán egy villamosan gerjesztett vonalzó látható amint közelít a polisztirolból készült golyócskához, a következő ábrán pedig egy alufóliából készített golyócskához. a) Írd le a kísérletek során lejátszódó folyamatokat különböző anyagokban – az acélban (a ábra), a polisztirolban (b ábra) és az alumíniumban (c ábra). b) Magyarázd meg, mi történik az anyag szerkezetében.

a

b

c

33


3. Az ábrán két kísérletet szemléltettünk a bádogdobozzal és a villamosan gerjesztett vonalzóval. Az a ábrán a vonalzó érintkezik a bádogdobozzal, a b ábrán nem. a) Magyarázd meg, hogy a két ábrán miért nyíltak szét a fémcsíkok. b) Ugyanúgy fog viselkedni mindkét bádogdoboz, ha megérintve földeled őket? (Ha van előkészített konzervdobozod, végezd el mindkét kísérletet.)

a

b

4. Az ábrán egy rúdmágnes látható, felette középen pedig egy kis mágnes, amelyen ki vannak jelölve a pólusok. a) Állapítsd meg a mágnes pólusait. b) Szemléltesd a mágneses indukcióvonalakat és azok irányát.

5. Melyik ábrán vannak helyesen szemléltetve a töltések az elektroszkópon, ha az elektroszkóp lemezét pozitívan gerjesztett üvegbottal érintjük meg? a

b

c

6. Melyik ábrán vannak helyesen szemléltetve a töltések az elektroszkópon, ha az elektroszkóp lemezéhez pozitívan gerjesztett üvegbottal közelítünk? a

b

c

7. A villamosan gerjesztett testen Q = 4 μC töltést mértek. a) Meg tudod mondani ennek az adatnak az alapján, hogy a gerjesztett testen a pozitív vagy a negatív töltések vannak-e túlsúlyban? b) Javasolj egy módszert, amellyel bizonyíthatnád a pozitív vagy a negatív töltés jelenlétét a gerjesztett testen. 8. Egy fonálra függesztett gemkapcsot lassan mozgattunk a mágnes felett (a ábra). a) Az 1. és a 2. pontban rajzold le a gemkapcsot és a fonalat, ahogy a mozgás során ezeknél a pontoknál viselkednének (b ábra). b) Írd le és magyarázd meg a rajzodat.

1

a

2

b

9. Mágneses mező indukcióvonalainak és az elektromos mező erővonalainak a grafikus ábrázolásával írd le a lehetséges erőhatást: a) két rúdmágnes között, b két megegyező és két ellentétes elektromos töltés között.

34

II. ELEKTROMOS ÁRAM Elektromos áram vezetése fémvezetőkben A városok és a községek éjszakai fényképei felhívják a figyelmet arra, milyen nagy mennyiségű elektromos energiát fogyasztunk. Minden ilyen kivilágítás mögött elektromos áramkörök és elektromos áram van.

II. ELEKTROMOS ÁRAM

35

Az elektromos árammal összefüggnek az elektromos fogyasztók, azok a berendezések, amelyek naponta szolgálnak bennünket, és amelyek nélkül már nem is tudjuk elképzelni az életünket. Ezekkel a berendezésekkel dolgozva be kell tartanunk az elektromos készülékekkel végzett munkára vonatkozó alapszabályokat. A tanítási órán kísérleteket fogtok végezni galvánelemekkel és telepekkel. Ezek a kísérletek nem veszélyesek. De azokká válhatnának, ha a telep helyett a falban elhelyezett dugaszolóaljzatot használnánk.

2.1. Elektromos áramkör. Elektromos vezetők és szigetelők A legtöbben közülünk már dolgoztak egyszerű elektromos áramkörrel, pl. a zseblámpa használatakor. A 2. bevezető kísérletben egyszerű áramkört kellett összeállítanotok egy telepből és egy kis izzóból. Az izzó csak akkor gyulladt ki, ha az izzó alsó része hozzáért a laposelem egyik fémcsíkjához (sarkához) és az izzó menetes fejéhez.

23. ábra Egyszerű elektromos áramkör

A telep rövidebb fémcsíkját, amelynek jelölése +, a telep pozitív sarkának (csatlakozójának) nevezzük. A hosszabb fémcsíkot (jelölése: –) a telep negatív sarkának (csatlakozójának) nevezzük. A telep az elektromos áramkör energiaforrása. Ha közelebbről szemügyre vesszük az izzólámpa – fogyasztó – szerkezetét, megállapítjuk, hogy a kísérletben használt kis izzóban egy vékony, spirálisan feltekert volfrámszál található. Kis nyomáson a fémszálat beolvasztották egy gázzal töltött üvegburába. Amikor a fémszálon villamos áram halad át, felizzítja azt és a fémszál világítani kezd. A spirális volfrámszálhoz az izzó alsó részéből (az Edison-foglalatból vagy menetes fejből) két vezető kapcsolódik. A 23. ábrán látható, hogy az egyik vezető hozzáér az izzó alsó, fekete részéhez, a másik a menetes fémrészhez. Az izzót úgy kell hozzáillesztenünk a laposelem sarkaihoz, hogy ogy az egyik csatlakozó az izzólámpa alsó részével, a másik csatlakozó a menettel érintkezzen. Ha az izzólámpa „kiég”, elszakad a volfrámszál és az elektromos áramkör megszakad. vvolfrámszál Az izzólámpa használatakor nem tudatosítjuk, hogy a feltalálásához vezető út hosszú volt. Az Oldd meg a feladatokat rész 1. feladatában megtalálható, milyen bonyolult volt az izzólámEEdison-foglalat pa feltalálása. (menetes fej) (m A következő kísérletben megtanuljuk egy egyszerű elektrovvezetők mos áramkör bekapcsolását, de azt is, hogyan lehet megállapítani, hogy mely anyagok vezetik az elektromos áramot, melyek pedig nem, és megvizsgáljuk az izzók fényességét is, amelyeket fokozatosan bekapcsolunk az elektromos áramkörbe. 24. ábra A hagyományos izzólámpa szerkezete

1. kísérlet Ka Kapcsold be az elektromos áramkört és vizsgáld meg. Az áramkörbe fokozatosan kapcsolj be különböző anyagokból készült tárgyakat.

36


Eszközök: laposelem, izzólámpa (5 V), 3 vezető, 6 vezető és nemvezető anyagból készült tárgy (pl. alufólia-csík, gyufa, acélkulcs, érme, gumi, papír stb…)

laposelem

vezetők

vezetők az alátéten

Végrehajtás: a) Az ábra alapján csatlakoztasd a laposelem sarkaihoz az izzólámpát. b) Készíts egy táblázatot, amely azoknak az anyagoknak a jegyzékét tartalmazza, amelyekből az áramkörbe csatolt tárgyak készültek.

1. táblázat Az elektromos áramkör vizsgálata a különböző anyagokból készült tárgyak bekapcsolásakor A tárgy anyaga: réz Az izzó világít (+) Az izzó nem világít (–)

műanyag

acél

fa

..........

.........

c) Szakítsd meg az áramkört és az ábra alapján fokozatosan kapcsold a vezetők sarkaihoz az előkészített tárgyakat. Jelöld be a táblázatba, hogy az izzó világít (+) vagy nem világít (–). Válaszolj: 1. Milyen anyagokból készültek azok a testek, amelyeket ha bekapcsoltatok az elektromos áramkörbe, az izzólámpa nem világított? 2. Milyen anyagokból voltak azok a testek, amelyeket ha bekacsoltatok az elektromos áramkörbe, az izzólámpa világított? Az elemből, a vezetőkből és az izzólámpából álló elektromos áramkört bekapcsolva az izzó meggyulladt, mert az áramkörön és az izzón is elektromos áram haladt át. Az elektromos áramkör zárt volt. Ugyancsak zárt maradt az áramkör, amikor alumíniumból, rézből, acélból, grafitból készült tárgyakat kapcsoltak rá. A felsorolt anyagok jó elektromos vezetők. Ha azonban az elektromos áramkörbe gumit, üveget vagy fát kapcsoltunk, az elektromos áramkör megszakadt. Áram nem haladt át rajtuk és az izzólámpa is megszűnt világítani, mert a felsorolt anyagok villamos (elektromos) szigetelők.

2. kísérlet Kapcsold be és vizsgáld meg az elektromos áramkört. Az áramkörbe fokozatosan csatlakoztass néhány izzólámpát vagy laposelemet. Eszközök: 2 laposelem, 3 izzólámpa (3,5 V), 4 vezető Végrehajtás: a) Az ábra alapján az elem sarkaihoz csatlakoztass először egy, majd két izzólámpát.

37


b) Figyeld meg a bekapcsolt izzók fényességét. A megfigyelés eredményét jegyezd fel a füzetbe. c) Csatolj az áramkörbe a két izzólámpa mellé egy harmadikat is. Abban az esetben, ha az izzólámpák megszűntek világítani, az ábra alapján kapcsolj az áramkörbe még egy laposelemet. Figyeld az izzók fényességét.

Megjegyzés: Ügyelj a laposelem sarkainak helyes elrendezésére. A – jelzésű sarokhoz a + jelzésű sarkot kell kapcsolni. 25. ábra Két telep összekapcsolása Válaszolj: 1. Milyen következtetésekre jutottál, amikor egy laposelemhez két vagy három izzólámpát kapcsoltál? 2. Milyen következtetésekre jutottál, amikor két laposelemhez három izzólámpát kapcsoltál?

Az elektromos áramkörben az elektromos áram erősségét az elektromos áram hatásaiból is meg lehet figyelni. Az elektromos áram hatásának következtében gyulladnak ki az izzólámpák is. Ugyanahhoz a telephez több izzót csatlakoztatva, a fényességük gyengül. Ebből arra következtethetünk, hogy változik az áramkörben az áramerősség is. Az áramkörhöz két telepet csatlakoztatva az izzólámpák fényessége intenzívebbé vált. Az áramerősség értéke nőtt. Egyszerű elektromos áramkört készíthetünk valamilyen energiaforrásból, pl. egy telepből és egy fogyasztóból, pl. izzólámpából. Az elektromos áramkörön elektromos áram halad át, ha az áramkör zárt és rá van kapcsolva legalább egy energiaforrás. Hogy az áramkörben elektromos áram keletkezzen, minden részének vezetőnek kell lennie. Az elektromos áramot vezető anyagokat, elektromos vezetőknek nevezzük. Azokat pedig, amelyek nem vezetik az áramot – szigetelő anyagoknak nevezzük. Az áramerősség nagyságát az áramkörben az energiaforrás és a fogyasztók befolyásolják. Az elektromos áramköröket sematikus jelekkel szemléltethetjük. A 2. táblázatban néhány jel látható, amelyekhez majd fokozatosan újabb jeleket sorolunk. 2. táblázat Az elektromos áramkör részei és sematikus jelei az elektromos áramkör részei

rúdelem

laposelem

sematikus jel

az elektromos áramkör részei

izzólámpa

vezető

sematikus jel

38


A 26. ábrán a 2. kísérletben alkalmazott elektromos áramköröket sematikus jelekkel szemléltettük. szeml

26. ábra Zárt áramkörök és sematikus szemléltetésük

Oldd meg a feladatokat 1. Figyelmesen olvasd el a következő szöveget és válaszolj a szöveg végén található kérdésekre. Az idézett szöveg František Jílek 1973-ban megjelent A 15 milliárd dolláros férfi c. könyvéből való (Madách, 1976, Bratislava) Thomas Alva Edisont (1847–1931) az amerikai feltalálók királyának nevezték, vagy olykor Menlo Park-i varázslónak is. Életrajzán látható, hogy vasúti újságkihordóból, később távírászból, magánszorgalomból tanulva a fizikát és a kémiát világhírű feltaláló lett. Egyszer maga jelentette ki, hogy a találmányokban 99 % fáradtság és csak 1 % ötlet van. Edison találmányai közé tartozik – az automatikus szavazatszámláló, a tőzsdei hírek távirati továbbítására szolgáló berendezés, a telefon tökéletesítése, a hangrögzítő berendezés (fonográf) feltalálása, az izzólámpa végső formájának a kidolgozása, a villanyvilágítás rendszerének kidolgozása és kipróbálása, az elektromos számológép feltalálása. Ő helyezte üzembe a világ első nyilvános villanyerőművét New Yorkban. Sok találmánya a vasúttal és az építészettel volt kapcsolatos. Feltalálta a fifilmkamera lmkamera ősét is. közösen mintegy 1 300 szabadalmat kapott. is Azt mondják, mondják hogy munkatársaival m Az izzó tökéletesítésén végzett munkáján követhető, mennyi erőfeszítésre van szükség, hogy a találmány az emberiséget szolgálhassa. Edisonnal egyidőben és már előtte is sok ember igyekezett használható izzólámpát előállítani. Ő azonban kezdettől fogva egy villanyerőművekkel működtetett elektromos világot és az egyszerű emberek számára villanyfényt képzelt el. Állítólag határtalan energiával rendelkező ember volt. Soha sem sajnálta egészen a végsőkig kihasználni a munkatársait. Csak egy cél lebegett előtte – befejezni a találmányt. Edison előtt megpróbáltak megszerkeszteni egy olyan izzólámpát, amelyben egy vastag testecskéket igyekeztek izzásba hozni (a ma ismert volfrámspirál helyett). A testecskék felizzottak ugyan, de az áramfogyasztás olyan nagy volt, hogy minden izzóhoz saját kis villanyerőművet kellett volna rendelni. Edison másként gondolkodott. Az izzó azért bocsát ki fényt, mert a vezető a burában magas hőfokra izzik fel. Ez a hőmérséklet úgy alakul ki, hogy az elektromos áram nagy nehézségek árán átvergődik a vezetőn. A vezető ellenállást fejt ki az elektromos árammal szemben. Ő dolgozta ki annak a módját, hogyan lehet a vezetőt olcsón fehér izzásig hevíteni és ezáltal nagy ellenállást fejt ki az elektromos árammal szemben. Az áramot nem vastag vezetőn, hanem pókháló vékonyságú vezetőn át vezette. Így a villanyszámlák már nem lesznek olyan nagyok. Ez viszont a megfelelő vezető megtalálását jelentette – olyan vékony szálét, amely magas hőmérsékletet kibír és több száz óráig fog világítani. Ezt a feladatot kellett megoldania 1878 őszén. Edison már az első kísérletek alapján látta, hogy rengeteg fáradságos éjszaka vár rá és azt mondta: „Ez a helyzet minden találmány esetében. Az első lépés az ötlet, és az robbanásszerűen jön, de aztán egyre nagyobb nehézségek bukkannak fel. Sokféle anyagot kipróbált. A szénnel kezdte, de azt gyorsan ejtette és az irídiumra, a bórra, a krómra, a molibdénre és az ozmiumra vetette magát.

39


Edison az izzószál előállításánál a volfrámra is gondolt, de akkoriban senki sem tudta ezt az anyagot megmunkálni. Az egyik éjszaka úgy tűnt neki, hogy a nikkel lehetne a megfelelő anyag. A következő éjjel igyekezett felizzítani, hogy még szeme is belefájdult. De a nikkel sem vált be. Végül a gyapotfonatból készített szálat, amelyet elszenesített. Az elszenesített gyapotszálat tartalmazó izzó 40 óráig világított. A kartonpapírból előállított szénszál 170 óráig világított. Közeledett 1879 szilvesztere és Menloba (ebben a kisvárosban volt Edison laboratóriuma) hatalmas emberáradat érkezett. Akkor éjjel, amikor megérkezett az 1880-as újesztendő, Edison a sűrű sötétben meggyújtotta az izzólámpáit az egész világ előtt. Válaszolj: 1. Mely szavakat, szakkifejezéseket, mondatokat nem értettél a szövegből? 2. Miben különbözött Edison és mások hozzáállása az izzólámpa feltalálásához? 3. Milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie az izzószálnak, hogy hosszabb ideig képes legyen világítani? 2. Az ábrán egy zseblámpa metszete látható. a) Vedd szemügyre emügyre az ábrát és írd le az elektromos áram áthaladását a zseblámpán, amikor be van kapcsolva.

b) Rajzold le a zseblámpa elektromos áramkörének a sémáját. Használd a kapcsoló sematikus jelét: A világítótestben két rúdelem van. A rúdelem sematikus jele a 2. táblázatban található.

.

3. Keress információkat és jegyezd fel a forrásukat: manapság milyen izzólámpákat előnyös használni a háztartásokban? Miben különböznek a korszerű izzók a hagyományosaktól?

2.2. Elektromos áram fémvezetőben. Az áram hőhatása Elektromos áram mindenütt körülvesz bennünket, kezdve az óriási áramokkal a villámlás során, majd egészen az igen kicsi értékű áramokig az idegszálakban, amelyek izmaink mozgását irányítják. Leggyakrabban a lakásba beszerelt villanyáramot hasznosítjuk. Áthalad az izzólámpákon és más fogyasztókon, amelyeket a háztartásban alkalmazunk. Az elektromos áram mérése nélkül is tudjuk, hogy áram halad a fogyasztókon keresztül, mégpedig az áram előidézte hő-, fény- és egyéb jelenségek alapján. Az előző 2.1. részben található kísérletekből megállapíthattátok, hogy az elektromos áram csak zárt áramkörben halad, amelyben van energiaforrás és minden alkotórésze vezeti az elektromos áramot. Tudjuk, hogy a fémek, mint a réz, az alumínium, az ezüst, de a grafit és egyéb anyagok is jó vezetők. Hogy megérthessük, mi idézi elő az elektromos áram vezetését a fémekben, közelebbről is megvizsgáljuk az alumínium szerkezetét, amely jó elektromos vezető. Végül is, amikor az elektromos töltéseket vizsgáltuk, gyakran használtunk alufóliát – ez valójában egy külső elektronhéj vékony alumínium. Az alumíniumatom 13Al (27. ábra) modelljén látjuk, hogy az elektromosan semleges atom elektronburkában 13 elektron található és számuk megegyezik az atommagban található protonok számával. Az atom mérete igen kicsi. Kb. 10 millió alumíniumatomra lenne szükségünk ahhoz, hogy 1 mm-es szakaszt kitöltsünk velük. Az alumíniumatomok szabályos szerkezetet hoznak létre, sorokban vannak rendezve, egyforma távolságban egymástól. Ezt a szabályos elrendeződést láthatjuk a 28. a ábrán, ami egy elektronmikroszkópos felvétel. A 28. b ábrán az alumínium térbeli szerkezeti modellje látható.

elektronburok

atommag 27. ábra Az alumíniumatom szerkezetének modellje

40


Az atomok elrendeződése ebben a modellben egy rácsra emlékeztet – ezért az alumínium és más fémek szerkezetét néha fémrácsnak is nevezik.

a b Az alumínium felszínének elektronmikroszkópos felvétele Az alumínium térbeli szerkezeti modellje 28. ábra A fémes vezető – az alumínium szerkezete

Ilyen elrendezésben az atomok külső elektronhéjáról elektronok ronok szabadulnak ki. Az elektronok kiszabadulása után a semleges atomok pozitív töltésű ionokká alakulnak. A kiszabadult elektronok a körülöttük levő térben mozognak. Az ilyen elektronokat szabad elektronoknak nevezzük. A szabad elektronok minden irányban rendezetlen mozgást végeznek. Ezt a fajta mozgást az elektronok hőmozgásának nevezzük. Az elektronok a saját hőmozgásuk során gyakran kationokkal ütköznek, amelyeknek a fém kristályszerkezetében stabilisabb helyzetük van. Az ütközést követően az elektron sebessége és mozgási iránya rendszerint megváltozik. Az elektron átadja kinetikus energiájának egy részét a fém poióny szabad elektronok ionokkovu zitív ionjainak. Ez a rezgésükben nyilvánul meg, egyensúlyi az elektronok rendezett helyzetükből kilengenek az egyik majd a másik oldalra. mozgásának iránya A szabad elektronok hőmozgásának sebessége a fémben (az áramforrás negatív sarkától a pozitív sarka felé) nem azonos – nagyságuk másodpercenként a nullától a több száz méterig terjedhet. a szabad elektronok A fémvezetőben, amely egy zárt áramkör része, a szabad hőmozgásának különböző irányai elektronok a rendezetlen hőmozgáson kívül rendezett mozgást is végeznek. A rendezett mozgás során minden elektron áthelyeződik a vezető mentén az áramforrás negatív sarkától a pozitív sarka felé. Az elektron tehát egyidejűleg kétféle moz29. ábra A fémvezetőben mozgó gást végez: elektronok sémája • minden irányban rendezetlen mozgást, • a vezetőben hosszirányban rendezett mozgást. A szabad elektronok rendezett mozgása elektromos áramot kelt a vezetőben. Az atomok közötti távolságok igen kicsik (megközelítőleg tizedmilliomod milliméter). Ezért a szabad elektronok két ütközés között megtett útvonalai is nagyon rövidek – mind a hőmozgás, mind a rendezett mozgás esetén. A szabad elektronok rendezett mozgásának sebessége nem túl nagy – milliméterekben adható meg másodpercenként. Az elektromos szigetelőkben elektromos töltésű szabad részecskék nem fordulnak elő vagy csak elhanyagolható számban, ezért ezek az anyagok nem vezetik az elektromos áramot. Amikor elektromos áram halad át a vezetőkön, megfigyelhetjük, hogy a vezetők felmelegednek. Az elektromos áram hőhatásáról beszélünk. Ez a hatás az anyag, a vezető (fentebb már utaltunk rá) részecskéinek a mozgásával függ össze. Ha hozzáérünk a világító izzólámpához, meggyőződhetünk róla, hogy meleg. Amikor az áram áthalad a volfrámspirálon, ez felizzik és eléri a kb. 2 500 C-ot. Nem olvad meg, mert a volfrám olvadáspontja 3 000 C körül van. Ennek a magas hőmérsékletnek a következtében felhevül a lámpa üvegburája is. Az elektromos áram hőhatásáról és arról, hogy mitől függ ez a hatás, a következő kísérlettel győződhetünk meg.


41

Kísérlet Bizonyítsd be, hogy a különböző vezetők, amelyeken elektromos áram halad át, különböző hőmérsékletre melegszenek fel. Eszközök: 2 db laposelem (4,5 V), mosogatásnál használt drótszivacs, fémspirál a golyóstollból. Végrehajtás: a) Helyezd egymás mellé a laposelemet. Az egyik telep sarkaira helyezd rá a drótszivacsot, a másik telep sarkait kapcsod össze a fémspirállal. b) Csak néhány másodpercig hagyd az elemek sarkain a tárgyakat. Hasonlítsd össze össze, mennyire melegedtek fel fel. Megjegyzés: A fémspirált csak könnyedén, óvatosan érintsd meg. Megégetheted magad.

Felelj: Hogyan magyarázod azt a tényt, hogy a drótszivacs és a fémspirál nem azonos hőmérsékletre melegedett fel? Hogy a vezetők az elektromos áram áthaladásakor milyen mértékben melegednek fel, az függ a hosszúságuktól, a vastagságuktól és az anyagtól, amelyből készültek. Ma úgy tökéletesítik az izzólámpákat, hogy minél kisebb mértékben melegedjenek fel, és így csökkentsék az energiaveszteséget. Vannak azonban elektromos fogyasztók, amelyeknél azt szeretnénk, hogy az elektromos áram hatására minél gyorsabban magas hőmérsékletre melegedjenek fel. Ilyen fogyasztók a vízforraló kannák, a légmelegítők és egyebek. A vezetőkben az elektromos áram hővé alakul át. Bővebben a 2.8. részben olvashattok erről. Ha a vezetőn túl nagy erősségű áram halad át, a vezető átég. Az izzó volfrámspirálja is kiég hosszabb használat után. Ez történhetett volna a mi spirálunkkal is az előző kísérletben. Ahogy a telep sarkaihoz volt kapcsolva, rövidzárlatot okozhatott volna. Ez a telepet teljesen kisütheti. A lakásban levő elektromos vezetékekben a rövidzárlat nagyon veszélyes. Tönkre teheti a fogyasztókat és tüzet okozhat. Ezért az elektromos áramkörökbe biztosítékokat helyeznek el. A biztosítékok egyik fajtáját, amely egy nem túl ellenálló huzalt tartalmaz, hőbiztosítéknak nevezik. A huzal (a vezeték) átég, ha az elektromos áram erőssége az áramkörben átlép egy megengedett határt. Így a biztosíték megszakítja az elektromos áramkört és megakadályozza, hogy a fogyasztó tönkremenjen vagy tűz keletkezzen. Bizonyos fogyasztók (pl. a számítógépek vagy a tévékészülékek) saját beépített biztosítékokkal rendelkeznek. 30. ábra Biztosítékok

Oldd meg a feladatokat 1. Rajzold le a telepből, izzólámpából, kapcsolóból és vezetőkből álló elektromos áramkör sémáját. 2. Keress információkat: Mely otthoni fogyasztók hasznosítják az elektromos áram hőhatását és milyen célra alkalmazzák őket? 3. Javasolj egy módszert annak megállapítására, hogy vajon az arany, az ólom, az ón, esetleg más anyagok vezetők-e vagy szigetelők. Valósítsd meg az elképzelésedet.

42


4. Az izzók és a galvánelem mellett számok vannak feltüntetve. Írd ki a számokat abban a sorrendben, ahogy vezetők segítségével az izzókat és a telepet egyetlen áramkörbe kapcsolnád.

2.3. Elektromos áramerősség mint fizikai mennyiség. Az áramerősség mérése Az elektromos áramot a fémvezetőkben, ahogy már szó volt róla a korábbi részekben, a szabad elektronok rendezett mozgása hozza létre. Az elektromos áramnak annál nagyobb lesz a hatása, pl. hőhatása stb., ha egységnyi idő alatt minél nagyobb számú elektron halad át a vezető keresztmetszetén. Közben az elektromos áram erőssége is nagyobb lesz. Másként mondva, az áramerősség annál nagyobb lesz, minél nagyobb lesz a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó elektronok összesített töltése. Hogy össze tudjuk hasonlítani a vezetőkön átfolyó áramot, bevezették az áramerősség fizikai mennyiséget. Az áramerősség jele I. Az áramerősség mértékegysége alapegység és a neve amper, a jele A. Az egységet André-Marie Ampère francia fizikusról nevezték el. Az amper pontos definíciója eléggé bonyolult és majd a középiskolai fizikai tananyagban ismerkedhettek meg vele. De az 1 amper egységet így is definiálhatjuk: A vezetőn 1 amper áramerősség folyik, ha keresztmetszetén egy másodperc alatt 1 coulomb össztöltésű részecske halad át. A. M A M. Ampère Az amper (A) egység mellett gyakran használnak kisebb egységeket is, pl. milliamper (1775–1836) (mA) vagy mikroamper (mA) vagy akár a nagyobb kiloamper (kA). Az áramerősséget a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó elektromos töltés nagyságából számítjuk ki. Ennek matematikai kifejezése: I =

Q . t

Csak szemléltetésként a táblázatban feltüntettük bizonyos fogyasztókon áthaladó megközelítő áramerősség-értékeket. 3. táblázat Áramerősség-értékek néhány fogyasztóban Fogyasztó Áramerősség I [A]

számológép 0,0002

rádiókészülék 0,02

televízió 1

számítógép 2,5

vasaló 5

villamosmotor 250

Az áramkörben folyó áram erősségét az ampermérő nevű készülékkel mérik. A 31. a ábrán egy iskolai mérőkészülék látható, amelyet a bemutató méréseknél használnak. A 31. b, c ábrán digitális műszerek láthatók. A készülék beállításától és az áramkörbe történő bekapcsolásától függően nemcsak áramerősséget, hanem más mennyiségeket is lehet vele mérni. A 31. b ábrán a MoLab készülék látható, amelynek része egy áramerősség mérésére szolgáló szenzor, a 31. c egy digitális készülék. A 32. ábrán levő mérőműszerekkel mérhetünk egyenáramot és váltakozó áramot. Az előző kísérletekben az áramkörben, ahol az áramforrás egy laposelem volt, egyenáram halad. Az elektromos fogyasztók, amelyek dugós csatlakozó aljzattal vannak az áramkörhöz kapcsolva, váltakozó áramra működnek. Az iskolai mérések előtt egyenáram mérésére kell beállítani a műszert, amelynek a mutatóval rendelkező készüléken – jele van. A digitális készüléken ez a DCA jelzésű tartomány.

43


kijelző választókapcsoló mérési tartomány csatlakozó hüvely

a

b

ampermérő

c MoLab készülék digitális multiméter 31. ábra Az áramerősség mérésére szolgáló készülékek

beállítás egyenáram yen náram mérésére mérésérre m mérés 300 mA-ig mA m ig mérés 1 000 mér 1 000 m mA-ig 32. ábra A mérőeszköz előkészítése az elektromos áramerősség mérésére Az áramerősség mérésére szolgáló műszer – ampermérő – áramkörbe kapcsolására szigorú szabály érvényes. Ha meg akarjuk mérni az izzólámpán átfolyó áram erősségét, az ampermérőt és az izzót egymás után sorba kapcsoljuk. Ez a soros kapcsolás. Az ampermérőt a mért fogyasztóval sorosan kapcsoljuk az áramkörbe. Az ampermérőt mindig úgy kapcsoljuk be az áramkörbe, hogy rajta ugyanolyan erősségű áram folyjon , mint a fogyasztón. A készüléken a + jelzésű csatlakozót az áramforrás azonos jelzésű csatlakozójával kapcsoljuk össze. Az elektromos áramkörök sémájának rajzolásakor az ampermérő jelölésére a jelet használjuk.

33. ábra Az ampermérő bekapcsolása az áramkörbe. A kapcsolás sémája

44


Az elektromos áramerősség mérésekor be kell tartani az alábbi szabályokat: 1. Szükség szerint beállítani a műszert az egyenáram (–) vagy a váltakozó áram (~) mérésére. 2. Megbecsülni az áramerősség megközelítő értékét, amelyet mérni szeretnénk, és eszerint átállítani a választókapcsolót a megfelelő helyzetbe – kijelölni a mérési tartományt. 3. A készüléken a + jelzésű csatlakozót az áramforrás azonos jelölésű csatlakozójához kapcsoljuk. 4. Az ampermérőt sorosan kapcsoljuk az áramkörbe.

Feladat Sorosan kapcsoljatok az áramkörbe a laposelemhez 2 izzólámpát. Mérjétek meg a rajtuk átfolyó áram erősségét. Kapcsoljatok az áramkörbe két laposelemhez egymás után (sorba) 3 izzólámpát és ismét mérjétek meg a rajtuk átfolyó áram erősségét. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 2 laposelem, 3 izzólámpa, ampermérő, 5 vezető Végrehajtás: a) A füzetbe rajzoljátok be a 4. táblázatot. b) A 33. ábra alapján állítsátok össze az áramkört az izzólámpával és az ampermérővel. Tartsátok be az ampermérővel végzett áramerősség-mérés szabályait. c) Mérjétek meg az L1 izzólámpán átfolyó áram erősségét és az értéket jegyezzétek fel a táblázatba. d) Kapcsoljátok az áramkörbe az L2 izzólámpát (34. ábra). Az L1 és L2 izzók közé kapcsoljatok ampermérőt. Mérjétek meg az I2 izzón átfolyó áram erősségét és az értéket jegyezzétek fel a táblázatba. e) A telephez kapcsoljatok az áramkörben még egy lapos elemet és 3 izzólámpát. f) Mérjétek meg az átfolyó áram erősségét az összes izzólámpán és az értéket jegyezzétek fel a táblázatba mint 3.–5. számú mérést. 4. táblázat Az áramerősség mérése Mérés száma 1. 2. 3. 4. 5.

Áramforrás 1 laposelem (4,5 V)

2 laposelem (együtt 9 V)

Az áramkörbe kapcsolt izzók száma Az áramerősség értéke [A] 1 L1 = 2 L2 = L1 = L2 = 3 L3 =

Megjegyzés: Ne kapcsold be az áramkört a mérőberendezéssel mielőtt a tanár ellenőrizte volna.

Válaszolj: 1. Különböztek a mért áramerősség-értékek az 1. és a 2. mérésnél a 4. táblázatban? 2. Milyen következtetést vonhatsz le az elektromos áram erősségéről az 1. és a 2. mérés alapján? 3. Összefügg az átfolyó áram erőssége az izzók fényességével? 4. Különbözött a mért áramerősség értéke a 3., a 4. és az 5. mérés alkalmával a 4. táblázatban? 5. Milyen következtetést vonhatsz le az áramerősség nagyságáról a 3., a 4. és az 5. mérés alapján?

L1

L2

34. ábra Elektromos áramkör két izzóval

45


Amikor az áramkörbe az egyik izzólámpa mellé sorosan egy másikat kapcsolunk, az áramkörben kisebb áramerősség-értéket mérünk, mintha csak egy izzó lenne az áramkörbe kapcsolva. Egyúttal az izzók fényének halványodását is megfigyelhetjük. Ez azért van, mert a fogyasztók akadályt jelentenek az átfolyó áram számára az áramkörben. Minél több fogyasztó van sorba kapcsolva az áramkörben, annál nagyobb akadályt jelentenek az elektromos áram számára. Ezért kisebb az áramerősség az elektromos áramkörben. Ezáltal a vezető keresztmetszetén kevesebb töltés halad át. Az áramkörben három sorosan kapcsolt izzóval megfigyelhettük, hogy a mért áramerősségek valamennyi izzón azonosak voltak. Ezek az áramerősség mérésével kapcsolatos tapasztalatok később majd jó szolgálatot tehetnek az áramkörökre vonatkozó fontos szabályok és törvényszerűségek felfedezésénél. Az áramerősség fizikai mennyiség és jele I. Az áramerősség mértékegységei: A (amper) kA (kiloamper) 1 kA = 1 000 A mA (milliamper) 1 mA = 0,001 A μA (mikroamper) 1 μA = 0,000001 A

Oldd meg a feladatokat 1. Rajzold le a 34. ábrán látható áramkört sematikus jelek segítségével úgy, hogy az ampermérő mérje az L1 izzón átfolyó áram erősségét. L1

L2

2. Alakítsd át az amper (A) egységekben megadott áramerősség-értékeket (3. táblázat, 42. old.) milliamperekre (mA). 3. A feladathoz mellékelt ábrán egy áramkör sémája látható. Nevezd meg az áramkört és a részeit, amelyekből a séma alapján összeállított valóságos áramkör állna. (A sémán feltüntetett nyilak magyarázata a Megjegyzésben található a 46. oldalon.) 4. Gyűjts információkat: Miért éppen André-Marie Ampère-ről nevezték el az áramerősség egységét? Keress 4 érdekességeket ennek a fizikusnak az életéről.

2.4. Elektromos erők és elektromos mező a vezetőben A 2.2. részben azt vizsgáltuk, milyen szerepe van az elektromos áram vezetésében a vezető atomos szerkezetének és a szabad elektronoknak, amelyek a fém kristályrácsában mozognak. Ha a fémvezetőben nem lennének szabad elektronok, az áram nem folyna bennük. Tapasztalatból és az előző évfolyamok fizikaóráin tanultakból is tudjuk, hogy minden mozgó testnek van mozgási energiája, amely a sebességétől függ. Egy más testtel ütközve ezt az energiát vagy annak egy részét átadhatja a vele ütköző testnek. Ez a részecskékre, tehát az elektronokra is érvényes. A nyugalomban levő testet valamilyen erő hozza mozgásba. Az erő munkát végez, ha a test mozgásának irányában hat és elmozdítja azt egy bizonyos útszakaszon. 35. ábra Az elektromos erő hatása a szabad elektronokra

szabad fémionok elektronok az elektronra ható elektromos erő a szabad elektronok rendezett mozgása (az áramforrás negatív sarkától a pozitív sarok felé) a szabad elektronok különböző irányú hőmozgása

46


A részecskék a kristályszerkezetben állandó mozgásban vannak. Bizonyos erő azonban előidézheti, hogy az elektronok mozgása rendezett lesz. Ha ezeket az ismereteket hasznosítjuk, akkor az elektronok rendezett mozgásának a jelenségét – az elektromos áramot – a következőképp írhatjuk le: Az energia forrása – a galvánelem – adja a szabad elektronoknak a rendezett mozgásukhoz szükséges mozgási energiát. Az atomokkal vagy a pozitív töltésű ionokkal ütközve a szabad elektronok elveszítik sebességüket és ezáltal mozgási energiájukat is. Az elektronok „elveszett” energiája hőként jelentkezik. Ezért van az árammal átjárt vezetőnek magasabb hőmérséklete, mint azé a vezetőé, amelyben nem folyik áram (pl. az izzószál felizzik). A 35. ábrán szemléltettük a fémvezetőben az elektromos erő hatását a szabad elektronokra, valamint a rendezett mozgásukat. Hogy az elektron a két ütközés közötti útszakaszon ismét energiára tegyen szert, a mozgásának az irányában hatnia kell rá egy erőnek, amely munkát végez. Ezt az erőt elektromos erőnek nevezzük. A szabad elektronok, amelyek az elektromos áramot alkotják, az egész fémvezetőben mozognak az áramforrás negatív sarkától egészen a pozitív sarkáig. Megjegyzés: A sémán az elektromos áram iránya az áramforrás pozitív sarkától a negatív sarka felé mutat. Ebben a jelölésben még akkor állapodtak meg, amikor nem ismerték az elektromos áram lényegét. Ez a jelölésmód (egyezményes áramirány) általánosan elterjedt.

Hogy a vezetőben elektromos áram folyjon, be kell iktatnunk egy elektromos energiaforrást, pl. egy galvánelemet az áramkörbe. A vezetőben elektromos mező keletkezik. Az elektromos mezőben a vezető teljes hosszában elektromos erő hat a szabad elektronokra. Tudjuk, hogy az áramkörön akkor folyik elektromos áram, ha az áramkör zárt, hozzá van kapcsolva az elektromos energia forrása és minden része vezeti az áramot. Elmélyítve az elektromos áramnak a fémvezetőben történő vezetésével kapcsolatos ismereteinket az iménti állítást másképp is megfogalmazhatjuk:

Hogy a vezetőn elektromos áram haladjon át, annak egyik feltétele, hogy a vezetőben egy irányban ható elektromos mező működjön. A fémvezetőben úgy keletkezik elektromos mező, tehát elektromos áram is, hogy a vezetőt elektromos energiaforráshoz kapcsoljuk. A vezetőben az elektromos áram haladásának további fontos feltétele, hogy szabad elektronok legyenek benne.

Oldd meg a feladatokat 1. Az ábrán egy hurokba rendezett rézhuzal látható. Hasonló rézhuzalból 1 kialakított hurok van kapcsolva az áramforráshoz. a) Magyarázd el, hogyan képzeled el a szabad elektronok mozgását a rézhurokban az a és b ábrán. b) Szemléltesd a b ábrán az egyezményes áramirányt. c) Magyarázd meg, miért nem szabad ilyen módon rákapcsolni a vezetőt az áramforrásra.

a

b

2. Az ábrán elektromos áramkörök sémái láthatók. Magyarázd meg, melyik séma szerint összeállított áramkör működőképes.


47

Házi felkészülés a tanítási órára Ha van otthon (vagy az iskolában) egy öreg laposelem, szedd szét úgy, hogy megállapíthasd, mi található benne. Vedd le a laposelem csatlakozóinál levő fedőcsíkot. Írd le, mi van a fedőcsík alatt. Megjegyzés: A telep egyes rúdelemeit ne szedd szét, maró folyadék van benne.

2.5. Elektromos feszültség. A feszültség mérése Az előző 2.4. részben azokkal a feltételekkel foglalkoztunk, amelyeknek teljesülniük kell, hogy a vezetőben elektromos áram folyjon. Általánosságban elmondható, hogy: • a vezetőben szabad elektronoknak kell lenniük, • a vezetőben elektromos mezőnek kell lennie. Az elektromos mező a vezetőben azt követően alakul ki, hogy rákapcsoljuk az elektromos energiaforrás sarkaira. Az elektromos mezőben elektromos erő hat az elektromos töltésre, a fémvezetőben az elektronokra. Az elektromos energiaforrásnak van egy tulajdonsága, amely kialakítja az elektromos mezőt és meghatározza benne az elektromos erő nagyságát. Ez a tulajdonság az elektromos feszültség. A feszültség összefügg azzal a munkamennyiséggel, amelyet az áramforrás képes elvégezni a töltéssel rendelkező részecskék áthelyezésével a fogyasztón. Minden fizikai tulajdonság, amelyet mérni tudunk, fizikai mennyiséggé válik. Ez az elektromos feszültség fizikai mennyiség, amelynek a jele: U. Az elektromos feszültség mértékegysége a volt, jele: V. A volt (V) mértékegység mellett gyakran használják az ezerszer nagyobb egységet A. Volta (1745–1827) – ez a kilovolt (kV) és a kisebb egységek közül a millivoltot (mV). A feszültség egységét Alessandro Volta olasz fizikusról nevezték el. A felhasznált galvánelemen (battérián) azt olvashatjuk, hogy a feszültségértéke 4,5 V. Ha viszont eltávolítjuk a fedőcsíkot az elem sarkairól, megállapíthatjuk, hogy három rúdelemből áll.

Maga a „battéria” szó eredetileg több egyenértékű részből összeállított tárgyat jelent. Eddig a rúdelemekről és a telepekről csak olyan értelemben beszéltünk, mint energiaforrásról, amely biztosítja az elektronok rendezett mozgását az áramkörben. Mostantól az elektromos feszültség forrásának nevezzük (a magyar szakirodalomban az áramforrás megnevezést használják – a ford. megj.). Az első áramforrást a 19. században A. Volta állította össze. Az elektromos feszültség a galvánelemekben kémiai úton keletkezik. Az elektromos feszültség keletkezésének mechanizmusával a rúdelemekben majd a 2.14. Az elektromos áram vezetésének modellje a folyadékokban című fejezetben részletesebben foglalkozunk.

48


A szemléltetés kedvéért a következő ábrán a leggyakrabban használt galvánelemeket, valamint egyszerű rúdés gombelemeket és a feszültségértéküket mutatjuk be.

1,35 V

9V

1,5 V 36. ábra Telepek, gomb- és rúdelemek

4,5 V

Az elektromos feszültség mérésére voltmérőt használunk. Az elektromos feszültséget más műszerrel is mérhetjük, ezek némelyike a 31. b, c ábrán látható. Megfelelő módon kell ezeket beállítani és az áramkörbe kapcsolni. A feszültség mérésére szolgáló készülék – a voltmérő – bekapcsolására az áramkörbe pontos szabály vonatkozik. Ha az izzólámpán szeretnénk megmérni a feszültséget, a voltmérőt és az izzót egymás mellé kapcsoljuk. Ezt a kapcsolási módot párhuzamos kapcsolásnak nevezzük. A voltmérőt az elektromos áramkörbe az áramkör mért részével párhuzamosan kapcsoljuk. A műszeren a + jelölésű csatlakozót az áramforrás azonos jelzésű csatlakozójával kapcsoljuk össze. Az elektromos áramkörök sémáját rajzolva a voltmérőt V-vel jelöljük. Elektromos feszültség van mind az áramforrás csatlakozóin, mind az izzó és más fogyasztók sarkai között.

37. ábra A voltmérő bekapcsolása az áramkörbe a telep és az izzó feszültségének a mérésére. Kapcsolási séma

A feszültség mérésénél az áramkörben be kell tartani bizonyos szabályokat. A feszültség mérése előtt így járunk el: 1. A műszert beállítani az elektromos feszültség mérésére. 2. Megbecsülni a mérendő feszültség várható értékét és ennek alapján beállítani a váltókapcsolót – kijelölni a mérési tartományt. 3. A műszeren a + jelzésű csatlakozót az áramforrás hasonló jelzésű csatlakozójához kapcsolni. 4. A voltmérőt a mérendő fogyasztóval vagy az áramforrással párhuzamosan kapcsoljuk az áramkörbe.

49


Feladat Fokozatosan mérjétek meg a telep egyes elemeinek, majd az egész telepnek a feszültségét. A mérésekből vonjatok le következtetést. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: laposelem, amelynek eltávolítottuk a fedőcsíkját, voltmérő, 2 vezető Végrehajtás a) Rajzoljátok be az 5. táblázatot a füzetbe. 5. táblázat Az elektromos feszültség mérése az egyes elemeken Az elemek száma A mérés száma Feszültség [V] 1. 1 2. 1 3. 1 4. 3

b) Mérjétek meg a feszültséget a telep első elemén (a ábra) és az értéket jegyezzétek fel a táblázatba mint 1. mérést. c) Mérjétek meg a telep második és harmadik elemén is a feszültséget és az értéket jegyezzétek fel a táblázatba mint 2. és 3. mérést. d) Mérjétek meg a három elem együttes feszültségét (b ábra) és az értéket jegyezzétek fel a táblázatba mint 4. mérést. a b Válaszolj: Milyen következtetést fogalmaznál meg, ha összehasonlítod a mért feszültségeket az egyes elemeken és a telepen?

A laposelemnek, amelyen méréseket végeztünk „frissen” (röviddel a gyártás után) U = 4,5 V a feszültsége. Idővel a telep „öregszik” és elveszíti a feszültségét, főleg ha gyakran használják. Látjuk, hogy a telepünkön (b ábra) mintegy 0,01 V-tal csökkent a feszültség az eredetihez képest. A telep minden rúdelemének „élete” kezdetén 1,5 V a feszültsége. Mérésünk alkalmával a részlegesen kisült telepen egy elem feszültsége ≈ 1,49 V. Az egész telep esetében, amelyben 3 rúdelem van, ez az érték 3 · 1,49 = 4,47 V. Megállapítottuk, hogy a telep feszültsége, amelyben az egyes rúdelemek soros kapcsolásúak, egyenlő az egyes elemek feszültségének az összegével. Az elektromos feszültség fizikai mennyiség, amelynek jele U. Az elektromos feszültség mértékegységei: V (volt) kV (kilovolt) = 1 000 V mV (millivolt) = 0,001 V

Oldd meg a feladatokat 1. Az a és b ábrán a telep elemeihez 1 kapcsolták az izzólámpát. a) Magyarázd meg az izző eltérő fényességét az ábrákon. a

b

50


b) Ha a telep feszültsége 4,5 V lenne, milyen feszültségre volt kapcsolva az a ábrán levő izzó? 2. Három laposelemünk van. a) Mekkora feszültséget kapunk, ha ezeket egymás után sorba kapcsoljuk? b) Méréssel megállapíthatjuk-e, hogy az összekapcsolt telepek együttes feszültsége kisebb, mint ahogy feltételeztük? c) Rajzold le annak az áramkörnek a sémáját, amelyben megméred három összekapcsolt telep elektromos feszültségének az értékét. 3. A voltmérőn a következő méréstartományok vannak feltüntetve: 1 V, 10 V, 100 V, 1000V. Melyik adatra lesz szükségünk a laposelem feszültségének a megállapítására? 4. Gyűjts információkat: Miért épp Alessandro Voltáról nevezték el az elektromos feszültség mértékegységét? 4 Keress érdekességeket ennek a fizikusnak az életéről.

Tudod-e, hogy… Az elektromos angolna egy édesvízi hal, amely Dél-Amerikában él. Két és fél méter hosszúra megnő. A zsákmányának megszerzése és önvédelem céljából is képes a testében akár 650 V feszültséget is előállítani.

2.6. Ohm törvénye. A vezető elektromos ellenállása A számítógépek, a tévékészülékek, a mobil telefonok és egyéb elektronikus berendezések számos elektromos áramkörből állnak. Ahhoz, hogy a készülékek megbízhatóan működjenek, bizonyos áramerősség-értékekre vannak beállítva. Ezek az értékek úgy érhetők el, hogy az áramkörökbe ellenállásoknak nevezett alkatrészeket sorolnak be. Az ellenállás (rezisztor) olyan vezető, amely az elektromos árammal szemben bizonyos ellenállást fejt ki, és ezáltal szabályozza az áramerősséget az áramkörben. A 38. ábrán különböző ellenállások láthatók, amelyek a műszaki berendezések tartozékai, de vannak ott olyanok is, amelyeket az iskolai laboratóriumban demonstráció céljából használnak az áramkörökbee kapcsolva.

38. ábra Különböző célokra használt ellenállások

Azok az ellenállások, amelyeket az iskolai méréseknél használnak az áramkörök alkatrészeiként, kerámia hengerre sokszorosan rátekercselt szigetelt vezetők. Az elektromos sémákban az ellenállás jele: . Hogy mit jelent az a fogalom, hogy „ellenállást kifejteni az árammal szemben” már részben megválaszoltuk a 2.4. Elektromos erők és elektromos mező a vezetőben (35. ábra) fejezetben. A szabad elektronok rendezett mozgásuk során beleütköznek a fémrács pozitív ionjaiba. A fémrács tehát akadályként viselkedik az elektronok rendezett mozgásával, az elektromos árammal szemben. A vezetőnek az a képessége, hogy „akadályozza” az elektromos áram vezetését egy tulajdonság, amelyet elektromos ellenállásnak nevezünk. Ellenállásként viselkedik a volfrámhuzalból készült izzószál is. Bizonyos ellenállással rendelkezik, ami az izzólámpa felizzásának az okozója. Az áramkörbe kapcsolt izzókkal volt még egy tapasztalatunk.


51

A 2.3. fejezet feladatában az áramforráshoz, a 4,5 V-os telephez izzókat csatlakoztattunk és ez megnyilvánult a fényességük intenzitásában is. Minél több izzót csatlakoztatunk ugyanahhoz az áramforráshoz, annál inkább csökken a fényességük intenzitása. Ebből arra következtethetünk, hogy abban az áramkörben, amelybe további fogyasztók (pl. izzólámpák) vannak kapcsolva, kisebb áramerősség folyik. Ha azonban még egy áramforrást kapcsolunk az áramkörbe, az izzók ismét fényesebben világítanak. Ez azt jelenti, hogy az áramkörben megnő az elektromos feszültség és az áramerősség is. Egyelőre nem tudunk viszont semmiféle összefüggést felírni az ellenálláson mérhető elektromos feszültség és az ellenálláson átfolyó áram erősségének nagyságáról. A következő feladat megoldása alapján választ kaphatunk a kérdésünkre.

Feladat Állapítsátok meg az ellenálláson átfolyó áram erőssége és az ellenálláson mérhető feszültség közötti összefüggést. (Dolgozzatok csoportokban. Minden csoportnak legyen különböző értékű ellenállása.) Eszközök: laposelem, amelyről eltávolítottuk a fedőcsíkot, 5 vezető, ellenállás, voltmérő, ampermérő (vagy két univerzális mérőműszer), kapcsoló Végrehajtás: a) Rajzoljátok be a füzetbe a 6. táblázatot 6. táblázat A feszültség és az ellenálláson átfolyó áram erősségének a mérése Elektromos feszültség [V]

Áramerősség [mA]

Hányados U/I [V/A]

b) A séma alapján állítsátok össze az áramkört. c) Mérjétek meg az ellenálláson átfolyó áram erősségét és az ellenállás feszültségét a laposelem rúdelemeinek fokozatos (előbb egy, majd kettő, végül mind a három) bekapcsolásánál. A mért értékeket jegyezzétek fel a táblázatba. d) Minden mérésnél számítsátok ki a feszült39. ábra Az áramerősség és a feszültség mérése az ellenálláson ség- és áramerősség-értékek hányadosát. e) A mért feszültség- és áramerősség-értékek alapján szerkesszetek grafikont. f) Prezentáljátok a mérési eredményeiteket és ezek alapján levont következtetéseiteket. Válaszolj: 1. Milyen következtetésekre jutottál, amikor összehasonlítottad a mért feszültség- és áramerősség-értékeket? 2. Milyen összefüggés van a feszültség és az áramerősség között? 3. Megegyezik a feszültség és az áramerősség hányadosának az értéke a táblázatban az ellenálláson feltüntetett értékkel? Az áramerősség-feszültség függvény grafikonja 4. Hasonlítsátok össze az egész osztály mérési eredményeit. Minden csoport ugyanarra a következtetésre jutott? 5. Hogyan írnád le azt az összefüggést, amely alapján kiszámítanád az ellenállás elektromos ellenállásának a nagyságát, ha tudod mekkora áramerősség folyt át az ellenálláson és milyen nagy volt a két vége között a feszültség? 6. Befolyásolták a feszültség- vagy az áramerősség-értékek az adott ellenállást mérve az U/I arányt?

52


Az elektromos áramkörbe, amelybe áramforrás és ellenállás van kapcsolva, az ellenálláshoz egy voltmérőt és ampermérőt kapcsolunk, hogy meg tudjuk mérni az ellenálláson átfolyó áram erősségét és az ellenállás feszültségét (nézd meg az előző feladat ábráját). Az áramkörben kicserélünk két különböző ellenállást és mindegyiknél fokozatosan egyre több rúdelemet kapcsolunk az áramkörbe. A mért feszültség- és áramerősség-értékek a 7. táblázatban találhatók. Hasonló értékeket kaphattatok az előző feladatban végzett méréseknél is. Ez azoktól a részektől függ, amelyeket az áramkörbe kapcsoltatok. A mért értékekből megszerkesztjük az áramerősség-feszültség függvény grafikonját az 1 és a 2 ellenállásra vonatkoztatva. A grafikonoknak hasonlítaniuk kellene azokra, amelyeket az osztályban a mérések alapján szerkesztettetek. 7. táblázat Az elektromos feszültség mérése Feszültség U [V] 1. Ellenállás 2. Ellenállás Áramerősség I [A] Áramerősség I [A] 1 0,010 0,007 1,5 0,015 0,010 2 0,020 0,013 3 0,030 0,020 4 0,040 0,027 4,5 0,045 0,030 5 0,050 0,033 6 0,060 0,040

Az áramerősség-feszültség függvények grafikonjai az 1 és a 2 ellenálláson

A mért értékekből látjuk, ahányszor megnőtt a feszültség az ellenállások végein, annyiszor lett nagyobb a rajta átfolyó áram erőssége. A grafikonok szemléltetik az ellenálláson mért U feszültség és a rajta áthaladó I áramerősség közötti egyenes arányosságot. 1827-ben elsőként Georg Simon Ohm német fizikus fedezte fel és öntötte formába ezt a törvényszerűséget és ezért róla nevezték el Ohm törvényének. Egyszerűen így fejezhető ki: Az ellenálláson (fémvezetőn) átfolyó I áramerősség egyenesen arányos a végein mért U elektromos feszültséggel. Ohm törvényének megfogalmazásában az ellenállás mellett ott szerepel egy általános kifejezés is – fémvezető. Ez azt jelenti, hogy a törvény az áramkör fém vezetőire is vonatkozik. A 7. táblázatból láthatjuk, hogy az ellenállás 1. esetében a hányados minden G. S. Ohm (1787–1854) mért értékpár esetében – 100 V/A. Ez a megegyezés az ellenállás 2. esetében is érvényes, de az érték más – 150 V/A. A feszültség és az áramerősség hányadosa egy adott ellenállás esetében állandó mennyiség, amely az ellenállás tulajdonságaitól függ és független a feszültségtől és az áramerősségtől. Ez a hányados meghatározza az ellenállás értékét. Az elektromos ellenállás fizikai mennyiség és R betűvel jelöljük. Az elektromos ellenállást a következő összefüggésből számítjuk ki: R =

U I

Az áramkörbe kapcsolt ellenállás értékét méréssel és számítással állapíthatjuk meg. Az ellenállás mértékegysége az ohm, jele Ω (omega). A mértékegységet tehát Georg Simon Ohm német fizikusról nevezték el. A vezetőnek (ellenállásnak) 1 ohm az ellenállása, ha a vezető végein 1 V feszültség mellett 1 amper erősségű áram folyik. A gyakorlatban nagyobb egységek is használatosak, pl. kiloohm (kΩ), megaohm (MΩ). Az összefüggés szerint az áramerősség nagysága a fémvezetőben egyenesen arányos a két végén mérhető feszültséggel. Az Ohm törvényét matematikailag így is kifejezhetjük: I =

U R

Ohm törvényének érvényessége azonban korlátozott. Tudjuk már, hogy a növekvő hőmérséklettel a vezető ellenállása változik. Ez volt az oka annak, hogy Ohm törvényét miért nem az izzón végzett feszültség- és

53


áramerősség-mérések alapján vezettük le, amely nagyon gyorsan felmelegszik. Ezért az izzószálat nem tekinthetjük állandó (konstans) ellenállásnak. Az izzón mért adatokból megszerkesztett grafikon nem lenne egyenes, hanem görbületei lennének. Sok, félvezetőnek nevezett anyagból készült alkatrészre nem érvényes Ohm törvénye. A félvezetőket elsősorban az elektronikában használják és az elektromos áram vezetésének az elve itt más, mint a fémvezetőknél. Ohm törvényét az elektrotechnikában hasznosíthatjuk, ahol olyan fémvezetőket alkalmaznak, amelyeknél az átfolyó áram nem okoz felmelegedést. Az ellenállás vagy más áramköri alkatrész ellenállását közvetlenül multiméterrel is mérhetjük, ha a váltókapcsolót az Ω-val jelzett rész felé fordítjuk, és megválasztjuk a mérési tartományt. A vezetőket a COM és a VΩmA csatlakozó hüvelyekbe kapcsoljuk és az ellenállás végeihez vagy a mérni kívánt alkatrészhez csatlakoztatjuk.

Feladat A 40. ábra alapján ellenőrizd az ellenállások értékeit a panelen. a) Készíts feljegyzést a mérésekről. b) Magyarázd meg az esetleges eltéréseket a mérésekben. 40. ábra Ellenállás mérése

Az ellenálláson (a vezetőn) átfolyó elektromos áram I erőssége egyenesen arányos a két végén mért U elektromos feszültséggel. Az elektromos ellenállás egy fizikai mennyiség, a jele R. Az elektromos ellenállás mértékegységei: Ω (ohm) kΩ (kiloohm) 1 kΩ = 1 000 Ω MΩ (megaohm) 1 MΩ = 1 000 000 Ω Ohm törvényének matematikai kifejezése: I =

U R

Az ellenállás vagy a feszültség kifejezése Ohm törvényéből: R =

U ,U=R∙I I

Oldd meg a feladatokat 1. Ké 1 Két különböző ellenálláson áramerősség-értékeket mértek különböző feszültségértékek mellett. Mindkét ellenállás értékei alapján grafikont szerkesztettek. a) Állapítsd meg a grafikus ábrázolás hibáit. b) Javasolj táblázatot és jegyezd fel bele a két ellenállásra vonatkozó áramerősség- és feszültségértékeket. c) Állapítsd meg mindkét ellenállás értékét.

Az áramerősség-feszültség függvény grafikonjai az 1 és 2 ellenállásra vonatkoztatva

2. A villanyfőző 230 V feszültségre van kapcsolva és állandósult hőmérsékleten a villanyfőző ellenállása 140 Ω. Mekkora erősségű áram folyik át a főzőn? 3. A táblázatban megadott feszültségértékeknél két különböző alkatrészen átfolyó áramerősség van feltüntetve. Alaposan nézd meg a táblázatban szereplő értékeket és fontold meg, melyik alkatrészre nem vonatkozik Ohm törvénye.

1 alkatrész U (V) I (A) 1,5 0,0450 3 0,0675 4,5 0,0900

2 alkatrész U (V) I (A) 1,5 0,0150 3 0,0300 4,5 0,0450

4. Számítsd ki a gépkocsi önindítójának az ellenállását, ha 12 V feszültségű akkumulátorra van kapcsolva és 60 A erősségű áram folyik át rajta.

54


5. Az ellenálláson 12 mA erősségű áram folyik át és az ellenállás értéke 10 kΩ. Mekkora a feszültség az ellenállás két sarka között? 6. A grafikonon az izzólámpa voltamper karakterisztikáját szemléltettük. Voltamper karakterisztikának nevezzük az izzón átfolyó áramerősség függését a feszültségértékek változásaitól. Mivel magyarázod, hogy a grafikon nem egyenes?

2.7. Az elektromos ellenállás függése a vezető tulajdonságaitól Az elektromos áramköröket tartalmazó műszaki berendezésekben, de a villamos energiahálózat esetén is, pl. a lakásban meg kell fontolni, milyen anyagokat használunk. Az eddigi tapasztalatainkból tudjuk, hogy bizonyos anyagok jól vezetik az elektromos áramot, mert kicsi az elektromos ellenállásuk. Más anyagok épp ellenkezőleg, nagyobb ellenállást fejtenek ki és rossz vezetők. Az anyagok ellenállásuk szerinti összehasonlítása céljából közöljük néhány 1 m hosszú, 1 mm2 kereszt8. táblázat Ellenállás értékek néhány 1 m hosszú, 1 mm2 metszetű vezető ellenállásának mért értékét. Mivel a keresztmetszetű vezető esetén, 20 C-on vezető ellenállása függ a hőmérséklettől, az adatok Anyag Ellenállás R [Ω] Anyag Ellenállás R [Ω] 20 C-ra vonatkoznak, amelyen a mérés történt. ezüst 0,015 vas 0,099 A táblázatban szereplő ellenállás-értékekből látarany 0,022 ólom 0,210 ható, hogy ha legkisebb ellenállású vezetőt akarunk réz 0,017 konstantán 0,490 választani, akkor többnyire a réz és az alumínium jön alumínium 0,027 szén 60,00 számításba. A kis ellenállás mellett más jó tulajdonsávolfrám 0,053 üveg 5 · 1010 gaik is vannak. Jól alakíthatók és ellenállók a korrózióval szemben, főképp a rézvezetők. Az ellenállás az anyag tulajdonsága. Egyelőre nem tudjuk, hogy függ össze a vezető hosszával vagy a keresztmetszetével. A mérés során a 8. táblázatban minden vezetőnél azonos paraméterekkel dolgoztunk. Mérjük meg egy vezető – a grafit, a töltőceruza anyaga – ellenállását, két különböző hosszúság mellett. A grafit a szén egyik módosulata, amely jól vezeti az áramot.

1. feladat Állapítsátok meg, hogyan függ a vezető elektromos ellenállása az anyagától, a hosszától és a keresztmetszetétől. meg a töltőceruzában használt különböző fajtájú grafitbetétek ellenállását eltérő hosszúság és a) Mérjétek M vastagság mellett. b) Mérjétek meg a grafittal azonos hosszúságú, eltérő szélességű alufólia-csíkok ellenállását. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: HB (esetleg H) keménységű grafitbetét-készlet, multiméter, 2 krokodilcsipeszben végződő vezető, vastagabb polisztirol alátét, 3 rövidebb hurkapálca (a polisztirol vastagságától függően), egy keskenyebb és egy szélesebb, a grafittal azonos hosszúságú (12 cm) alufólia-csík Végrehajtás: a) Mérjétek meg a grafit hosszát (rendszerint 12 m) és a polisztirol alátétbe szúrjatok be egy bizonyos távolságra egymástól két hurkapálcát úgy, hogy rájuk lehessen függeszteni a vezetőket a krokodilcsipeszekkel. Mérjétek meg a hurkapálcák közötti távolságot és a felénél szúrjatok be közéjük a polisztirolba egy harmadik hurkapálcát.

55


b) Készítsetek elő egy multimétert az ellenállás mérésére, amelyen a mérési tartomány is beállítható és két ábra, 53. old.). krokodilcsipeszben végződő végződ vezető ő van hozzákapcsolva (40. ábra d.).

a

b

c

c) Kapcsoljátok össze a krokodilcsipeszeket az ábra alapján és mérjétek meg az ellenállásukat. Az ellenállás értékét jegyezzétek fel, mert ezt ki kell majd vonni a mért ellenállás-értékekből. d) Mérjétek meg az egész grafit rudacska ellenállását és jegyezzétek fel az értékét kivonva belőle a krokodilcsipeszek ellenállását. e) Toljátok az egyik vezetőt fél távolságra és mérjétek meg a grafit felének az ellenállását. Jegyezzétek fel azt az értéket, amelyből már ki van vonva a krokodilcsipeszek ellenállása. f) Szorosan kössetek egymáshoz párhuzamosan két grafit rudacskát egy fonallal és mérjétek meg az ellenállásukat. Megjegyzés: A két grafit rudacskát mérve kezetekkel is egymáshoz szoríthatjátok azokat. Az emberi bőr ilyen kis feszültségek esetén szigetelő burokként szolgál, és nem kellene, hogy hatással legyen a mérésre. g) Ismételjétek meg a mérést egy keskenyebb és egy szélesebb alufólia-csíkkal, amelyek hossza megegyezik a grafit rudacskáéval. Az értékek feljegyzésekor ki kell vonni a krokodilcsipeszek ellenállását. Válaszolj: 1. Hasonlítsd össze az egész grafit rudacska ellenállását a félhosszúságú grafit rudacska ellenállásával. 2. Hasonlítsd össze egy grafit rudacska ellenállását a kétszeres átmérőjű grafit ellenállásával. Függ a grafit ellenállása a harántmetszetétől? 3. Hasonlítsd össze a keskeny alufólia-csík ellenállását a grafit ellenállásával. 4. A vezető anyaga hatással van-e az ellenállás értékére? A laboratóriumban hasonló méréseket végeztünk, mint az előbbi feladat esetében, csak konstantánból készült huzallal. A konstantán fémek (Ni 40 %, Cu 58 %, Mn 2 %) ötvözete és azzal tűnik ki, hogy ellenállása csak kis mértékben függ a hőmérséklettől, ezért alkalmas a mi méréseinkhez. A 4 m hosszú, 0,48 mm2 keresztmetszetű huzal ellenállása 4 Ω volt. Amikor a huzal fele hosszúságú volt, ellenállásának értéke is a fele volt, kb. 2 ohmnak adódott. Megismételtük a méréseket a konstantán huzallal, de azzal az eltéréssel, hogy a keresztmetszete ezúttal 1 mm2 volt. A 4 m hosszú huzal ellenállása kb. a felére csökkent, 2 Ω-ot mértünk (a pontos érték 1,96 Ω lett volna). Ugyanennek a huzalnak a fele hosszánál az ellenállás értéke megközelítőleg 1 Ω volt. A mérésekből tehát az következik, hogy: A huzal elektromos ellenállása (R) egyenesen arányos a hosszával (l). Ezt az állítást röviden így is felírhatjuk: R~l A huzal elektromos ellenállása (R) fordítottan arányos a keresztmetszetével (S). Ezt az állítást röviden így is felírhatjuk:

R~

1 S

Amennyiben ugyanezeket a méréseket más anyagokból készült huzalokkal megismételnénk, pl. rézdróttal, az értékek sokszorosan kisebbek lennének. Egy méter hosszú és 1 mm2 keresztmetszetű rézdrót ellenállásának értéke 28-szor kisebb (lásd a 8. táblázatot) mint a konstantáné.

56


Az, hogy az elektromos ellenállás függ a vezető anyagától, egy fizikai mennyiség, a fajlagos ellenállás (rezisztivitás) fejezi ki. A fajlagos ellenállás jele ρ (ró). Megjegyzés: A sűrűség és a fajlagos ellenállás jele azonos – ρ.

A fajlagos ellenállás egysége az ohmméter, jele Ω.m. Használják az Ω.mm egységet is, Ω.mm = 0,001 Ω.m. A mérésekből tehát következik, hogy: A huzal ellenállása (R) függ a huzal anyagától, amit a fajlagos ellenállás (ρ) fejez ki. Ezt az állítást röviden is felírhatjuk: R~ρ A kísérleti eredményekből következik, hogy a huzal elektromos ellenállására érvényes:

R=ρ·

I S

Néhány anyag fajlagos ellenállása a 8. táblázatban található adatokat felhasználva kiszámítható a következő összefüggés alapján:

ρ=R·

S I

2. feladat Számítsátok ki a 12 cm hosszú, 1 mm2 keresztmetszetű grafit rudacska ellenállását. Használjátok a 8. táblázat szénre vonatkozó adatát. táblá a) Hasonlítsátok össze a kiszámított és az 1. feladatban mért értéket. b) Mi okozhatta az eltérést a kiszámított és a mért ellenállás-érték között? Az előző, 2.6. részben hangsúlyoztuk a vezető hőmérséklete és ellenállása közötti összefüggést. A fémvezető hőmérsékletének emelkedésével nő az elektromos ellenállása. Fokozódik a részecskék hőmozgása, ezáltal nagyobb akadályokba ütközik az elektronok rendezett mozgása. A vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt kevesebb elektromos töltés halad át, csökken az áramerősség értéke. A huzal elektromos ellenállása (R) egyenesen arányos a hosszával (l) és fordítottan arányos a keresztmetszetével (S). Az ellenállás függését az anyagtól egy fizikai mennyiség, a fajlagos ellenállás fejezi ki, amelynek jele: ρ. A fajlagos ellenállás (rezisztivitás) egysége az ohm.méter, jele: Ω · m. A huzal elektromos ellenállását így számítjuk ki: S ρ=R· I

Oldd meg a feladatokat 1. Az 1 m hosszú, 1 mm2 keresztmetszetű rézvezető elektromos ellenállásának értéke 20 C-on a 8. táblázat 1 szerint 0,017 Ω és 0 C-on 0,016 Ω. Magyarázd meg az eltérő ellenállásértékeket a hőmérséklet megváltozásakor. 2. Számítsd ki egy 1 km hosszú és 1 mm2 keresztmetszetű rézhuzal és egy ugyanilyen méretű alumíniumhuzal ellenállását. Mekkora átmérőjűnek kellene lennie az alumíniumhuzalnak, hogy a két ugyanolyan hosszúságú huzal ellenállása megegyezzen?

57


3. Gyűjts információkat az emberi test elektromos ellenállásáról és az emberre veszélyes feszültség-érté3 kekről. 4. Az alumíniumból készült távolsági elektromos vezetékek keresztmetszete 5 cm2. Számítsd ki a 200 km hoszszú alumíniumvezeték ellenállását. Keresd ki a további feladat megoldásához szükséges adatokat. (Ügyelj az egységek átalakítására.) 5. Bizonyos hosszúságú vezetőkben mérték az átfolyó áramerősséget és az ellenállást. a) A grafikon alapján leolvasott ellenállásértékeket jegyezd fel a 9. táblázatba az adott hosszúságértékek mellé. b) Számítsd ki a vezető két végpontján a feszültséget az adott áramerősség- és ellenállásértékek mellett. 9. táblázat R [Ω]

l [m]

Hosszúság l [m] 0,30 0,60 0,90 1,19 1,49

Áramerősség I [A] 0,140 0,132 0,130 0,119 0,120

Ellenállás R [Ω]

Feszültség U [V]

A vezető ellenállás-hosszúság függvényének grafikonja

2.8. Változó ellenállású rezisztor Elektromos áramkört tartalmazó műszaki berendezésekben gyakran szükség van az áramerősség változtatására, mert szükségünk van pl. a villanymotor fordulatszámának, az izzólámpa fényességének vagy a hang erősségének a megváltoztatására. Az előző fejezetben arra a következtetésre jutottunk, hogy a vezető ellenállása függ az olyan tulajdonságaitól, mint az anyaga, a hossza és a keresztmetszetének a nagysága. A következő feladatban azzal a problémával foglalkozunk, hogyan lehetne folyamatosan szabályozni az izzólámpa fényességét az áramkörben, ami azt jelenti, hogy megváltoztatni az izzólámpán átfolyó áram erősségét.

Feladat Kapcsoljatok a laposelemből, izzólámpából és grafitból álló áramkörbe különböző hosszúságú grafit ruKa dacskákat és figyeljétek az izzó fényességét. Mérjétek meg az izzón átfolyó áramerősséget az áramkörbe kapcsolt különböző grafithosszúságok mellett. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 12 cm hosszúságú HB keménységű grafit betét töltőceruzába, multiméter, 2 krokodilcsipeszben végződő vezető, vastagabb polisztirol alátét, 5 rövidebb hurkapálca (a polisztirol vastagságának megfelelően), vonalzó, laposelem (4,5 V), izzólámpa (4,5; 0,3 V) Végrehajtás: a) Mérjétek meg a grafit hosszát (rendszerint 12 cm) és a polisztirol alátétbe 12 cm távolságra szúrjatok két hurkapálcát, hogy ráhelyezhetők legyenek a vezetők a krokodilcsipesszel. A hurkapálcák közötti távolságot osszátok fel 4 részre 3 centiméterenként és szúrjatok a polisztirolba három további hurkapálcát. (Ilyen eszköz volt a 2.7. fejezetben az 1. feladatban is, csak itt kisebb részekre van osztva.) b) Szerkesszetek egy táblázatot a mért értékek és a megfigyelések feljegyzésére.

58


10. táblázat Különböző hosszúságú grafit rúd ellenállás-értéke és az izzón áthaladó áramerősség nagysága A grafit hossza l [cm] A grafit ellenállása R [Ω] Áramerősség I [mA] Megfigyelés 3 6 9 12

c) Mérjétek meg a grafit ellenállását ohmmérővel a 10. táblázatban feltüntetett különböző hosszúságoknál. d) Az ábra alapján állítsatok össze áramkört úgy, hogy a táblázatban szereplő hosszértékeknél megmérjétek az áramkörön átfolyó áram erősségét. Az egyes méréseknél figyeljétek az izzólámpa fényességét. Válaszolj: 1. Hogyan változott az áramerősség nagysága a grafit ellenállásának változásainál? 2. Hogyan változott az áramkörben az izzólámpa fényessége az ellenállás és az áramerősség változásakor? Az áramerősség változtatására az áramkörben egy potenciométernek (csúszó ellenállásnak, változtatható ellenállásnak) nevezetett áramköri elem szolgál. A potenciométer egy változó ellenállású rezisztor. A laboratóriumokban használt ellenállások (rezisztorok) úgy készülnek, hogy egy szigetelt hengerre (pl. kerámiahengerre) ellenálláshuzalt csévélnek. A huzal két végét összekapcsolják az 1 és a 2 csatlakozóval. A harmadik csatlakozó össze van kötve egy mozgatható csúszóérintkezővel – szánnal és így kevesebb vagy több menetet lehet bekapcsolni az áramkörbe. Ezáltal változtatható az áramkörbe kapcsolt vezető hossza és az ellenállása is. A 41. ábrán egy henger alakú csúszó ellenállás, az ellenállás belső része, sematikus jele és áramköri működésének elve, valamint az áramkör sémája is látható.

sematikus jelölés csúszóérintkező

41. ábra A csúszó ellenállás alkalmazása az áramerősség változtatására és áramköri kapcsolása


59

Az áramkörben folyó áram erőssége annál nagyobb lesz, minél kevesebb menet lesz az áramkörbe kapcsolva. Abban a feladatban, amelyben különböző hosszúságú grafit rudacskákat kapcsoltunk az áramkörbe, a lehető legrövidebb grafitdarabot kellett csatlakoztatni, hogy az izzó a legfényesebben világítson. Ugyanakkor a teljes hosszúságú grafit rudacska csatlakoztatásakor volt az izzó fényessége a legkisebb. Az áramkörben a legkisebb áramerősség-értéket mértük. A csúszó ellenállást az áramkörökben feszültségosztóként is használhatjuk, ennek az áramköri elemnek a neve potenciométer. Ilyen eszköz az iskolai szertárakban is található. Ha ezt a berendezést az áramforráshoz, vagyis a laposelemhez kapcsoljuk (a 42. ábrán látható séma szerint), a csúszóérintkezőt jobbra vagy balra elmozdítva változtathatjuk a feszültséget.

42. ábra Az iskolai potenciométer alkalmazása feszültségosztóként és csatlakoztatása az áramkörhöz

A csúszó ellenállás 1, 2 végei között akkora a feszültség, mint az áramforráson, vagyis a laposelemen. A csúszóérintkező és a csúszó ellenállás egyik vége között a feszültség kisebb. A csúszóérintkező mintha leválasztaná a csúszó ellenállás feszültségének egy részét, ezért lehet az így kapcsolt csúszó ellenállást feszültségosztóként használni. Ez az áramköri elem lehetővé teszi az áramforrás feszültség-értékének a megváltoztatását, amely a fogyasztó számára optimális. A csúszó ellenállásokat és a potenciométereket az áramkörökben használják, de vannak műszaki kivitelezésű változataik is. A 43. ábrán egy gombbal irányítható csúszó ellenállás látható.

drótmenet forgó csúszóérintkező

a csévélés vége

a csúszóérintkező kivezetése

a csévélés vége

a csévélés vége

a csúszóérintkező kivezetése

a csévélés vége

csúszó ellenállás felvételrögzítő stúdió csúszó ellenállásokkal 43. ábra Csúszó ellenállások más műszaki kivitelben

A csúszó ellenállásokat a hang szabályozására a felvételrögzítő stúdiókban is használják. A régebbi rádiókészülékekben ezekkel szabályozták a hangerőt. Ma elektronikus potenciométereket használnak, amelyek integrált áramkörök. A szabályozást nem a csúszka elforgatásával végzik, hanem az áramkört a digitális kommunikációs vonalon keresztül irányítják. Az elektronikus potenciométer lehetővé teszi pl. a hangerő digitális beállítását.

A változtatható ellenállású rezisztort (ellenállást) toló ellenállásnak, csúsztató ellenállásnak nevezik. A csúszó ellenállást az áramkör elemeként és feszültségosztóként is használhatják. Ezt az utóbbit potenciométernek nevezzük.

60


Oldd meg a feladatokat 1. Ja 1 Javasolj és állíts össze egy grafit rudacskát is tartalmazó áramkört úgy, hogy ez feszültségosztóként – potenciométerként működjön. a) Kapcsolj az áramkörbe izzólámpát és mérőkészülékeket is. b) Rajzold le az áramkör sémáját. 2. Az ábrán két áramkör sémája látható. Mi a szerepe a toló ellenállásnak az a ábrán? Mi a szerepe a b ábrán? Állításodat indokold meg.

a

b

3. Az a ábrán egy elforgatható csúszó ellenállás a b ábrán pedig egy régebbi típusú karos ellenállás sémája látható. Mindegyik alkalmazható az erős fényforrás fényerősségének a szabályozására. Magyarázd meg, hogyan használnád az áramköri elemeket a fényesség szabályozására. A k jel a berendezés mozgó elemét jelöli.

a elforgatható csúszó ellenállás

b karos ellenállás

Tudod-e, hogy… Edison legnagyobb találmányai 1876–1883 között keletkeztek Menlo Park városkában, az USA New Jersey tagállamában; 1954-ben a települést Edisonnak nevezték el. 1876-ban benyújtotta a szén csúszó ellenállás szabadalmát. 1877-ben feltalálta a sokszorosító gépet és a fonográfot. Két évvel később (1879-ben) meggyújtotta az első izzót, amelyet később kiegészített egy fejjel és menettel, amelyet Edison-menetnek is neveznek. 1883-ban megnyitotta a világ első villanyerőművét a nyilvánosság szükségleteinek a kielégítésére. Cége ettől kezdve magánszemélyeknek adta el a villanyáramot. (További információk, lásd a 38–39. oldalt, Oldd meg a feladatokat, 1. feladat.)

61


Fontos kifejezések Magyarázd meg a táblázat két oszlopában feltüntetett kifejezéseket. oszlopban található fogalmakhoz rendelj a jobb oldali oszlopból olyan kifejezéseket, amelyek szeA baloldali bal rinted jelentésüket illetően a leginkább összetartoznak.

elektromos áramerősség

elektromos áramkör

elektromos feszültség

elektromos ellenállás

elektronok rendezett mozgása voltmérő vezető keresztmetszete elektromos vezető hőhatások soros kapcsolás volt Ohm törvénye párhuzamos kapcsolás fémvezető hőmérséklete fémrács elektromos szigetelő fogyasztó elektromos erő izzólámpa elektromos mező áramforrások amper potenciométer vezető hossza fajlagos ellenállás telep (galvánelem) elektronok hőmozgása ampermérő ellenállás ohm csúszó ellenállás elem

Amit megtanultunk Egyszerű áramkör Sematikus jelölések, az áramkör sémája:

Zárt áramkör áramforrással, vezetőkkel és fogyasztóval

62


Elektromos vezetők és szigetelők Elektromos vezetők: alumínium, réz, acél, grafit… Elektromos szigetelők: gumi, üveg, fa, polisztirol… Fémek vezetőképessége Fém kristályszerkezete Szabad elektronok Elektronok hőmozgása Elektronok rendezett mozgása Az elektronoknak a vezetőben a galvánelem biztosítja az energiát. A vezetőben elektromos mező alakul ki, amelyben elektromos erő hat.

szabad ionok elektronok az elektronra ható elektromos erő a szabad elektronok rendezett mozgása (az áramforrás negatív sarkától a pozitív sarok felé) a szabad elektronok különböző irányú hőmozgása

Az áram hőhatása

Áramerősség g (I) fizikai mennyiség, mértékegysége az amper (A) A vezetőben 1 A erősségű áram folyik, ha a keresztmetszetén másodpercenként 1 coulomb (C) össztöltésű részecske halad át. Az áramkörben az áramerősség mérésekor az ampermérőt és a mért fogyasztót sorba kapcsoljuk.

Elektromos feszültség (U) fizikai mennyiség, mértékegysége a volt (V) Az elektromos feszültség összefügg azzal a munkával, amely a töltéssel rendelkező részecskék szállításához szükséges a fogyasztó csatlakozói között. Az áramkörben a fogyasztó vagy az áramforrás feszültségének mérésekor a voltmérőt és a fogyasztót vagy az áramforrást párhuzamosan kapcsoljuk.

Az áramkörbe ellenállásoknak nevezett áramköri elemeket csatlakoztatnak. Az ellenállás (rezisztor) olyan vezető, amely az elektromos árammal szemben ellenállást fejt ki. A feszültség- és az áramerősség-értékeket mérve két ellenálláson arra a következtetésre jutottunk, hogy ahányszor nőtt a feszültség az ellenállások két végén, annyiszor nőtt a rajtuk átfolyó áram erőssége.

Ohm törvénye Az ellenálláson (fémvezetőn) átfolyó I erősségű áram egyenesen arányos a két végük között mérhető U elektromos feszültséggel.

I=

U R

U=I·R

R=

U I


63

Az az állítás, hogy az ellenállás egyenesen arányos a feszültséggel és fordítottan arányos az áramerősséggel, helytelen! A helyes állítás az, hogy a vezető ellenállásának értékét az adott vezetőn mért feszültség- és áramerősség-értékek hányadosából kapjuk meg. A vezető elektromos ellenállása (R) egyenesen arányos a vezető hosszúságával (l) és fordítottan arányos a vezető keresztmetszetével (S). Az elektromos ellenállás függését az anyagtól a fajlagos ellenállás (rezisztencia) fizikai mennyiség fejezi ki. A I vezető elektromos ellenállását a következő összefüggésből számítjuk ki: R = ρ · S Az áramkörben az áramerősség szabályozására egy csúszó ellenállásnak nevezett áramköri elemet használnak. A csúszó vagy toló ellenállás egy változtatható ellenállású rezisztor (ellenállás). A toló ellenállást az áramkörökben feszültségosztóként is alkalmazhatják. Ezt az áramköri elemet potenciométernek nevezzük. Az áramerősség szabályozására szolgáló csúszó ellenállás

Feszültségosztó potenciométer

2. teszt – feleltesd le önmagadat A teszt megoldásához szükséged lesz zsebszámológépre, vonalzóra és íróeszközökre. Gyakorlati feladatok A laboratóriumi álláshelyeden elő vannak készítve az eszközök: 4,5 V-os laposelem, két egyforma izzólámpa, vezetők és egy multiméter. Megjegyzés: A mérést befejezve szedd szét az áramköröket és tedd rendbe a laboratóriumi álláshelyedet. 1. Állíts össze egy elektromos áramkört, amelyben egy telep és egy izzólámpa lesz. a) Használj megfelelő mérőműszert, és mérd meg az izzón átfolyó áram erősségét. Jegyezd fel az áramerősség értékét. b) Rajzold le az általad összeállított áramkör kapcsolási sémáját (és a mérőműszer kapcsolását is). 2. Állíts össze egy elektromos áramkört, amelyben egy telep és két izzólámpa lesz, miközben az izzók sorba vannak kapcsolva. a) Használj megfelelő mérőműszert, és mérd meg valamelyik izzó feszültségét. A feszültség értékét jegyezd fel. b) Rajzold le az általad összeállított áramkör kapcsolási sémáját (a mérőműszer kapcsolását is.)

64


Elméleti feladatok 3. Az áramkörbe kapcsolt ellenállás sarkain egy adott pillanatban 3,74 V feszültséget mértünk 170 mA átfolyó áramerősség mellett. Számítsd ki a rezisztor ellenállását. (Áttekinthetően jegyezd fel az értékeket és a számítást.) 4. A grafikonon fel vannak tüntetve az ellenálláson mért feszültségértékek és a rajta áthaladó áram erősségének értékei. a) Határozd meg a rezisztor ellenállását. b) Érvényes az adott ellenállás esetében Ohm törvénye? Válaszodat indokold meg.

5. Az ismert 100 Ω ellenállású rezisztoron a 0 V és 6 V közötti tartományban változtattuk az elektromos feszültséget és mértük az áramkörben folyó áram erősségét egy bizonyos feszültségértéknél. a) Javasolj táblázatot erre a mérésre, és jegyezz fel legalább 4 feszültség- és ennek megfelelő áramerősség-értéket. b) A táblázatban szereplő adatok alapján rajzolj grafikont. (Ne felejtsd el megjelölni a grafikon tengelyeit és a megnevezését.) 6. A séma alapján összeállított áramkör bekapcsolása után a csúszó ellenállás csúszóérintkezőjét eltoljuk az 1 pontból a 2 pontba. a) Hogyan változik eközben az izzólámpa fényessége? b) Ha közben az áramkörben folyó áram erősségét is mérnénk, az adott elmozdulás során, hogyan változna meg az áramerősség nagysága? Válaszodat indokold meg. 7. Jelöld meg a vezető ellenállásával kapcsolatos helyes megállapításokat. (Több helyes válasz is lehet.) a) A vezető ellenállása egyenesen arányos a feszültséggel és fordítottan arányos a hosszával. b) A vezető ellenállását meghatározhatjuk, ha a két vége között mért feszültséget elosztjuk az áramerősség értékével. c) A vezető ellenállása egyenesen arányos az áramerősséggel és fordítottan arányos a két vége között mért feszültséggel. d) A vezető ellenállása függ a fajlagos ellenállástól, egyenesen arányos a hosszúságával és fordítottan arányos a keresztmetszetével. e) A vezető ellenállása függ a fajlagos ellenállástól, egyenesen arányos a keresztmetszetével és fordítottan arányos a hosszával.

65


2.9. A fogyasztók soros kapcsolása az elektromos áramkörben Az elektromos fogyasztókat, pl. az izzólámpákat egyrészt egymás után sorba kapcsolhatjuk az áramkörbe, és ezt a kapcsolási módot soros kapcsolásnak nevezzük, másrészt egymás mellé is, és ez a párhuzamos kapcsolás. Mindkét kapcsolási móddal találkoztunk mára 2.3. és a 2.5. fejezetekben, amikor ampermérőt és voltmérőt kapcsoltunk az áramkörbe. A fogyasztók soros kapcsolását alaposabban megvizsgáljuk, mégpedig úgy, hogy az áramerősséget és a feszültséget megmérjük az áramkörben. Egy ilyen áramkörben a mérési eredményeket értelmezve általánosíthatjuk azokat a szabályokat, amelyek az ellenállásra, a feszültségre és az áramerősségre vonatkoznak. L1

Feladat

L2

44. ábra A fogyasztók soros kapcsolása, a kapcsolás sémája

Az áramkörbe sorosan kapcsolt fogyasztókon megmérve a feszültséget és az átfolyó áram erősségét, általánosítsátok az áramerősség, a feszültség és az ellenállás nagyságára vonatkozó szabályokat. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: laposelem (4,5 V), 2 izzólámpa (4,5 V; 0,3 A vagy 3,5 V; 0,2 A, de megfelel két különböző izzó is), multiméter, 5 vezető, 2 krokodilcsipesz Végrehajtás: a) Készítsétek el a 10. táblázatot. 10. táblázat Az áramerősség mérése sorosan kapcsolt fogyasztókat tartalmazó áramkörben A mérés száma 1 2 3

Áramerősség I(mA)

b) A séma alapján állítsatok össze egy áramkört és fokozatosan mérjétek meg az áramerősséget az áramkörben a sémán megjelölt 1, 2, 3 pontoknál. A kapott adatokat jegyezzétek fel a 10. táblázatba. c) Készítsétek el a 11. táblázatot.

11. táblázat Az áramkörbe sorosan kapcsolt fogyasztók feszültségének mérése Mérés L1 L2 L1 + L2

Feszültség U [V] U1 = U2 = U=

L1

L2

d) Kapcsoljátok az áramkörbe a multimétert az L1 feszültségének mérésére és fokozatosan mérjétek meg az elektromos feszültséget az L1 és az L2 izzók sarkain. Az értékeket jegyezzétek fel a 11. táblázatba. e) A mért feszültség- és áramerősség-értékekből számítsátok ki az L1 izzólámpa R1 és az L2 izzólámpa R2 ellenállását. f) A két izzólámpa (L1, L2) külső sarkain mért feszültség- és áramerősség-értékekből számítsátok ki az izzólámpák R ellenállását.

66


Válaszolj: 1. Mi történik az áramkörben, ha az egyik izzólámpát kicsavarod a foglalatból? Bizonyosodj meg a feltételezésedről. 2. Hasonlítsd össze az U1 és U2 feszültség összegét a sarkokon az U eredő feszültséggel. Milyen következtetést fogalmazhatsz meg? 3. Hasonlítsd össze az izzólámpák kiszámított R1 és R2 ellenállásainak összegét a eredő R ellenállással. Milyen következtetést fogalmaznál meg? Az áramkörben, ahol két fogyasztó sorba van kapcsolva, méréssel meggyőződhettetek róla, hogy az áramerősség azonos. Az áramkör különböző pontjain azonos értékeket mérünk. Megmérve az első izzólámpa sarkain az U1 és a másik izzólámpa U2 feszültségét, majd összehasonlítva összegüket az eredő feszültséggel, azt látjuk, hogy U = U1 + U2

U I I

I U1

U2

A két sorosan kapcsolt fogyasztó külső sarkain mért U feszültség egyenlő az egyes fogyasztók sarkain mért U1 és U2 feszültségek 44. ábra Fogyasztók soros kapcsolása összegével. Az izzók sarkain mért feszültség- és az áramkörben folyó áram erősségének értékéből kiszámíthatjuk az R1 ellenállást az L1 izzón és az R2 ellenállást az L2 izzón: R1 =

U1 U ; R2 = 2 I I

A két izzólámpa eredő ellenállását az izzók eredő U feszültségéből és az I áramerősségből számítjuk ki. Ha öszszehasonlítjuk a kiszámított R1 és R2 értékeket az eredő R ellenállással, látjuk, hogy R = R1 + R2 A sorosan kapcsolt fogyasztók eredő ellenállása egyenlő az egyes fogyasztók ellenállásának az összegével. Szemléletesen kifejezi ezt az állítást a 45. ábra. A négy önálló ellenállásból mintha egy ellenállás jönne létre, amely ezeknek az összege. Az előző feladatban az izzókon mért feszültségértékek és a kiszámított ellenállásértékeik alapján vegyünk észre még egy tényt. Ha összeadjuk az izzók feszültségének és ellenállásának hányadosait, akkor arra a következtetésre jutunk, hogy az izzókon a feszültség az ellenállásuk arányában oszlott meg. Ez a tény Ohm törvényéből következik, amelyet az I =

egyforma áramerősség folyik, érvényes, hogy az

45. ábra Az áramkörbe sorosan kapcsolt ellenállások összegének szemléltetése

U összefüggésből számítunk ki. Mivel az izzókon R

U1 U2 = hányadosok egyenlőek. Egyszerű matematikai I1 I2

átalakítással arra a következtetésre jutunk, hogy U1 : U2 = R1 : R2 A két sorosan kapcsolt fogyasztó feszültségének aránya megegyezik az ellenállásuk arányával.

A sorosan kapcsolt fogyasztókból álló áramkörben érvényes: Az áramerősség az áramkör minden pontján egyenlő: I = I1 = I2. Az egyes fogyasztók sarkain mért feszültségek összege egyenlő a két fogyasztó külső sarkain mért feszültséggel: U = U1 + U2. A fogyasztók eredő ellenállása egyenlő az ellenállásaik összegével: R = R1 + R2. A fogyasztók feszültségeinek aránya azonos az ellenállásaik arányával: U1 : U2 = R1 : R2.

67


Oldd meg a feladatokat 1. M 1 Mihály a két sorosan kapcsolt izzólámpából álló áramkörben mérte az áramerősséget és az izzók feszültségét. A kapott értékek alapján kiszámította, hogy az 1. izzó ellenállása R1 = 13,6 Ω, a 2. izzó ellenállása R2 = 8 Ω. Milyen a feszültségek aránya a két izzón? 2. Az áramkörbe sorosan kapcsolt két ellenállás szélső sarkain 4,5 V feszültség volt. Az első R1 rezisztor ellenállásértéke 10 Ω, a második R2 rezisztor ellenállásértéke 40 Ω volt. a) Rajzold le az ellenállások áramköri kapcsolásának a sémáját. b) Számítsd ki az ellenállásokon átfolyó áram erősségét. c) Milyen feszültséget mérnétek az R1, illetve az R2 ellenálláson? 3. 220 V feszültségre sorosan három ellenállást kapcsoltak (R1 = 100 Ω, R2 = 40 Ω, R3 = 300 Ω). Számítsd ki: a) a rezisztorok eredő ellenállását, b) az áramkörön átfolyó áram erősségét, c) az egyes ellenállások feszültségét. 4. 230 V-os áramforrásra sorosan több kis izzólámpát kapcsoltak. a) Hogyan viselkedik a többi izzó, ha az egyikük kiég? b) Hány izzólámpa lehet bekapcsolva az áramkörbe, hogy az ne égjen ki, ha az izzólámpán 3,5 V volt feltüntetve. c) Mekkora egy izzó ellenállása, ha az áramkörön átfolyó áram erőssége 200 mA?

2.10. A fogyasztók párhuzamos kapcsolása az elektromos áramkörben A fogyasztók soros kapcsolása oda vezethet, hogy ha az egyikük meghibásodik, a több is működésképtelen lesz. Ha az egyik izzó kiég, a többi sem fog világítani. Ha a fogyasztókat párhuzamosan, egymás mellé kapcsoljuk, ahogy ez a 46. ábrán látható, az egyik meghibásodásakor a másik fogyasztó működőképes marad.

csomópont

L1

L1

mellékág mellékág az áramkör főága (el nem ágazó része) 46. ábra A fogyasztók párhuzamos kapcsolása, a kapcsolási séma

A párhuzamos áramkör elágazik. Az áramkör (a 46. ábra szerint) két mellékágat alkot. Mindegyikben egy izzólámpa található. Azok a helyek, ahol az áramkör elágazik – a csomópontok. Alaposabban szemügyre vesszük a fogyasztók párhuzamos kapcsolását, mégpedig úgy, hogy megmérjük ebben az áramkörben az áramerősséget és a feszültséget. Egy ilyen áramkörben a mérésekről és a mérési eredményekről elgondolkodva általánosíthatjuk az ellenállásra, a feszültségre és az áramerősségre vonatkozó szabályokat.

68


Feladat A párhuzamosan kapcsolt fogyasztókból álló áramkörben elvégzett feszültség és áramerősség mérések alapján általánosítsátok az áramerősség, a feszültség és az ellenállás nagyságára vonatkozó szabályokat. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: laposelem (4,5 V), 2 izzólámpa (4,5; 03 A vagy 3,5 V; 02 A, de alkalmas két különböző izzó is), multiméter, 6 vezető, 2 krokodilcsipesz Végrehajtás: a) Rajzoljátok meg a 12. táblázatot. 12. táblázat Az áramerősség mérése a párhuzamosan kapcsolt fogyasztókból álló áramkörben Mérések száma 1 2 2

Áramerősség I [mA] I= I1 = I2 =

b) A séma szerint állítsátok össze az áramkört és fokozatosan mérjétek meg az áramerősséget a szemléltetett pontokon. A mérési adatokat jegyezzétek fel a 12. táblázatba. c) Rajzoljátok meg a 13. táblázatot.

13. táblázat A feszültség mérése a párhuzamosan kapcsolt fogyasztókból álló áramkörben Mérés L1 L2 F (forrás)

L1 L2

Feszültség U [V]

d) Kapcsoljátok az áramkörhöz a feszültség mérésére a multimétert és fokozatosan mérjétek meg a feszültséget az L1 és az L2 izzók sarkain, valamint az áramforráson. A kapott eredményeket jegyezzétek fel a 13. táblázatba. e) A kapott feszültség- és áramerősség-értékekből számítsátok ki az L1 izzó R1, illetve az L2 izzó R2 ellenállását. Válaszolj: 1. Mi történik az áramkörben, ha az egyik izzólámpát kicsavarod a foglalatból? Győződj meg a feltételezésedről. 2. Hasonlítsd össze az L1 és L2 izzók mellékágaiban az I1 és I2 áramerősségek összegét a főág áramerősségével. Milyen következtetést fogalmaznál meg? 3. Hasonlítsd össze a mellékágakban az izzók sarkain mérhető feszültség-értékeket az áramforrás feszültségével. A főágban mérve az áramerősséget meggyőződhettetek arról, hogy az áramerősség nagyobb, mint az egyes mellékágakban mért I1 és I2 értékek. A mérésekből kitűnt, hogy a mellékágak áramerősség-értékeinek összege egyenlő a főágban mért áramerősség-értékkel.

69


I = I1 + I2 Az áramkör főágában folyó áram erőssége egyenlő a mellékágakban folyó áramerősségek összegével. A feszültség mérése céljából fokozatosan rákapcsolva a multimétert az egyes izzólámpákra és az áramforrásra, a kapott értékek alapján megállapíthattátok, hogy minden fogyasztón ugyanakkora U feszültség volt, mint az áramforráson. Az egyes izzók ellenállását az áramkörben ki tudjuk számítani a feszültség- és az áramerősség-értékekből:

R1 =

U U ; R2 = I1 I2

U U

U

I2 I1

I

A két párhuzamosan kapcsolt izzó eredő R ellenállását a következő kifejezés alapján számítjuk ki:

47. ábra A fogyasztók soros kapcsolása

I = I1 + I2 amelybe Ohm törvénye nyomán behelyettesítünk:

U U U = = R R1 R 2 Tudjuk, hogy a feszültség a mellékágakban megegyezik a főág feszültségével, ezért az egyenletet eloszthatjuk a feszültség értékeivel:

1 1 1 = = R R1 R 2 A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók ellenállásának eredő reciproka (fordított értéke) megegyezik az egyes fogyasztók ellenállásának reciprokával. Ha a párhuzamos áramkörbe csak két fogyasztó van, matematikailag átrendezve az előző kifejezést, az eredő ellenállás egyenlő a két fogyasztó ellenállásának szorzatával, amelyet elosztunk az ellenállások összegével. R=

R1 ·R · R2 (R1 + R2)

Vegyük észre, hogy amikor két vagy több fogyasztót kapcsolunk párhuzamosan egymással, az eredő ellenállás kisebb, mint bármelyik fogyasztó ellenállása. Szemléletesen a 48. ábra segítségével lehet ezt az állítást kifejezni. Az eredő keresztmetszet az egyes ellenállások keresztmetszetének az összege. 48. ábra Az áramkörbe párhuzamosan kapVégül elgondolkodunk az áramerősség eloszlásán a mellékcsolt ellenállások összegének a szemléltetése ágakban az ott levő fogyasztók ellenállásához viszonyítva. Kiindulhatunk abból a felismerésből, hogy a párhuzamos áramkör mellékágaiban azonos a feszültség. Ohm törvénye alapján érvényes, hogy U = R · I.I. Az ellenállások és az áramerősség szorzatai azonosak lesznek az egyes mellékágakban, mert U = U1 = U2. Matematikailag ezt az állítást a két mellékágra vonatkoztatva így fejezzük

ki: R1 · I1 = R2 · I2. Egy kissé átrendezve ezt az összefüggést leírhatjuk, hogy érvényess

I1 R = 2. I2 R1

A fogyasztókat tartalmazó mellékágakban az áramerősségek fordított arányban vannak a fogyasztók ellenállásaival. Egyszerűen elmondható, hogy minél nagyobb az ellenállás a mellékágban, annál kisebb az áramerősség. I1 : I2 = R2 : R1

70


A párhuzamosan kapcsolt fogyasztókat tartalmazó mellékágakban az áramerősségek aránya fordított az ellenállások arányával. A fogyasztók párhuzamos kapcsolása gyakorlati szempontból nagyon előnyös. A háztartási fogyasztók mindegyikének saját kapcsolója van és a fogyasztói hálózathoz párhuzamosan csatlakoznak. Minden fogyasztónak és háztartásnak van főkapcsolója is, amellyel lekapcsolható az egész lakáshálózat, vagyis valamennyi fogyasztó. A párhuzamos kapcsolású fogyasztókból álló áramkörben érvényes: Az áramerősség a főágban egyenlő a mellékágak áramerősségeinek összegével: I = I1 + I2. Az egyes fogyasztók sarkain mért feszültségek és az áramforrás feszültség azonos: U = U1 + U2. e: Az eredő ellenállás reciproka egyenlő az egyes fogyasztók reciprok ellenállásainak összegéve:

1 1 1 . = + R R1 R 2

Az áramkör mellékágaiba elosztott áramerősségek fordítottan arányosak a mellékágak ellenállásaival: I1 : I2 = R2 : R1 .

Oldd meg a feladatokat 1. Rajzold 1 Ra le annak az áramkörnek a sémáját, amelyben 3 párhuzamosan kapcsolt izzólámpa lesz és úgy kapcsolódnak az áramforráshoz, hogy egyetlen kapcsolóval irányíthatók legyenek. 2. Az ábrán látható áramkörben 4 ellenállás van bekapcsolva, és fel vannak tüntetve az ellenállásértékeik is. a) Számítsd ki az áramkör eredő ellenállását. b) Másold be a füzetedbe az áramkört és szemléltesd benne az egyezményes áramirányt a főágban és a mellékágakban is. c) Milyen feszültség van az egyes ellenállások sarkai között? d) Milyen erősségű áram folyik az áramkör főágában? e) Milyen erősségű áram folyik az 1 és a 2 mellékágban? 3. A csillárban 6 izzólámpa van bekapcsolva. Három izzónak saját kapcsolója van. Ha az egyik izzólámpa kiég, a többi világít. Rajzold le az izzólámpák kapcsolási sémáját. 4. Az áramkörben maximálisan 200 mA erősségű áram folyhat. Használhattok egy 230 V feszültségű áramforrást, ha az áramkörben két ellenállás párhuzamosan (R1 = 300 Ω; R2 = 1000 Ω) van kapcsolva? Tervezői problémák 5. Az áramkörnek melyik, a sémán 1, 2 és 3 jelölésű pontjaira kell bekapcsolni az L1, L2 és L3 izzólámpákat, hogy ne károsodjanak és erőteljesen világítsanak? (A szükséges adatok megtalálhatók az ábrán.)

L1

L2

6. Válaszd ki az egyik ellenállást a három különböző értékű (R1 = 10 Ω, R2 = 5 Ω, R3 = 30 Ω) ellenállás közül, és kapcsold sorba az izzóval úgy, hogy az ne menjen tönkre és erőteljesen világítson.

L3

L


71

7. A csillárban 3 izzólámpa van, amely két kapcsolóval működik. Másold át a füzetbe az ábrát és kösd össze szabadon az izzókat úgy, hogy az L1 és L2 együtt egyforma fényesen világítson és az 1 kapcsolóval legyenek irányíthatók, míg az L3 a 2 kapcsolóval működjön.

2.11. Elektromos munka. Elektromos bemenő teljesítmény A munka, a teljesítmény és az energia fogalmával a 8. évfolyamban foglalkoztatok. A mechanikai munkát meg tudjuk határozni, ha ismerjük a test mozgásának irányában ható erőt, miközben a test egy bizonyos utat tett meg. A munkát a következő összefüggésből számítjuk ki W = F · s. A munka, a test helyzeti és mozgási energiája, ahogy a hőmérséklet is összefüggenek egymással, amit a közös mértékegységük, a joule (J) is kifejez. A 8. évfolyamban azért is tanultátok egy témakörként ezt, hogy megértsétek az erő, a mozgás, a munka és az energia fizikai fogalmak közötti összefüggést. Az erő, a munka, a mozgási energia és a hő fogalmakkal találkozhattok az elektromos áram keletkezésének a leírásánál is, mégpedig a 2.2. Elektromos áram fémvezetőben. Az áram hőhatásai és a 2.4. Elektromos erők és elektromos mező a vezetőben fejezetben. Röviden átismételjük az említett fejezetek fontos tényeit. A fémvezetőt csatlakoztatva az áramforráshoz, elektromos mező alakul ki. Az elektromos mezőben az anyagrészecskékre elektromos erő hat. Ez okozza, hogy a szabad elektronok mozgása rendezett lesz a vezető mentén. Az elektromos mezőben az erő elektromos munkát végez. Mondhatjuk, hogy az elektromos mezőnek elektromos energiája van. Az elektronok elveszítik mozgási energiájukat, amikor beleütköznek a fémek kristályrácsának részecskéibe, átadják nekik mozgási energiájuk egy részét. Ezek a részecskék mozgási energiára tesznek szert és a vezető felmelegszik. Az áramforrás, például a galvánelem folyamatosan ellátja az elektronokat mozgási energiával. Annak az összefüggésnek a levezetéséhez, amely alapján kiszámíthatnánk az elektromos munkát, mélyebb ismeretekre lenne szükségünk az elektromos jelenségekről és az őket jellemző mennyiségekről. Az elektromos munkával összefüggő fizikai mennyiségek közül eddig csak a feszültséget ismerjük, amely az elektromos áramforrás jellemzője. A feszültségtől függ az elekt49. ábra Az Fe – elektromos erő hatásának szemromos mező kialakulása a vezetőben és elektromos erejének a léltetése az elektromos mező szabad elektronjaira nagysága. Egy további szükséges fizikai mennyiség az áramerősség. Az elektromos áramerősséget azoknak a töltéseknek a számával jellemeztük, amelyek egységnyi idő alatt áthaladnak a vezető keresztmetszetén: I =

Q t

Ebből az összefüggésből kifejezhetjük a töltés nagyságát: Q = I · t A vezetőben t idő alatt elvégzett elektromos munka függ a vezetőn átfolyó áram I erősségtől és a két vége közötti U feszültségtől is. Az elektromos munkát ugyanúgy jelöljük mint a mechanikai munkát (W ) és a következő összefüggésből számítjuk ki: W=U · I · t vagy W=U · Q Az elektromos munka egysége, akárcsak a mechanikai munka esetében, a joule [J]. Megjegyzés: A feszültség (U) fizikai mennyiség bevezetésekor nem ismertük az elektromos munka jelentését, ezért a feszültségről úgy beszéltünk, mint az áramforrás jellemzőjéről, amelytől az áramkörben függ az elektromos mező kialakulása és az elektromos erő nagysága. Az elektromos feszültség pontosabb definíciója összefügg az elektromos munkával és így hangzik: Az áramforrás sarkai között fellépő elektromos feszültséget az a munka határozza meg, amelyet az áramforrás végez az 1 coulomb (C) össztöltésű részecskék átszállításával az áramforrás egyik sarkáról a másikra.

72


Minden elektromos fogyasztón feltüntetik a műszaki adatokat. Például az 1 liter térfogatú vízforraló kanna címkéjén a jobb oldalon látható adatok szerepelnek. Tudjuk, hogy a 230 V és a 220 V azt a feszültséget jelenti, amelyhez a fogyasztókat csatlakoztatni kell. Ilyen feszültségértékek vannak a fogyasztói hálózatban. Az 50 és az 50/60 Hz értékek azzal függenek össze, hogy a hálózatban váltakozó áram van. Azért nevezik váltakozó áramnak, mert folyamatosan változtatja az irányát (rezeg). A váltakozó 230 V, 50 Hz, 850 W A másológépen: áram jele: ~. Az 50 Hz érték azt jelenti, hogy másodpercenként 220 V, 50/60 Hz, 1 400 W az áram iránya 50-szer változik. Azt mondjuk, hogy a váltakozó áram rezgésszáma 50 herz (Hz). Kísérleteinkben egyenárammal dolgozunk. Ennek jele: –. A vízforraló kannán feltüntetett 850W és a másológépen látható 1 400W érték a névleges villamos teljesítményt jelöli. A névleges villamos teljesítmény, akárcsak az elektromos munka, fizikai mennyiség, amelynek megvan a maga párja a mechanikában, amely a 8. évfolyam tananyaga volt, amit teljesítménynek nevezzünk. A gépek teljesítménye, az emberi teljesítmény (jele: P) a definíció szerint a W elvégzett munka és a munkavégzéshez szükséges idő hányadosa. A teljesítmény egysége a watt (W). Az elektromos berendezések számára egy hasonló mennyiséget vezetünk be, amelyet néveleges villamos teljesítménynek nevezünk. A t idő alatt elvégzett elektromos munka és az idő hányadosa szolgál a névleges villamos teljesítmény kiszámítására. A névleges villamos teljesítményt ugyanúgy jelöljük mint a mechanikai teljesítményt (P) és így számítjuk ki:

P=

W t

A névleges villamos teljesítményt a feszültség és az áramerősség segítségével is kiszámíthatjuk:

P=

W U·I·t = = U·I t t

A névleges villamos teljesítmény egysége, akárcsak a mechanikai teljesítményé, a watt [W]. Ennél nagyobb egység az 1 kW (kilowatt), amely a watt 1 000-szerese. A névleges villamos teljesítmény egy gyakorlati mennyiség és egyszerűen megmagyarázható két vízforraló kanna példáján, amelyek címkéjén eltérő névleges villamos teljesítmény van feltüntetve. Pl. a nagyobb kanna névleges teljesítménye 2 200 W, a kisebbé 850 W. Ha a két kannába azonos mennyiségű vizet forralunk fel, pl. 1 litert, a 2 200 W névleges teljesítményű 2 200 W 850 W kannában a víz gyorsabban felforr, mert a névleges teljesítményének értéke nagyobb. Mindenki, aki elektromos fogyasztót használ, elektromos energiát fogyaszt és ezért a szolgáltatónak fizetnie kell. Például, ha a háztartásban egyidejűleg be van kapcsolva egy 2 200 névleges teljesítményű automata mosógép és közben egy 100 W névleges teljesítményű izzólámpa világít egy órán át, az elektromos áram munkája (2 200 + 100) W · 1 h = 2 300 Wh. Ha ismerjük a fogyasztó névleges teljesítményét és az időt, amely alatt elektromos áram folyt át rajta, az elektromos munkát kiszámíthatjuk a következő összefüggésből: W = P·t Ebben az esetben az elektromos munka egysége a watt másodperc [Ws], 1 Ws = 1 J. A gyakorlatban az elektromos munka nagyobb egységeit használjuk, pl. a wattórát (Wh) és az ezerszer nagyobb értéket, a kilowattórát (kWh). Az elektromos fogyasztásmérő – köznapi kifejezéssel: villanyóra – kilowattórákban ttórákban méri az elektromos energia fogyasztását. A mosógép példájában a villanyóra 2,3 kWh fogyasztást mért volna. Minden háztartásnak saját mérőeszköze – villanyórája – van az elektromos energia fogyasztásának mérésére, ezt hivatalosan elektromos fogyasztásmérőnek vagy elektromos számlálónak nevezik.


73

Az áram áthaladásakor a vezetőben az elektromos mező ereje elektromos munkát végez W = U·I·t

W = U·Q

W = P·t

Az elektromos munka egységei: J (joule), Ws (wattszekundum), és ennek többszörösei Wh, kWh, MWh W·s = 1J 1 kW = 3 600 000 J W · h = 3 600 J 1 MWh = 3,6 . 109 J A fogyasztó néveleges villamos teljesítményét úgy kapjuk meg, hogy a fogyasztó sarkain mérhető feszültséget megszorozzuk a fogyasztón átfolyó áram erősségével. W P= t A néveleges villamos teljesítmény egységei: W (watt), és ennek többszörösei is kW, MW 1 kW = 1000 W 1 MW = 1 · 106 J

Oldd meg a feladatokat 1. Végezd el a mérést: Győződj meg a vízforraló kanna néveleges villamos teljesítményéről, amely a címkén található. G Eszközök: ismert névleges villamos teljesítményű vízforraló kanna, hőmérő, mérő henger (vízmérce) Végrehajtás: a) Ismételd át a hőmérséklet, az elektromos munka és a névleges villamos teljesítmény kiszámítására vonatkozó összefüggéseket. b) Az elektromos munka és a víznek átadott hő között egyenes arányosság van, de figyelembe kell venni a hőés energiaveszteséget is. A vízforraló kanna hatásfoka 75–90 % között van. c) Javasolj egy módszert a vízforraló kanna névleges villamos teljesítményének az ellenőrzésére. d) Mérd meg a szükséges értékeket, és számítsd ki a kanna névleges villamos teljesítményét. Válaszolj: 1. Milyen az összefüggés a víznek átadott hő és az elvégzett elektromos munka között? 2. Mit jelent, ha azt mondjuk, hogy a vízforraló kanna hatásfoka 75–90 %? 3. Hasonlítsd össze méréseid és számításaid eredményét a kanna címkéjén feltüntetett névleges villamos teljesítménnyel. Mivel magyarázod az esetleges eltéréseket? 2. A személygépkocsi hátsó szélvédő üvegének fűtésére egy 1,6 Ω ellenállású fűtőtest szolgál. A fűtőtest a gépkocsi 12 V-os akkumulátorához csatlakozik. a) Mekkora a fűtőtest névleges villamos teljesítménye? b) Mekkora hőt ad át a fűtőtest a környezetének, ha 1 órán át működik? 3. Állapítsd meg a fogyasztók címkéjén a névleges villamos teljesítményüket, a feszültséget, amelyhez csatla3 koztathatók, esetleg más adatokat. Szerkessz táblázatot a megállapított adatokból. 4. Számítsd ki háztartásotok napi elektromos fogyasztásának az árát. a) Állapítsd meg, mely fogyasztókat használjátok naponta és körülbelül milyen hosszú ideig. b) Mekkora a naponta használt fogyasztók névleges villamos teljesítménye? c) Állapítsd meg, mennyit fizettek 1 kWh elfogyasztott elektromos energiáért.

74


2.12. Mágneses mező az árammal átjárt vezető körül. Az árammal átjárt tekercs mágneses mezeje Eddig az elektromos és a mágneses jelenségekkel egymástól függetlenül foglalkoztunk, azaz úgy, ahogy a fizikatörténet kezdeti időszakában ezt hagyományosan tették. Csak Oersted 1820-ban elvégzett kísérlete nyomán sikerült felismerni, hogy az elektromos és a mágneses jelenségek összefüggenek egymással. Hans Christian Oersted dán fizikus megállapította, hogy a vezetőn átfolyó elektromos áram kilendíti az iránytű mágnesét. Tudjuk, hogy a kis mágnes reagál a mágneses mező jelenlétére és a földi mágneses mezőben a tájékozódást segíti a terepen. Segítségével nagyjából megállapítható az északi-déli irány, tehát a világtájak. Ebből az irányból azonban egy másik mágneses mező kitérítheti. Oersted történelmi kísérletét a következő kísérletben megismételhetitek. H. Ch. Oersted (1777–1851)

Kísérlet Ismételjétek meg Oersted történelmi jelentőségű felfedezését, vizsgáltátok meg az árammal átjárt vezetőt. Is (Dolgozzatok csoportokban). Eszközök: mosogató drótszivacs, laposelem (4,5 V), 2 szorítócsatlakozó, 2 vezető krokodilcsipesszel, iránytű (kis mágnes), rúdmágnes, mérőrúd Végrehajtás: a) A mosogató drótszivacsból húzzatok ki egy kb. 60 cm hosszú drótszálat és kössétek a szorítócsatlakozókhoz. Hagyjátok a drótot szabadon függni és helyezzétek alá a kis mágnest. b) A szorítócsatlakozókat fordítsátok el északi-déli irányba, párhuzamosan a kis mágnessel. c) Zárjátok az áramkört és figyeljétek a kis mágnest. d) Szakítsátok meg az áramkört és fordítsátok meg a telepet úgy, hogy a krokodilcsipeszek a laposelemek ellenkező sarkaival érintkezzenek, mint a korábbi zárt áramkör esetében. Figyeljétek meg az áramkör bekapcsolását követően a kis mágnes viselkedését. e) Az áramkört megszakítva távolítsátok el a kis mágnest és helyezzetek a drót alá egy rúdmágnest úgy, hogy az egyik vége a drót irányába néz. Zárjátok az áramkört és figyeljétek meg a drót viselkedését. f) Szakítsátok meg az áramkört és fordítsátok meg a laposelemet úgy, hogy a krokodilcsipeszek az ellenkező sarkakkal érintkezzenek, mint ahogy az előző kísérletben. Bekapcsolva az áramkört figyeljétek meg a drót viselkedését. Válaszolj: 1. Hogyan viselkedett a kis mágnes az áramkör bekapcsolása után? 2. Hogyan viselkedett a kis mágnes a laposelem sarkainak felcserélése után? 3. Hogyan viselkedett a drót a mágnes pólusainak közelében az áramkör bekapcsolása után? 4. Hogyan viselkedett a drót a mágnes pólusainak a közelében a laposelem sarkainak felcserélése után? 5. Milyen következtetést vontál le az előző kísérletekből?


75

Oersted felfedezésének lényege abban állt, hogy a kis mágnes elfordult, amikor az északi-déli irányba mutató vezetőn áram haladt át. A kis mágnes megmaradt új helyzetében, amíg a vezetőben áram folyt. Az áram irányát megfordítva a vezetőben a kis mágnes északi pólusa is ellenkező irányba fordult. Oersted kimutatta, hogy az árammal átjár egyenes vezető körül mágneses mező van. A második megfigyelés és bizonyíték, hogy a vezető körül mágneses mező van, amikor a kísérlet során a vezetővel átjárt drót közelében rúdmágnest helyeztünk el (az előző kísérletben az e ponthoz mellékelt ábra). A rúdmágnes mágneses ereje hatással volt az árammal átjárt vezetőre és igyekezett azt kitéríteni. A mágneses erőhatás iránya a vezető és az áramforrás sarkainak kapcsolásától függött. Az áramforrás sarkait felcserélve a vezetőre ható mágneses erő iránya megváltozik. Az árammal átjárt vezető körül kialakult mágneses mezőt lágyacél for50. ábra Mágneses mező az árammal gácsokkal lehet kimutatni. Ha a vízszintesen elhelyezett alátétre, amelyátjárt vezető körül nek közepén árammal átjárt vezető fekszik, acélforgácsokat szórunk, ezek koncentrikus körök – a mágneses mező indukcióvonalai mentén helyezkednek el. A mágneses mező indukcióvonalairól már szó volt az állandó mágnes körüli mágneses mezővel kapcsolatban és hasonlóképp szemléltethetjük az elektromos áram által létrehozott mágneses mezőt is. Oersted kísérleténél az elektromos áram mágneses mezőjének kimutatására egy kis mágnes szolgált, pontosabban annak elfordulása az áramkör bekapcsolása után. Sokkal nagyobb kilengést észlelnénk, ha az egyenes vezető helyett tekercset alkalmaznánk. A tekercs szigetelt huzalból készül, amelyet egy műanyagból vagy kemény papírból készült hengerre csévélnek. Ennek a sematikus jelölése: . A kísérlet végrehajtása hasonló a vasdróttal végzett kísérlethez. Először a kis mágnest és a tekercset egymás mellé helyezzük (51. a ábra) északi-déli irányban. Kapcsoljuk be az áramkört és megfigyelhetjük, amint a kis mágnes a tekercs belseje (ürege) felé fordul (51. b ábra).

a

b c 51. ábra Az árammal átjárt tekercs mágneses mezejének kimutatása

Amikor felcseréljük a vezetők csatlakozását az elemek sarkainál, a kis mágnes az ellenkező pólusával fordul a tekercs felé (51. c ábra). Az árammal átjárt tekercs úgy viselkedik, mint a rúdmágnes. Az egyes menetek mágneses erői összeadódnak. Az acélforgácsok a tekercs körül hasonló láncolatokat alakítanak ki mint a rúdmágnes esetében és alakjuk a mágneses erők öszszegének eredménye (12. old. 7. a ábra).

52. ábra Az árammal átjárt tekercs mágneses mezőjének szemléltetése vasforgácsok láncolataival és a mágneses mező indukcióvonalaival

A tekercs mágneses mezőjének indukcióvonalait a tengely hosszmetszetében ábrázoltuk. A valóságban a mágneses mező nem lapos, hanem a tekercs körüli egész teret kitölti. A mező a legerősebb a tekercs közepén és kevésbé erős a környezetében. Ez a mágneses indukcióvonalak segítségével is szemléltethető. A tekercs mágneses pólusait a jobbkéz-szabály segítségével lehet meghatározni.

76


A tekercset jobb kezünkkel úgy fogjuk meg, hogy behajlított ujjaink az áram haladási irányát mutassák a menetekben. A tekercs tengelyével párhuzamosan előre mutató hüvelykujjunk a mágnes északi pólusát jelzi. N S A tekercs mágneses mezőjének hatásai függenek a tekercsen áthaladó áram erősségének nagyságától és a tekercs meneteinek számától. Ha a 300 menetes – + tekercset egy 600 menetes tekerccsel váltunk fel, a második tekercs mágneses mezőjének a nagysága az elsőének a kétszerese lesz, amennyiben az áramerősség ég mindkét esetben azonos. azonos Az áramerősség nagysága és a tekercs mágneses mezője között egyenes arányosság van. Minél nagyobb a tekercsen átfolyó áram erőssége, annál nagyobb a mágneses mező hatása.

Az árammal átjárt egyenes vezető körül mágneses mező van. Az árammal átjárt tekercs maga körül mágneses mezőt alakít ki, hasonlóan a rúdmágneshez. Ha megváltozik a tekercsben az áram iránya, megváltoznak a mágneses pólusai is. A tekercs mágneses mezője a tekercs belsejében a legnagyobb intenzitású. A tekercs mágneses mezőjének intenzitása összefügg a menetei számával és a rajta átfolyó áram erősségének nagyságával. A jobbkéz-szabály segítségével meg lehet határozni a tekercs mágneses pólusait.

Oldd meg a feladatokat 1 Ra 1. Rajzold le annak az áramkörnek a sémáját, amelyben szerepel egy tekercs, egy izzólámpa, egy kapcsoló és egy áramforrás. a) Az áramkör felsorolt elemeit sorosan kell kapcsolni a mellékelt sémán. b) A tekercset és az izzót rajzold le a sémában párhuzamos kapcsolással úgy, hogy mindkét áramköri elemet kapcsolóval lehessen irányítani. 2. Keres információkat H. Ch. Oersted életéről. 2 3. Az ábrán egy áramforráshoz kapcsolt vasdrótból és izzólámpából álló áramkör látható. Az áramkör összeállítása után a kis mágnest a vasdrót alá helyezzük és zárjuk az áramkört. Másold be a füzetbe a séma ábráját és szemléltesd benne az áram irányát. Megjegyzés: A sémán az állványokat nem kell szemléltetned, a drótot – a vezetőt egy vastagabb vonallal jelöld.

4. Az a ábrán egy tekercset tartalmazó áramkör van. Másold be a füzetbe a sémát és tüntesd fel benne: a) az áram irányát az áramkörben, b) javasolj egy módszert, amellyel megállapítanád a tekercs északi és déli pólusát és ezt szemléltesd a b ábrán.

a

b


77

2.13. Elektromágnes és alkalmazása A képen egy darut láthatunk, amely a vashulladék darabjait helyezi át. A daru munkáját figyelve megállapíthatjuk, hogy az egyik fontos része a karra függesztett speciális berendezés. Amikor a daru karja a vashulladékhoz közelít, ennek a hulladéknak még a nehezebb darabjai is rátapadnak a kar végén függő berendezésre. Hasonlóan mint a gemkapcsok az állandó mágneshez. Ezt követően a daru karja elfordul a vasúti tehervagon vagy a tehergépkocsi fölé. A hulladék elválik a kar végén levő berendezéstől és beleesik a rakodó térbe. Hasonló módon osztályozzák a fémeket az acélgyárakban. A kabinban ülő darukezelő irányítja a hulladék áthelyező speciális berendezést. Egyszerű kísérlettel mutatjuk meg, milyen elven működnek a fémosztályozó és a vasroncsok szállítására használt berendezések.

Kísérlet Állapítsátok meg, mitől függnek az árammal átjárt tekercs mágneses hatásai. (Dolgozzatok csoportokban. Minden csoportnak más menetszámú tekercse lehet.) Eszközök: tekercs 300 (600, 400, …) menettel, nagyobb mennyiségű apró szög (acél gemkapcsok vagy gombostűk), mágneses lágyvasmag, elektromos áramforrás (2 laposelem 4,5 V), multiméter, kapcsoló Végrehajtás: a) Az ábrán látható séma alapján kapcsoljátok a tekercset az áramkörbe. Áramforrásként 4,5 V feszültségű laposelemet használjatok. A tekercs alá szórjatok nagyobb mennyiségű apró szöget.

b) Kapcsolóval zárjátok az áramkört és jegyezzétek fel a megfigyelést. c) Csúsztassátok a tekercsbe a mágneses lágyvasmagot, kapcsolóval zárjátok az áramkört. Ezt követően szakítsátok meg a kapcsolóval az áramkört, és jegyezzétek fel a megfigyelés eredményét. d) A tekercset és a mágneses lágyvasmagot tartalmazó áramkört kapcsoljátok 9 V feszültségű áramforrásra. Zárjátok az áramkört, és jegyezzétek fel a megfigyelés eredményét. Válaszolj: 1. Függ-e a tekercshez vonzott szögecskék mennyisége a tekercs meneteinek számától? 2. Van-e különbség a mágnesesen vonzott szögecskék mennyiségében a mag nélküli tekercs, illetve a lágyvasmagú tekercs esetében? 3. Függ a mágnesesen vonzott szögek mennyisége a tekercsen átfolyó áram erősségének nagyságától? 4. A vasmagú tekercs állandó vagy ideiglenes mágnes? 5. Hogyan működik a hulladék szállítására szolgáló daru berendezése?

78


Az előző 2.12. fejezetből tudjuk, hogy ha a tekercset áram járja át, a tekercs mágnesként viselkedik. Pólusai vannak és magához vonzza a vastárgyakat. Még inkább megmutatkoznak a mágneses tulajdonságok, ha a tekercsbe lágyvasból (lágyacélból) készült tárgyat helyeznek. Így egy elektromágnest kapunk. A telep kikapcsolása után a tekercs elveszíti mágneses tulajdonságait. Az elektromágnes abban különbözik az állandó mágnestől, hogy csak ideiglenes mágnes. Csak addig viselkedik mágnesként, amíg a tekercsben áram folyik. Egy kísérlettel meggyőződhettetek róla, hogy az elektromágnes mágneses mezője annál nagyobb intenzitású, minél nagyobb a tekercsen átfolyó áram erőssége és a tekercsnek minél több menete van.

52. ábra Az elektromágnes mágneses mezője és az áramerősség nagysága közötti összefüggés

Az elektromágnes számos műszaki berendezés része, mint pl. az elektromos lakáscsengőé, az automatikus vasúti sorompóké, a szupervonatoké, a fentebb már leírt roncsosztályozó vagy átrakodó daruké, a biztosítékoké. Az elektromágnest a szemorvosok is alkalmazzák. Ha acélforgács kerül a szembe, az orvos elektromágnessel távolítja azt el. Az elektromágnesek fontos részei az elektromos töltéssel rendelkező részecskéket gyorsító hatalmas méretű berendezéseknek, a ciklotronoknak. Az elektronoptikában (pl. elektronmikroszkóp) az elektromágneseket, mint mágneses lencséket alkalmazzák. 53. ábra Elektromágnes a részecskegyorsítóban Megszólaltatni a villanycsengőt a lakásban nagyon egy(CERN, Genf) szerű. Megnyomjuk a jelzőgombot és a csengő megszólal. Az elektromos áramkörökkel szerzett eddigi tapasztalataink alapján már tudjuk, hogy a jelzőgombot megnyomva záródik az áramkör és megszólal a csengő. Hogyan keletkezik a hang a és milyen szerepe van az elektromágnesnek a villanycsengőben? Az 54. ábrán láthatók a csengő alkotórészei. Az 54. ábrán látható fénykép alapján arra következtethetünk, hogy a csengést a kalapács gyors ütései okozzák a csengő búráján. A csengő működési elvét sémák segítségével magyarázzuk el. A villanycsengő bekapcsolásakor működésbe lép az elektromágnes, amely a kar végén található kalapácsot a fémburához (haranghoz) rántja. A kar elmozdulása ekkor megszakítja a zárt áramkört, az elektromágnes kikapcsol, és a rugó a helyére húzza a kart. Így viszont az áramkör újra zárul, az elektromágnes újra magához húzza a kart, és minden elölről kezdődik, amíg csak a jelzőgombot nyomva tartjuk. Egy másodperc alatt a kalapács többször is megüti a csengő búráját. Néhány évtizede az iskolacsengőt még kézzel kapcsolták be. Ma már ez automatikusan történik, mivel a csengő egy órához van kapcsolva.

a jelzőgomb megnyomása előtt 54. ábra A lakáscsengő és sémája

a jelzőgomb megnyomása után

79


A túl nagy áramerősség káros következményei, az áram túlterhelése ellen a biztosítékok elektrovédenek. Az 55. ábrán a biztosíték egyszerűsímágnes tett sémája látható. kar Ha az áramkörben aránytalanul megnő az áramerősség (túláram keletkezik), rövidzárlat biztosító érintkező keletkezik, megnő az elektromágnes mágneses P1 mezője is. Ennek következtében az elektromágP2 nyomógomb nes behúzza a kart. A biztosító érintkező (retesz) érintkiszabadul, és ezáltal a P2 rugó is. Az érintkezékezők sek szétkapcsolódnak, az áram megszakad az áramkörben. A nyomógombbal vagy egy kapcsoló karral ismét zárhatjuk az áramkört. Elektromágnessel irányíthatjuk a kapcsolót, 55. ábra Biztosíték és egyszerűsített sémája amely bekapcsolja az áramkört, de több áramkört is, amelyben nagy erősségű áram folyik. Az ilyen kapcsolót elektromágneses relének nevezzük. Az ilyen berendezés előnye az erősáramú áramkörök távolsági irányítása. Az 56. ábrán egy elektromágneses relé fényképe és sémája ája látható. át ató.

kar

elektromágnes

villanymotor a

b

56. ábra Elektromágneses relé és egyszerűsített sémája

A sémán láthatjuk, ha zárunk egy elektromágnest (a) tartalmazó kis áramerősségű áramkört, a kart magához húzva záródik az erősáramú áramkör (b), amelybe be van kapcsolva pl. egy villanymotor.

Az elektromágnes egy tekercs, amelynek lágy vasmagja van. Az elektromágnes mágneses mezője annál nagyobb, minél nagyobb a rajta átfolyó áram erőssége és minél több menet alkotja. Az elektromágnes előnyei az állandó mágnessel szemben: – a mágneses mező megszüntetése az áramkör megszakításával, – a mágneses pólusok egyszerű cseréje a tekercsben folyó áram irányának megváltoztatásával, – a mágneses térerősség megváltoztatása az áramerősség változtatásával. Az elektromágnest széles körben alkalmazzák a hétköznapokban.

Oldd meg a feladatokat 1. Ké 1 Készíts eszközt: Egyszerű eszközökből szerkessz elektromágnest és győződj meg a tulajdonságairól. Eszközök: acélszög vagy csavar (hossza kb. 10 cm), szigetelt huzal (hossza kb. 2 m, laposelem (4,5 V), apró szögek, ragasztószalag, kis mágnes

80


Végrehajtás: a) Csévélj szigetelt huzalt a csavarra (szögre) úgy, hogy a huzal menetei szorosan illeszkedjenek egymáshoz (kb. 15 menet). Az utolsó meneteket ragaszd le ragasztószalaggal, hogy ne mozogjanak. b) A huzal két végén – 2 cm hosszú részen – távolítsd el a szigetelést, hogy csatlakoztatni lehessen a telep sarkaihoz. c) Az összeállított elektromágnes végeit közelítsd a kis szögekhez, vezegekhez majd az egyik veze tőt kapcsoljátok le a telepről. d) A vezetőt ismét kösd a telephez és a kis mágnes segítségével ellenőrizd az összeállított elektromágnes pólusait, esetleg javasolj egy másik végrehajtási módot. e) Végezz további kísérleteket az elektromágnessel (változtasd meg a tekercs magját, a menetek számát). Válaszolj: 1. Az elektromágnes mely tulajdonságait tudtad ellenőrizni? 2. Az elektromágnes mely tulajdonságait nem tudtad ellenőrizni? 2. Vedd szemügyre a villanycsengő sémáit (54. ábra) és magyarázd meg az áramkörben végbement változásokat, amikor megnyomtad a jelzőgombot. 3. Állapítsd meg, hogy a személyautók mely alkatrészeiben hasznosítják az elektromágnest. 4. A villanycsengő, a biztosíték, az elektromágneses relé (54., 55., 56. ábra) sémájában található egy karnak nevezett alkatrész. Magyarázd meg, mi a szerepe a karnak az egyes berendezések áramkörében. 5. Olvasd el Az LHC gyorsító újraindítása c. cikk egy részletét és válaszolj a kérdésekre. „Mi történt pontosan szeptember 19-én? A fénysebesség 99,9999991 %-ával mozgó protonokat körpályán tartja egy 8,33 T indukciójú mágneses mező. Ennek eléréséhez a fő elektromágnesek szupravezető tekercsein 11 850 A erősségű áramnak kell átfolynia. A mágnesek 107 m hosszú sejtekben vannak elrendezve, ezeknek 6 dipólusuk, 2 kvadrupólusok és nagyobb számú korrekciós mágnesük van. A dipólusok a sejten belül sorosan vannak kapcsolva.” Kubeš, T. 2010 Znovu spustenie urýchlovača LHC. In: Československý časopis pro fysiku. Praha, Fysikální ústav Akademie věd České republiky, Č. 3. sv. 60. ISSN 0009-0700 Válaszolj: 1. A szövegben olvasható fizikai mennyiségek közül melyeket ismersz és melyekről nem hallottál eddig és nem tudod, hogy mit jelentenek? 2. Mely szakkifejezéseket nem ismered? 3. Tudod, hogy hol dolgoznak az LHC részecskegyorsítóval és milyen kísérletekről van szó?

Tudod-e, hogy… az elektromágnesek a szupervonatok tartozékai? Az ismert Maglev típusú szupervonatoknál (Magnetic Levitation) ezek lebegnek, levitálnak a sínek felett kb. 1,2 cm magasságban. A lebegést a sínpályákon és a szerelvény alvázában található elektromágnesek taszítása biztosítja. Egyes gyártók hagyományos elektromágneseket használnak (Németország), mások az ún. szupravezető tekercseken alapuló elektromágneseket választottak (Japán).

81


Fontos kifejezések és összefüggések Magyarázd meg a táblázat oszlopaiban található fontos kifejezéseket és összefüggéseket. A baloldali oszlopban levő kifejezésekhez rendeljetek kifejezéseket és összefüggéseket a jobb oldali oszlopból úgy, hogy jeoszlopba lentéstartalmuk alapján a lehető legjobban összetartozzanak.

a fogyasztók soros kapcsolása

csomópont joule az áramerősség az egész áramkörben egyenlő W=U · I · t

1 1 1 = = R R1 R 2 a fogyasztók párhuzamos kapcsolása

elektromos munka

watt P=U · I Ampère jobbkéz-szabálya U = U1 + U2 a feszültség a fogyasztókon és az áramforráson egyenlő W=U · Q kilowattóra

P=

névleges villamos teljesítmény

árammal átjárt vezető

elektromágnes

W t

kis mágnes R = R1 + R 2 mágneses mező U1 : U2 = R1 : R2 a mágneses mező indukcióvonalai I = I1 + I2 árammal átjárt tekercs I1 : I2 = R2 : R1 a mágneses pólusok váltakozása Oersted kísérlete W=P · t az áramerősség nagysága a tekercs meneteinek száma mellékág főág

82


Amit megtanultunk A fogyasztók soros kapcsolása – az áramerősség az egész áramkörben egyenlő I

U

I

L1

I

U1

L2

U = U1 + U2 R = R1 + R2 U1 : U2 = R1 : R2

U2

A fogyasztók gy párhuzamos kapcsolása – a feszültség a fogyasztókon egyenlő L1 L2

I = I1 + I2 1 1 1 = = R R1 R 2 I1 : I2 = R2 : R1

Elektromos munka Az elektromos mezőben az erő elektromos munkát végez W = U·I·t

vagy

W = U·Q

Az elektromos munka egysége, ahogy a mechanikai munkáé is, a joule (J). Ha ismerjük a fogyasztó néveleges villamos teljesítményét és az időtartamot, amíg áram folyt benne, az elektromos munkát a következő összefüggés alapján fejezhetjük ki: W = P·t Az elektromos fogyasztásmérő kilowattórákban (kWh) méri az elektromos energia fogyasztását. Névleges villamos teljesítmény A névleges villamos teljesítmény kiszámítása:

P=

W t

A névleges villamos teljesítményt kifejezhetjük a feszültség és az áram segítségével: W t = U·I· = U·I P= t t A névleges villamos teljesítmény egysége a watt (W). eses mező az árammal áramma átjárt vezető körül Mágneses H. Ch. Oersted bebizonyította, hogy az árammal átjárt egyenes vezető körül mágneses mező van.

83


Az árammal átjárt tekercs mágneses mezője Az árammal átjárt tekercs rúdmágnesként viselkedik. A tekercs sematikus jele: .

A tekercs mágneses mezőjének intenzitása összefügg a menetek számával és a tekercsen átfolyó áram erősségével. A jobbkéz-szabály segítségével meghatározhatók a tekercs mágneses pólusai. Az elektromágnes és felhasználása Ha a tekercs belsejébe lágy vasmagot helyezünk, elektromágnest hozunk létre. elektromágnes

biztosíték

relé

elektromágnes kar

kar

biztosító retesz nyomógomb

villanymotor érintkezők

Az elektromágnes annál erősebb, minél nagyobb a tekercsen áthaladó áram erőssége és minél több a tekercs meneteinek száma.

84


3. teszt – feleltesd le önmagadat A teszt kidolgozásához zsebszámológépre és íróeszközökre lesz szükséged. Gyakorlati feladatok Laboratóriumi állóhelyeden eszközök találhatók: laposelem (4,5 V), két egyforma villanyégő, vezetők és multiméter. Megjegyzés: A mérést befejezve szedd szét az áramköröket, és tedd rendbe a munkahelyedet.

1. Sorosan kapcsolj két izzót az áramforráshoz. Mérd meg az áramerősséget az áramkörben és a feszültséget az izzókon és az áramforráson. Készíts feljegyzést a mérésről.

2. Párhuzamosan kapcsolj két izzót az áramforráshoz. Mérd meg a feszültséget az izzókon és az áramerősséget az áramkör mellékágaiban. Készíts feljegyzést a mérésről. Elméleti feladatok 3. Az ábrán egy elektromos áramkör sémája látható. Az áramkörbe kapcsolók vannak iktatva, amelyeket elméletileg fogunk kapcsolgatni. Figyeljük, mely izzók gyulladnak ki egy adott kapcsoló bekapcsolásakor. Az ábrák alatti szövegbe írd be a helyes válaszokat.

L1

K1

L2

K2

L3

K3

L4

a) Ha csak a K1 kapcsolót kapcsoljuk be, a következő izzó(k) fog(nak) világítani ....................................................... b) Ha bekapcsoljuk a K1 és a K2 kapcsolót is, a következő izzó(k) fog(nak) világítani ............................................... c) Ha csak a K3 kapcsolót kapcsoljuk be, a következő izzó(k) fog(nak) világítani ....................................................... 4. A táblázatban néhány háztartási fogyasztó névleges villamos teljesítménye van feltüntetve. Valamennyi manapság is használatos. Fogyasztó mosógép hűtőszekrény

Névleges villamos teljesítmény [W] Fogyasztó 2 300 izzólámpa 200 tévékészülék

Névleges villamos teljesítmény [W] 40 110

Számítsd ki, mennyit kell fizetnünk 1 órányi elfogyasztott elektromos energiáért, ha 1 kWh-ért a szolgáltató 0,126 €-t számláz. 5. Az áramkörbe két ellenállás (20 Ω, 30 Ω) van bekapcsolva. a) Számítsd ki az áramkör eredő ellenállását, ha az ellenállások sorba vannak kapcsolva. b) Számítsd ki az áramkör eredő ellenállását, ha az ellenállások párhuzamosan vannak kapcsolva. 6. Az áramkörben a 4,5 V feszültségű áramforráshoz egy izzó (4,5 V; 0,1 A) és egy 45 Ω értékű ellenállás van kapcsolva. Ebben az áramkörben az izzó éles fénnyel fog világítani? Válaszodat számításokkal támaszd alá, esetleg keress olyan megoldást, hogy az izzó teljes fénnyel világítson. 7. Az áramkörbe kapcsolt elektromágnesen a következő változtatásokat kell elvégezni: a) felcserélni a mágneses pólusokat, b) nagyobb intenzitású mágneses mezőt kialakítani. Javasoljatok változtatásokat az áramkörben.


85

Az elektromos áram vezetése folyadékokban és gázokban Az ember számára veszélyes, ha kádban ülve fürdés közben elektromos fogyasztókat, pl. hajszárítót használ. Néhány szállodában olyan jelölést találunk, amely ettől a tevékenységtől óv bennünket. Ez azért van, mert a víz bizonyos körülmények között vezetheti az elektromos áramot. 230 V feszültségnél ez veszélyes lehet. Miként van ez a gázokkal? Az 1.5. Az elektromos töltés átvitele című fejezetben megfigyelhettetek ettetek egy feltöltött elektroszkópot, amelynek mutatója a villamosan gerjesztett testtel való érintkezés nélkül is szétnyílva maradt. Ha a levegő vagy más gáz az elektroszkóp körül jó vezető lenne, akkor az elektroszkóp gyorsan kisült volna, elveszítette volna a töltését. Próbáljunk meg azonban az elektroszkóp közelében meggyújtani egy gyertyát, az látjuk, hogy az elektroszkóp viszonylag gyorsan kisül. A gyertyaláng fokozza a levegő vezetőképességét, ami azt bizonyítja, hogy bizonyos körülmények között a gázok is vezetőképesek lehetnek.

2.14. Elektromos áram vezetése folyadékokban. Elektrolízis és hasznosítása A folyadékokban az áram vezetésének lehetőségeit vizsgálva el kell mondani, hogy a következtetéseink nem érintik majd pl. a higanyt vagy a fémolvadékokat, mint vezetőket. Ezekben a szabad elektronok révén folyik az áram, amelyek az atomok elektronburkának külső héjairól váltak le. Az elektronok leválásával az elektromosan semleges atomból pozitív töltésű ion (kation) lesz. A következő kísérletben megvizsgáljuk, milyen körülmények között halad áram a folyadékokban.

Kísérlet Győződjetek meg arról, mikor folyik áram a vízben. (Dolgozzatok csoportokban.)

Megjegyzés: A 8. osztályos kémiakönyvben egy hasonló kísérletet találtok. Amennyiben ezt a kísérletet elvégeztétek, elég csak megvitatni, esetleg megismételni az áramerősséget is megmérve az áramkörben.

Eszközök: 3 vezető, laposelem (4,5 V), kis izzólámpa, két szénrúd, víz (legjobb a desztillált víz), konyhasó, műanyag vagy üveg edény, állványok Végrehajtás: a) Ellenőrizzétek, hogy a szénrudak és a víztartó edény kellő tisztaságú-e. b) Az ábra alapján állítsatok össze egy áramkört. Öntsetek vizet az edénybe és kapcsoljátok a vezetőt az áramforráshoz. c) Figyeljétek meg az izzót az áramkör bekapcsolása után. d) Lassan szórjatok a vízbe sót. Figyeljétek meg az izzó viselkedését. Válaszolj: 1. Hogyan magyarázod meg azt a tényt, hogy vízbe szórva a sót, az izzó meggyulladt az áramkörben? 2. Hogyan győződnél meg róla, hogy a desztillált (tiszta) vízben nem folyik áram? 3. Bizonyítsd be vagy cáfold meg a következő kijelentést: „A konyhasó koncentrációjának növekedésével a vízben növeli az áramkörben az áramerősséget.”

86


Az előző kísérletben végzett megfigyelés alapján elmondható, hogy amíg az edényben csak tiszta víz volt, az izzó nem gyulladt ki. Ha az áramkörben folyt is némi áram, az olyan csekély volt, hogy képtelen volt meggyújtani az izzólámpát. Talán egy érzékeny műszer kimutatta volna. Amikor a konyhasót beleszórtuk a vízbe, az izzó kigyulladt. Elmondhatjuk, hogy a konyhasó vizes oldata vezeti az áramot. Más anyagokat is, mint pl. a rézgálicot vagy a kénsavat a vízhez adva elérjük, hogy a víz képes lesz vezetni az elektromos áramot. A nedves talaj, de más nedves tárgyak is, amelyek egyébként szigetelő anyagok, elektromos vezetőkké válhatnak. Ezt a különböző szennyeződések vizes oldatai okozzák. Például a száraz fa nem vezeti az áramot, de a nedves fa vezetheti azt. A desztillált víz rossz elektromos vezető. Már igen csekély sót, savat vagy lúgot adva hozzá az oldat vezetőképessége jelentősen megnő. Ebből következik, hogy a sók, a savak és a lúgok (bázisok) vizes oldatai vezetik az elektromos áramot. Térjünk vissza előző kísérletünk részletesebb magyarázatávízmolekula Cl– anion hoz. Feloldva a konyhasót (nátrium-kloridot, NaCl) a vízben, a vízmolekulák behatolnak a Na+ és Cl– ionok közé, ami megNa+ kation bontja az ionkötést a sókristályban (57. ábra). Oldódáskor a konyhasó kristályai pozitív ionokra, nátrium kationokra és negatív ionokra, klór anionokra bomlanak fel. Az áramkört zárva a szénrudak között, amelyeket elektródoknak fogunk nevezni, elektromos mező keletkezett. A negatív elektród az elem negatív, a pozitív elektród az elem 57. ábra A Na+ és a Cl− ionok képződése – pozitív sarkához van kapcsolva. A NaCl vizes oldatában a Cl anionok a pozitív elektród felé kezdenek mozogni, a Na+ katiopozitív negatív nok a negatív elektród felé. Az elektromos áramot az anionok elektród elektród és a kationok rendezett mozgása alakítja ki, amelyek az áramkörben egymással szemben mozognak. Hasonlóan, ahogy az áram átfolyt a konyhasó vizes oldakation Na+ tán, a kénsav, a rézgálic és más anyagok oldatain is átfolyik. anion Cl– A szabad ionokat tartalmazó folyadékokat, amelyek vezetik az áramot, elektrolitoknak nevezik. Ha a sóoldattal végzett kísérletet megismételnénk, de az elem pozitív sarkához kapcsolt szénelektródot rézelektróddal helyettesítenénk és az elektrolit a rézgálic (CuSO4 · 5 H2O) ol58. ábra Elektrolitban az ionok mozgásiránya data lenne, egy kis idő múltán (5–10 perc) megállapíthatnánk, hogy a negatív elektródon réz vált ki. Az 59. ábrán láthatjuk a kísérlet – az elektrolízis – lefolyását és a szénelektródot a kísérlet előtt (balra) és a réz kiválása után. Az elektrolitokban az átfolyó áram hatására sor kerül az anyag ionjainak áthelyeződésére (transzportjára). Az elektródokon kémiai reakciók játszódnak le. A mi kísérletünkben ez a negatív elektródon kivált réz formájában nyilvánult meg. Hasonlóan más anyagok is kiválhatnak, pl. a hidrogén vagy valamilyen fém. Az elektroliton átfolyó áramnak hasonló hatása van, mint a fémeken átfolyó áramnak – elektromos mező alakul ki, 59. ábra A rézgálic oldatának elektrolízise és a negatív szénelektróaz oldat felmelegszik és érvényes rá Ohm tördon kialakult rézbevonat vénye is (módosított formában). Új felismerés, hogy az elektrolízis folyamán sor kerül az anyag ionjainak a szállítására, míg a fémek esetében az áram vezetésekor ezzel a jelenséggel látható formában nem találkoztunk.

87


Az elektrolízist a tudományban és a műszaki gyakorlatban is széles körben alkalmazzák. Az oldatokból vagy az ércolvadékokból elektrolízissel tiszta fémeket nyernek, mint pl. az alumínium-oxidból alumíniumot. Az elektrolízist a tárgyak galvanizálásánál (fémréteggel történő bevonásánál, pl. krómozásnál) is alkalmazzák, aminek köszönhetően ellenállóbakká válnak a korrózióval szemben. Az elektrolízis elvén alapulnak a fontos elektromos áramforrások is, amelyről a következő 2.15. fejezetben lesz szó. Az elektromos áramot vezető folyadékokat elektrolitoknak nevezik. Elektrolitok lehetnek a savak, a lúgok és a sók vizes oldatai. Az elektrolitokban a kationok és az anionok rendezett mozgása hozza létre az áramot. Az áram átfolyásakor az elektrolitokban anyagszállításra kerül sor, és az elektródokon kémiai reakciók mennek végbe.

Oldd meg a feladatokat 1. Áthaladhat-e az elektromos áram a burgonyán? Eszközök: burgonya, 4,5 V-os elem, 2 szigeteletlen, 3 cm hosszú rézhuzal Végrehajtás: a) Vágj le a burgonya közepéből egy kb. 0,5 cm vastag szeletet. b) Erősítsd a rézhuzalokat az elem sarkaihoz. c) Szúrd a huzalokat a burgonyaszeletbe. A két beszúrt huzal között legyen kb. 1,5 cm távolság. Megjegyzés: Az elem sarkait közvetlenül is beszúrhatod a burgonyaszeletbe.

d) Végezd a kísérletet mintegy 5–10 percig. Majd válaszd el a burgonyaszeletet és jól vedd szemügyre. Válaszolj: 1. Milyen változásokat lehet megfigyelni a burgonyán a kísérlet után? 2. Hogyan magyarázod a megfigyelt változásokat? 3. Milyen anyagokot tartalmaz a burgonya? 4. Hogyan bizonyítanád, hogy a burgonyában folyik-e áram vagy nem?

burgonyaszelet

2. Milyen anyagok válnak ki a víz elektrolízisekor? Eszközök: telep (9 V), 3 darab 20 ml térfogatú fecskendő, 250 ml térfogatú főzőpohár (kis akvárium), víz, 2 Mohr Mohr-szorító, várium) víz szorító vékony huzal, 8 cm hosszú műanyagcső, Bunsen-állvány, szorítódiók, kristályszóda a víz lágyítására a mosógépbe Végrehajtás: a) Vedd ki a fecskendőkből a dugattyút és vékony huzallal kösd össze a hengereket. b) A műanyagcsövet vágd két 4 cm-es részre és húzd rá azokat a fecskendőkre. c) Helyezd a fecskendőket a vízzel töltött edénybe úgy, hogy részben elmerüljenek a vízben és szorítódiókkal erősítsd azokat a Bunsen-állványhoz. d) Egy harmadik fecskendő segítségével fokozatosan szivattyúzd ki a levegőt a fecs-

88


kendők hengereiből, hogy a hengerek vízzel teljenek meg. Hajlítsd be a műanyagcsövet és zárd le őket pl. Mohr-szorítóval. e) Helyezz vízzel töltött főzőpohárba az összekapcsolt hengerek alá egy 9 V-os telepet úgy, hogy a két sarka külön-külön egy hengerbe nyúljon be. f) Szórj a vízbe néhány kiskanálnyi kristályszódát (a víz mennyiségétől függően) és az oldatot keverd meg. g) Figyeld meg és jegyezd fel a fecskendők hengereiben lejátszódó folyamatokat. Válaszolj: 1. Milyen gáz vált ki a telep pozitív és a negatív sarkánál a víz elektrolízisekor? 2. Hogyan bizonyítanád az 1. kérdésre adott válaszodat? 3. Milyen a megközelítő térfogataránya a kivált gázoknak? 4. Az atomok milyen tulajdonságai nyilvánulnak meg a víz elektrolízisekor? 3. Keress további információkat az elektrolízis ipari alkalmazásáról.

Tudod-e, hogy … 1780-ban Luigi Galvani az elektromos szikrával végzett kísérletei közben szokatlan jelenségre figyelt fel? A preparált békacombok megrándultak, amikor a preparáló tű élével megérintette az idegszálukat. Ennek a rejtélyes jelenségnek a széles körű tanulmányozására 11 évet szentelt, és az eredményeket publikálta. Közleményében arra a következtetésre jutott, hogy az állatpreparátum az „állati elektromosság” forrása, amelynek hasonló tulajdonságai vannak, mint az ún. „dörzselektromosságnak”. Galvani kísérleteinek lényege az volt, hogy a háza fölött egy hosszú vasdrótot feszített ki, amelyet összekapcsolt a béka csípőidegeivel. A békalábakhoz egy további hosszú vezetőt csatlakoztatott, amelyet a kút vizébe vezetett. Amikor kint villámlott, a békacombok erőteljes összerándulását figyelte meg. 1786 szeptemberében egy döntő kísérletet hajtott végre. A békát bevitte a helyiségbe és elhelyezte egy vaslemezre, és amikor a béka idegszálán egy rézhorgot fűzött át és hozzányomta a lemezhez, a görcsös rángatózás szemmel látható volt. A rángatózás valódi okát csak Alessandro Volta magyarázta meg.

Házi felkészülés a tanítási órára Az osztályban négy csoport dolgozzon az áramforrás előállításán. Ajánlatos volna, ha minden csoport másfajta áramforrást készítene. A legAjánl fontosabb eszköz egy citrom, vagy egy alma, esetleg egy burgonya vagy két eltérő anyagú (pl. sárgaréz és alumínium) fémérme lehetne. Továbbá minden csoportnak szüksége lesz acélszögre és rézhuzalra (feltéve, hogy az iskolában nincs elegendő réz- és cinkelektród).

2.15. Kémiai áramforrások Galvani kísérletei az „állati elektromossággal” (lásd fentebb) hatással voltak A. Voltára, aki megismételte ezeket. De egészen más következtetésre jutott: megállapította, hogy a békacombokban jelentkező rövid idejű áramnak a kiváltója a vezetők rendszere – a fémek (vas és réz) és a vezető folyadék az izom anyagában. Volta kísérletei során felfedezte, hogy ha két jól megválasztott fémet egymáshoz helyezünk, érintkeztetjük őket, akkor „kontakt elektromosságot” kapunk. Így aztán 1799-ben egy tartós elektromos energiaforrást, ún. Volta-oszlopot szerkesztett, amely más felfedezéseivel együtt világhírt hozott számára. Volta-oszlopot egyszerű kellékekből is lehet szerkeszteni és ehhez az Oldd meg a feladatokat részben találod meg a leírást.

89


Azóta természetesen az elektromos áramforrások gyártásában, beleértve a kémiai áramforrásokat is, sok minden megváltozott. Ezeknek az áramforrásoknak az elvét magatok is kipróbálhatjátok a következő feladatban.

Feladat Készíts egy saját kémiai áramforrást és állapítsd meg, mekkora a feszültsége. (Dolgozzatok csoportokban.) Ké Eszközök: 2 vezető, citrom (vagy burgonya, alma vagy 2 eltérő anyagú fémérme és papír zsebkendő), multiméter, réz- és cinkelektród (rézhuzal, acélszög). Végrehajtás: a) Két helyen metsszétek be a citromot (almát…) kb. 2 cm-re egymástól. A bemetszett helyekre szúrjatok be egy cink- és egy rézelektródot (acélszöget és egy rézhuzalt). A citrom esetében ajánlatos a tenyerünkkel megnyomkodni és meghengergetni az asztalon, hogy a húsából kiszabaduljon a citromlé. Ha érméket használtok, közéjük kell helyezni egy papír zsebkendőből kivágott és citromlébe vagy sós vízbe stb. áztatott négyzetet. b) Tippeljétek meg az így készített áramforrás feszültségének az értékét. c) Mérjétek meg a tényleges feszültségét. d) Számoljatok be az osztálynak a saját áramforrásotokról és a mért feszültségértékről. Válaszolj: 1. Megegyezik a mért feszültségérték azzal, amit a csoportban vártatok? 2. Mivel magyarázod azt, hogy a citromból, az almából, a burgonyából vagy az eltérő fémekből készült érmékből áramforrás készíthető? 3. Melyik csoport mérte a legnagyobb feszültségértéket és azt te hogyan magyarázod? Eddig a kísérletek során kémiai áramforrásokat – galvánelemeket használtunk. Tudjuk, hogy a laposelem (4,5 V) három rúdelemből (1,5 V) áll, amelyek a belsejében sorba vannak kapcsolva egymással. A 60. ábrán látható egy elem és a hosszmetszete, feltüntetve az alkotórészeit. A negatív elektród egy cinkedény. A pozitív elektród egy szénrúd. Az elektrolit anyaga a szalmiákpaszta (ammónium-klorid, NH4Cl) kásás oldata. A szénelektród körül barnakő [mangán(IV)-dioxid, MnO2] található, amely meghosszabbítja az elem használhatóságát. A porított szén (koksz) javítja az elektródok közötti vezetőképességet. Az elektródokon a feszültség az elektródok és az elektrolit közötti kémiai reakciók következménye. A karórákban, de a zsebszámológépekben is gomb alakú elemeket – gombelemeket használnak. Ezeknek az összetétele más, mint a 60. ábrán látható rúdelemé. A gombelemek előnye a kis méret, ezért alkalmasak a hordozható fogyasztókba. Elektródjaik anyaga lehet ezüst–cink, az elektrolit kálium-hidroxid, vagy vannak higanyt tartalmazó elemek is, amelyek épp a zsebszámológépekbe alkalmasak. Az összetételüket a 61. ábrán látható metszeten szemléltettük. Ezek a gombelemek eltérő fémekből készülhetnek, ami a megjelölésükből is kitűnik, pl. PX, LR, SR, BR és különböző az élettartamuk is.

szénelektród (pozitív) sárgaréz kupakkal + barnakő (MnO2) és koksz keveréke vászonzsákocskában szalmiákpaszta (NH4Cl) cinkedény (negatív elektród)

60. ábra Rúdelem (1,5 V) és hosszmetszete

negatív elektród

porított cink higanyoxid pozitív elektród

elektrolitot tartalmazó abszorpciós párnácska

61. ábra Higanytartalmú gombelem (1,35 V) és metszete

90


Az elemek és a telepek a környezetet veszélyeztető hulladékok közé tartoznak, mert egészséget károsító anyagokat tartalmaznak. Speciális hulladékgyűjtőkben kellene összegyűjteni a már nem használt elemeket. A hosszantartó és nem megfelelő tárolás során csökken ezeknek az elemeknek a feszültsége és már nem lehet ismét feltölteni ezeket. Az újra tölthető elektromos elemet akkumulátornak nevezik. A leggyakrabban az ólomfalú akkumulátort használják. Az egyik (a negatív) elektród ólomból van, a másik (a pozitív) elektród ólom(IV)-oxiddal kibélelt ólomrács. Az elektrolit a kénsav. A feltöltött akkumulátor feszültsége 62. ábra Gépjármű-akkumulátor (12 V) 2 V. és metszete (a hat elemből négy látható) Az ólomakkumulátorok telepe, legtöbbször hat elem, áramforrásként használatos a gépjárművekben. Amikor a gépjármű halad, a telep feltöltődik. A kis hordozható berendezésekben, mint a sétálómagnó (walkman), a mobiltelefon, notebook stb. lítium-akkumulátorokat használnak.

A kémiai áramforrások – a galvánelemek fémelektródokból állnak, amelyek között vezető közeg – elektrolit található. A nagyobb feszültségértékű áramforrásokat úgy kapjuk, hogy az elemeket sorba kapcsoljuk. Bizonyos áramforrások – akkumulátorok – újratölthetők.

Oldd meg a feladatokat 1. Készíts 1 Ké eszközt: Egyszerű kellékekből állíts össze elektromos áramforrást. Eszközök: két különböző fémből készült érmék, esetleg cink- (alumínium-) és rézlapocskák, papír zsebkendő, elektrolit (pl. sóoldat), rézhuzal, ragasztószalag

elektrolit

Végrehajtás: cink 1 elemegység a) Készíts sóoldatot, és ha kis pléhlapocskákat haszréz nálsz, vágd őket egyforma méretűre. Ugyanilyen méretűre vágd a papír zsebkendőt is. b) A legalsó érmére (fémlapocskára) ragasztószalaggal erősíts egy rézhuzalt úgy úgy, hogy kilógjon az oszlop alól és jól érintkezzen az érmével (fémlapocskával). c) Helyezd egymásra az érméket (fémlapocskákat) és a sós vízbe (elektrolitba) áztatott papír zsebkendő darabkákat úgy, ahogy az ábrán látható. d) A felső éremre (fémlapocskára) is ragassz egy rézhuzalt. e) Mérd meg az így szerkesztett áramforrás feszültségét. Válaszolj: 1. Ha további elemegységeket helyeznél az elkészített áramforráshoz, hogyan változna a feszültsége? 2. Ha eltávolítanál néhány elemegységeket az áramforrásból, hogyan változna a feszültsége? 3. Miért kellett az áramforrás elkészítéséhez éppen ezeket az anyagokat használni? Helyettesíthetők az ajánlott anyagok másokkal is? 2. Keress információkat: a) a kémiai áramforrásokról, amelyeket a hordozható elektronikai berendezésekben, pl. a számítógépekben vagy a mobiltelefonokban használnak, b) azoknak az anyagoknak az egészségre káros hatásáról, amelyek bizonyos kémiai áramforrásokban találhatók.


91

2.16. Elektromos áram vezetése gázokban A téma bevezetőjében (Az elektromos áram vezetése folyadékokban és gázokban) szerepel egy példa a levegő vezetőképességének változásáról egy feltöltött elektroszkóp körül. A levegő, amely normális körülmények között nem vezeti az áramot, a gyertyaláng hatására vezetővé válik. A láng olyan hőfokra melegítette a levegőt, hogy az vezetővé vált, ezért tűnt el a töltés az elektroszkópról. Esetünkben a levegő vezetőképességének változását a gázmolekulák mozgási sebességének a megváltozásával magyarázzuk, valamint azokkal a folyamatokkal, amelyek ezt követően a gázban bekövetkeztek. A gázmolekulák normális körülmények között (nyomáson és hőmérsékleten) állandó és rendezetlen mozgásban vannak. Minden irányban bizonyos sebességgel mozognak. Sebességük jelentősen megnő, ha emelkedik a hőmérsékletük. Ha a gázmolekulának nagy a sebessége, egy másik molekulával ütközve elveszítheti egy (vagy több) elektronját. Így a semleges molekulából pozitív töltésű ion – kation és negatív töltésű szabad elektron keletkezik. Ha megtörténik, hogy a kiszabadult elektron összekapcsolódik egy másik semleges molekulával, negatív töltésű ion – anion keletkezik. Ezt a folyamatot a gáz ionizációjának nevezik. A gáz a hőmérséklet-emelkedés következtében ionizált lesz. Ha az említett példában az elektroszkóp fel volt töltve, pl. pozitívan, a környezet elektronjai a töltés elvesztését eredményezték. Abban az esetben, ha az ionizált gáz feltöltött elektródok között van, a töltött részecskékre elektromos mező hat. A kationok a negatív elektród felé indulnak el, az anionok vagy az elektronok a pozitív elektród felé. Ez a gázok ionizációjának az egyik oka – a magas hőmérséklet. Vannak azonban további módok is a gázok ionizálására, pl. erős elektromos mező, esetleg különböző sugárzások (pl. kozmikus sugárzás, radioaktív sugárzás) alkalmazása. A gázok elektromos mezővel történő ionizációját vizsgálva kiderült, hogy az elektródok feszültségétől, alakjától ektródok feszültségétől és egymástól való távolságuktól függően az ionizált gázokban különböző formájú kisülések játszódnak le. A kisülés egyik formája a szikrakisülés, amelynek egyik példája a villámlás zivatar idején. A villám egy rövid időtartamú (0,001 s) elektromos áram a felhő és a föld, illetve két felhő között. A viharfelhőkben felgyülemlik az elektromos töltés. Például a felhők alsó részében negatív töltés halmozódik fel. Ha egy ilyen felhő megközelíti a föld felszínét, az elektrosztatikus megosztás eredményeképp a földön, főleg a magasabb épületeken, amelyek legközelebb vannak a felhőhöz, pozitív töltésfelesleg alakul ki.

63. ábra Elektromos töltés keletkezése zivatar idején. Villám

A felhők és a föld, különösen a magas építmények között elektromos feszültség alakul ki, amelyet kb. 109 V-ra becsülünk. Mivel a levegőben napsütéses időben is található kis mennyiségű elektromos (főleg pozitív) töltésű részecske (kationok), amelyeket erős elektromos mező gyorsít fel és így ütköznek a semleges levegőmolekulákkal. Ezáltal újabb elektromos töltésű részecskék keletkeznek. A levegő ionizálódik. Az ionizáció eredményeként a levegő vezetőképessége gyorsan növekszik és egy adott pillanatban szikrakisülés játszódik le – ez a villám. A villám hossza átlagosan 2–3 km, de a közben keletkező áram erőssége akár 105 amper is lehet. A villám környezetében a levegő erősen felmelegszik, a hőmérséklet elérheti a 20 000 °C-ot és bizonyos helyeken akár a 35 000 °C-ot is. A levegő erőteljes kitágulása a villám környezetében erős zajjal jár – ez a mennydörgés. Tudjuk, hogy a hang jóval lassabban terjed a fénynél, ezért a távolabbi villámokat figyelve előbb a villámlást látjuk, míg a mennydörgést időkéséssel halljuk.

92


Az elektródok közötti kisülést egy iskolai eszközzel – a Van de Graaff-féle szalaggenerátorral is modellálhatjuk. Régebben gyakran előfordult, hogy zivatarok következtében házak égtek le. Az emberek elgondolkodtak azon, hogyan lehetne ezt kivédeni. A 18. században egy cseh természettudós, Prokop Diviš és Benjamin Franklin amerikai fizikus jött rá arra, hogy az épületeket, a kéményeket vagy a tornyokat villámhárítóval lehet megóvni. A villámhárító az épületek legmagasabb pontján elhelyezett fémrúd, amelyet a föld alatt haladó vezetőkkel kötnek össze. Amikor a villámhárítóhoz elektromos töltésű viharfelhő közeledik, a töltés káros következmények nélkül a vezetőkön át a földbe jut. A zivatar keletkezésével kapcsolatos magyarázatunk igen leegyszerűsített. Azt, hogy pontosan hogyan is keletkeznek az elektromos töltések a felhőkben, azt még a tudósok sem tudják teljesen megmagyarázni. Azt viszont tudjuk, hogy a villám ellen védekeznünk kell, mert tüzet okozhat és emberi életet követelhet. A statisztikai kimutatások szerint évente több száz embert sújt villámcsapás csak azért, mert nem a megfelelő módon viselkedtek villámlás idején. Sok tapasztalat alapján és az elektromos jelenségekkel kapcsolatos ismeretekkel felvértezve már tudjuk, hogy veszélyes a terepből kiemelkedő magas fák, bokrok alá bújni. Ugyanúgy veszélyes zivatar idején a tó vizében úszni, szörfözni vagy vitorlázni. A víz vezetőképes és ha a villám az úszó közelében sújt le, az elektromos áram őt is éri. A levegőben az elektromos áram vezetésének egy további formája az elektromos ívfény. Ha megközelítőleg 60 V elektromos feszültség esetén két szénelektród csúcsos végét egymáshoz érintjük, majd a végek felizzásakor széthúzzuk őket, a két izzóvég között ívfény alakul ki (ezt a régebbi ívfényes lámpákban alkalmazták). Az ívfény a negatív elektródról kirepülő szabad elektronoknak köszönhetően keletkezik. A kiszabadult elektronok a semleges levegőmolekulákkal ütköznek, ezáltal ionizálódott gázáram jön létre, amelynek magas a hőmérséklete és élesen világít. Olyan erős a fénye, hogy ez kellő védelem híján még a látásunkat is károsíthatja. A levegőben vezetett elektromos áramot az építőiparban, a kohászatban hasznosítják, és rendszeresen találkozunk vele különböző szerkezetek hegesztésénél. El kell viszont mondani, hogy a fém alkatrészek hegesztésnél maga az alkatrész az egyik elektród. A másik elektród a hegesztő berendezés része, lehet pl. acélból. Az elektród egyúttal leolvad és ezáltal „egyesíti” a két hegesztendő darabot. Az elektromos szikrakisüléshez a levegőben nagy feszültségértékekre van szükség. Ha azonban a levegőt részben kiszivattyúzzuk az üvegcsőből, sokkal kisebb feszültségértékek mellett is kisülést érhetünk el, mint normális nyomáson. A levegőben az áram vezetésének egy újabb formájáról van szó és ennek elnevezése – önálló vezetés ritkított gázokban. A csőben a nyomáscsökkenés azt eredményezi, hogy az elektronoknak és az ionoknak sokkal hosszabb szabad útjuk van és az ütközéses ionizációhoz szükséges nagyobb kinetikus energiára tesznek szert. Az üvegcsövek gyakran gázokkal vannak töltve, pl. neonnal, amely vörös fénnyel világít. Ezt a jelenséget a fényreklámoknál használják. A „takarékos izzólámpákban” a kismennyiségű higanyt tartalmazó ritkított gázokban végbemenő elektromos kisülést hasznosítják. Az utcai világítótestek sárga színét viszont a ritkított gázban található kismennyiségű nátriumionok okozzák.

A gázokban az elektromos áramot a szabad (pozitív, negatív) ionok és elektronok rendezett mozgása hozza létre. A gázokban (levegőben) történő elektromos vezetés három módjával foglalkoztunk – a szikrakisüléssel, az ívfénnyel és az önálló vezetéssel ritkított gázokban.


93

Oldd meg a feladatokat 1. Olvasd el az alábbi szövegeket és válaszolj a kérdésekre. Benjamin Franklin „A híres amerikai tudós és politikus, Benjamin Franklin 1752-ben bebizonyította, hogy a villám nem más, mint elektromos szikra. Philadelphiában, 1752 nyarán a 45 éves Franklin a fiával papírsárkányt eregetett. A sárkány selyemzsinórjának a végére a kertkapu nagy vaskulcsát erősítette. Amikor közeledett a zivatarfelhő, az idősebb Franklin ujjával a kulcs felé közelített és ekkor az ujja és a kulcs között egy szikra ugrott át. Az elektromos szikrától ütést kapott, de ez állítólag a legkellemesebb érzés volt számára, mert elérte azt, amit annyira óhajtott. Mi viszont elmondhatjuk, hogy óriási szerencséje volt, mert nagyon sok embernek éppen a villámlás okozta a halálát. Franklin felfedezése izgalomba hozta az egész akkori világot. Bebizonyította, hogy a zivatarfelhőknek elektromos töltésük van és hogy a villám a felhők és a föld között keletkező elektromos kisülés. (Hlaváč, A.: Bojíte sa blesku? (Félnek a villámtól?) Bratislava, Alfa, 1986, 63–206–86, s. 10.) Václav Prokop Diviš „Diviš villámhárítója” sok fémcsúccsal felszerelt készülék volt és egészen más funkciót tulajdonítottak neki, mint ma. Diviš meg volt győződve róla, hogy a készüléke elszívja az elektromos töltést a légkörből, és ezzel nemcsak a villámokat előzi meg, hanem magát a zivatart is. A készüléke nem a magas építmények védelmét szolgálta a villám ellen, hanem egy olyan berendezés volt, amely a légkörből az elektromos töltések elszívásával szép időt volt hivatva biztosítani. 1759-ben Znojmo környékén nagy aszály volt. A helybeliek arra a véleményre jutottak, hogy ezt Diviš villámhárítója okozza. Az elektromos töltés elszívása a villámhárítóval túl sok napsütéses napot eredményezett. Diviš feljegyzéseiből tudjuk, hogy a helybeliek követelték a villámhárító eltávolítását. (Hlaváč, A.: Bojíte sa blesku? (Félnek a villámtól?) Bratislava, Alfa, 1986, 63–206–86, s. 116–117.) Válaszolj: a) Mely években és mely évszázadban dolgozott V. P. Diviš és B. Franklin a villámhárító megalkotásán? b) Miben tévedett V. P. Diviš és a környezetében élő emberek a villámhárító működésével kapcsolatban? c) Miként vélekedsz arról, hogy tudott-e egymásról B. Franklin és V. P. Diviš? (Véleményedet indokold meg.) 2. Egészítsd ki a mondatokat a hiányzó szavakkal: A fémekben az elektromos áramot a .......................................................................................................................................... rendezett mozgása hozza létre. A folyadékokban (elektrolitokban) a ..................................................................................................................................... rendezett mozgása hozza létre. A gázokban az elektromos áramot a ..................................................................................................................................... rendezett mozgása hozza létre. 3. Keres információkat a szikrakisülés gyakorlati hasznosításáról. 3 4. A villámlás időtartama 0,001 s körül van. A felhő és a föld között 1 000 000 000 (egy milliárd) V feszültség volt. A létrejött áram erőssége 120 kA volt. Villámláskor mekkora energia szabadult fel?

2.17. Az elektromos áram hatása az emberi szervezetre. Biztonság az elektromos berendezésekkel végzett munka közben Az emberi test is vezeti az áramot. Az áram ellenállása is változik. Például a száraz tenyerek között akár több tízezer ohm ellenállást is mérhetünk, mert a tenyéren vastagabb a bőr. Elegendő viszont megnedvesíteni a tenyerünket és az elektromos ellenállás csökken. Egyszerű és biztonságos méréssel meggyőződhettek az áramerősség nagyságáról, amely 4,5 V feszültség mellett átfolyik a testen.

94


Feladat Mérd meg a testeden átfolyó elektromos áram erősségét 4,5 V feszültségnél. M Eszközök: laposelem (4,5 V), vezetők, multiméter Végrehajtás: a) Becsüld meg az áram erősségét, amely áthaladna rajtad, ha az elektromos áramkör részévé válsz. b) Állítsd be a multiméteren az áramerősség mérésére a μA értékek tartományát és az ábra alapján kapcsold be az áramkört. c) Mérd meg a laposelem feszültségét. d) Számítsd ki a tested elektromos ellenállását. Válaszolj: 1. Jellemezd (rajzold le), melyik testrészeden haladhatott az áram. 2. Az áramerősség nagyságára adott tipped megegyezett a mért eredménnyel? 3. Úgy gondolod, hogy a mért ellenállás az egész testedre érvényes? 4. Befolyásolhatnád-e az áramerősség nagyságát az adott feszültség mellett? Amikor 8 mA körüli áramerősségű áram áthalad az emberi szervezeteken (lásd: 14. táblázat), ez súlyos következményekkel járhat. Nagyon veszélyes, ha az áram a szíven halad át, mert megkárosíthatja a folyamatos működését. 14. táblázat Az elektromos áram hatása az emberi testre bizonyos áramerősség-értékeknél Áramerősség I [mA] Hatás Kis ingerlést érzünk. 1 3 Kellemetlen ingerlés a kezek és a lábak ízületeiben. 8 A kézizmok megdermednek, a kezet csak erőfeszítéssel lehet szétnyitni. 15 A kezek nem nyithatók szét, görcsös állapot alakul ki. 30 Komoly fenyegetést jelent a szervezet számára. 100 A szív szabálytalanul ver, a halál is bekövetkezhet.

Az ember számára a 100 mA-nél kisebb erősségű áram is veszélyes lehet, ez a szervezettől és az áramnak a testen való áthaladásától is függ.

64. ábra Hogyan haladhat az elektromos áram az emberi szervezetben


95

Az áramütés következményeit számos körülmény befolyásolhatja. Mindenekelőtt a feszültség nagysága az érintés helyén. A legmagasabb biztonságos feszültségérték egyenáram esetén 25 V és váltóáram esetén 12 V. Az áramütéskor a testen áthaladó áram erősségére hatással van a test és a föld közötti ellenállás. Ha az ember parafa vagy gumitalpú cipőt visel, a sérülés veszélye kisebb, mintha mezítláb állna a nedves környezetben. Az előbbi állítást könnyen alátámaszthatjuk számításokkal. Ha az ember nedves kézzel érinti meg a 220 V feszültségű vezetéket és mezítláb áll a nedves földön (a test feltételezett ellenállása 2 000 Ω), akkor:

I=

U 220 V = = 0,11 A = 110 mA, ami nagyon veszélyes érték. R 2 000 Ω

A száraz kéz és a nem vezető alátét jelentősen megnövelheti az elektromos ellenállást, és ezzel befolyásolhatja a baleset kockázatát is. Egyes villamos berendezéseken, pl. az elektromos elosztószekrényeken találkozhatunk az ábrán látható sárga színű jelzéssel és figyelmeztető felirattal. Ez a figyelmeztető jelzés az elektromos áram okozta baleset veszélyére hívja fel a figyelmet. Az így megjelölt berendezéssel csak az erre kiképzett szakemberek dolgozhatnak. NAGYFESZÜLTSÉG

Hogy elkerüljük a balesetet, az elektromos berendezésekkel dolgozva a következő bizÉLETVESZÉLYES MEGÉRINTENI AZ ELEKTROMOS BERENDEZÉSEKET tonságvédelmi szabályokat kell betartanunk. Tilos nedves kézzel megérinteni a kapcsolókat és a zsinórokat. Tilos a kádban fürödve villamos készülékeket használni. Az izzólámpákat a csillárban csak akkor cseréljük, ha a lakásban lekapcsoltuk a biztosítékot (áramtalanítottuk a vezetéket). Az elektromos vízforraló kannát, a főzőedényt és egyéb elektromos fogyasztókat a dugaszoló aljzathoz mindig kikapcsolva csatlakoztassuk. A dugaszoló aljzatba tilos apró tárgyakat beszúrni. Veszélyes egyik kezünkkel a villanyzsinórt érinteni, a másikkal pedig valamilyen fémtárgyat, mint pl. a vízvezeték csapját vagy a központi fűtésű radiátort fogni. Tilos megérinteni a villanyvezeték tartóoszlopait és a földre esett villanydrótokat. Soha ne használjunk megrongálódott villanyzsinórt. Soha ne nyissuk ki, ne javítsuk az elektromos fogyasztók gépi részeit, amíg áram alatt vannak. Az elektromos fogyasztók javítását hagyjuk a szakemberekre. A régebbi lakásokban olyan biztosítékok vannak, amelyeket az emberek maguk szoktak cserélni vagy javítani. A „javításuk” veszélyeztette a lakás egész villanyhálózatát. Ma olyan biztosítékokat alkalmaznak, amelyeket egyszerű módon működésbe lehet hozni. Ha a lakásban a biztosíték lekapcsolja az áramot, a villanyvezetékben valami nincs rendben. Ezért a szakembernek meg kellene néznie a vezetéket és a hibát el kellene távolítania. A biztonsági szabályok betartása ellenére bekövetkezhet egy elektromos baleset (áramütés). Ha tanúi vagyunk egy ilyen esetnek, kötelességünk elsősegélyt nyújtanunk. Az elsősegély nyújtásakor érvényes néhány alapelv: Megszakítjuk az áramkört – lekapcsoljuk a központi biztosítékot, kihúzzuk a dugaszolóaljzatból a villásdugót, egy nem vezető tárggyal eltávolítjuk a vezetéket. Puszta kézzel nem érintjük meg a sérült testét, ruháját. Ugyanúgy tilos megérinteni puszta kézzel a vele érintkező tárgyakat sem. Lehetőleg nem vezető alátéteket vagy gumianyagot használjunk. Amikor a sérült az elektromos áram hatásán kívülre került, meglazítjuk a ruháját, ellenőrizzük a pulzusát, a légzését és szükség esetén mesterséges légzést és szívmasszázst alkalmazunk. Felhívjuk a mentőszolgálat 155-ös telefonszámát.

Oldd meg a feladatokat 1. Válaszolj: a) Áthaladhat-e az elektromos áram az emberi testen, ha az ember csak egy kézzel érinti meg az áram alatt lévő vezetőt? b) Miért a legveszélyesebb az, ha az elektromos áram az egyik karból áthalad a másik karba?

96


2. Baleset történt. Gyurka valószínűleg a villanyvezeték alatt haladt, amikor ráesett az egyik villanydrót. Öntudatlanul fekszik a földön. Andris segíteni szeretne neki. Az A és a B ábrán kétféle segítési mód látható. Válaszd ki a megfelelőt, nehogy Andrisnak is baja essen. Választásodat indokold meg.

3. Ősszel nyirkos időben a gyerekek sárkányt eregettek. A sárkány fennakadt a villanydrótokon. Mit kellene tenniük a gyerekeknek ebben a helyzetben? Milyen veszély leselkedik rájuk? 4. Az ábrán látható férfi megfogta a rádiókészülék rosszul szigetelt zsinórját, amely a dugaszolóaljzathoz volt csatlakoztatva. Úgy tűnik, veszélyben van az élete. A barátjának mit kellene azonnal tennie? 5. Egy valóban megtörtént gépkocsibaleset során a jármű nekiütközött a villanyoszlopnak, amely a villanyvezetékkel együtt rádőlt az autóra. A közeli kertben egy férfi dolgozott, aki egyik kezével megfogta az autó kilincsét. Eközben meg is halhatott volna, mert a villanyvezetékek a nagyfeszültséghez voltak kapcsolva. Ebben az esetben nem történt szerencsétlenség. Mi akadályozta meg, hogy az embernek baja történjen?

Elektromos energia és átalakulásai Az iskolai kísérleteknél jobbára kémiai áramforrásokat használtunk. Ezekből viszonylag kis feszültségértékeket nyerhettünk és hátrányuk az, hogy használva őket egy idő után csökken a feszültség. A legtöbb háztartási és ipari fogyasztó az országos villamos hálózatból meríti az elektromos energiát. Hogyan „gyártják” iparilag a villanyáramot? Milyen felfedezésekre és műszaki találmányokra volt szükség, hogy ilyen egyszerűen jussunk hozzá? Tudjuk már, hogy az árammal átjárt vezető körül mágneses mező alakul ki. Keletkezhetne-e – fordított esetben – a mágneses mező hatására elektromos áram? Ezt a kérdést tette fel magának Michael Faraday (ejtsd: májkl feredéj), aki 1822-ben ezt írta a naplójába:

M. Faraday (1791 – 1867)

97


„Átalakítani a mágnességet elektromossággá.” Tíz évig tartott azonban, amíg elérte a kitűzött célt. Egyszerű kísérletekkel meggyőződhetünk róla, hogy ha a tekercs közelében mágnest mozgatunk (65. a, c ábra), a tekercsen feszültséget mérhetünk. Ha a mágnest nem mozgatjuk (b, d ábra), a feszültség megszűnik. Szükséges hangsúlyozni, hogy a mágnes mozgatásának irányától is függ, hogy mit mutat a mérőkészülék.

a

b

c

d 65. ábra Az elektromágneses indukció jelensége

Azt a jelenséget, amely során a mágneses mező változásakor elektromos áram keletkezik, elektromágneses indukciónak nevezzük. A tekercsen az így keletkező feszültséget indukált feszültségnek nevezik. Minél gyorsabban változik a mágneses mező a tekercs közelében, annál nagyobb lesz az indukált feszültség. Ez a felfedezés kulcsfontosságú lett az elektromos energia előállítása szempontjából. Az elektromos energia előállítására szolgáló berendezések – generátorok – alapját a mozgó elektromágnesekkel felszerelt tekercsek alkotják. Az elektromágnesek mozgását víz- vagy gőzturbinák biztosítják. Az elektromos energia gyártására szolgáló berendezés egyszerű eszközökkel is modellálható (66. ábra). Ha a mágnest lassan forgatjuk a tekercs előtt, a környezetében megváltozik a mágneses mező. Az ampermérő áramot jelez. Az áramerősség egyszer pozitív, máskor negatív értékeket vesz fel.

áram

idő

az áram iránya

az áram iránya

66. ábra A generátor modellje és az áramerősség időbeli lefolyása

Az áram iránya aszerint váltakozik, hogyan fordul a mágnes. Az áramerősség-értékek időbeli függvényéből grafikont szerkeszthetünk, amely egy hullámvonal. Azt az áramot, amely állandóan változtatja az irányát, váltakozó áramnak nevezzük (a jele: ~). Az az elektromos áram, amelyet a galvánelem juttat az áramkörbe – egyenáram. Az egyenáram időbeli lefolyásának grafikus ábrázolása az x tengellyel párhuzamos egyenes. Hasonlóan, ahogy a váltakozó áram elektromágneses indukcióval keletkezett, állítják elő a váltakozó áramot a villanyerőművekben is; ezeket a berendezéseket generátoroknak nevezik. A generátorok tekercsei alkotják az

98


állórészt (sztátort) és a forgó elektromágnesek alkotják a forgórészt (rotort). A forgórészeket az erőművekben turbina forgatja, amelyet gőz (hő- és atomerőművek) vagy víz (vízerőművek) hajt meg. A generátorban a forgórész mozgási energiája elektromos energiává alakul át, amelyet az állórész tekercseiről lehet levenni. Az előállított elektromos energiát el kell juttatni a fogyasztókhoz, ami sokszor több száz kilométeres távolságot jelent. Már az első próbálkozások során megállapították, hogy elektromos energiát csak nagy veszteséggel lehet szállítani, mert az energia négyötöde hővé alakult át. Kiderült, hogy ez a túl nagy áramerősség az átvitelével áll összefüggésben. Az elektromos energiaátvitellel kapcsolatos problémákat Nikola Tesla szerb fizikus oldotta meg. Kimutatta, hogy ha a vezetők között nagyfeszültség van, akkor az energia szállítására elegendő kis áramerősség is, közben az energiaveszteség is csekély. A kisfeszültség átalakítását nagyfeszültséggé és fordítva egy transzformátornak nevezett berendezés segítségével sikerült megoldani. A transzformátorban az elektromágneses indukciót hasznosítják. A transzformáközös vasmag tor legfontosabb része két tekercs, amelyek egy közös lágyvasmagra vannak csévélve. Az egyik – primer – tekercshez kapcsolU2 U1 kilépő belépő ják a belépő U1 feszültséget. A második feszültség feszültség – szekunder – tekercset (feszültsége U2) a fogyasztóhoz kapcsolják. primer szekunder A primer tekercsben folyó váltakozó tekercs tekercs áram a transzformátor magjában változó mágneses mezőt hoz létre. Ezáltal a szekunder tekercsben váltakozó feszültség indukálódik. Ha a szekunder tekercsnek kevesebb menete van, mint a primer tekercsnek, a transzformátor csökkenti a feszültséget. Ha a szekunder tekercsnek több menete van, a feszültség is növekszik. A transzformátor a váltakozó szolgáló berendezés. feszültség változtatására szo A nagyfeszültségű vezetékek tartóoszlopain transzformátorok vannak, amelyekben a 22 000 V feszültség 230 V nagyságú feszültségre transzformálódik. Bizonyos háztartási fogyasztók, pl. a tévékészülék képernyője 20 000 V feszültséget igényel. Ezt az értéket a saját transzformátora biztosítja. Számos gépben, gépi berendezésben, fogyasztóban, amely villanyárammal működik, az elektromos energia mechanikai energiává alakul át. Ezt az átalakítást a villanymotorok biztosítják. Az elektromos energia átalakulásának példája mechanikai energiává a mosógép forgódobja, a ventilátor, a mixer stb. A mindennapokban sokféle villanymotort használnak. Az elektromos fogyasztók nagy csoportjában a villanyenergia hőenergiává alakul át. Az ún. kisfogyasztók közé tartozik az elektromos főző, a kávéfőző, a vasaló vagy az elektromos infrasugárzó. Ezt az energiaátalakulást általában egy spirál alakú fűtőszál biztosítja, amely nagy ellenállást fejt ki az árammal szemben. Például az infrasugárzó hőforrása egy kerámiatestbe van öntve vagy egy fémcsőre csévélt spirális fűtőszálból áll. Az áramkörök mérésénél és bekapcsolásánál lehetőségetek nyílt közelebbről is megismerkedni az izzólámpával, amelyben az elektromos energia fénnyé alakul át. A világítás-technikusok állítják, hogy bár Edison első szénszálas izzói óta több mint 130 év telt el, továbbra sem lehetünk elégedettek, mert az elektromos áram átalakítása fénnyé továbbra is jelentős energiaveszteséggel jár. Míg az első izzólámpák csak 2 %-os hatásfokkal alakították át az elektromos energiát fénnyé és a maradék 98 % hasznosítatlan maradt, a volfrámszálas izzók ezt csak kis mértékben javították (4–6 %). Még a legkorszerűbb fényforrások is, mint a fénycsövek,


99

a nátriumgőz-lámpák vagy a halogénlámpák nem képesek a bevitt elektromos energiát 30 %-nál nagyobb hatásfokkal fénnyé átalakítani. Úgy tűnik, hogy a több mint 70 %-os hőenergia-veszteség máig kísérő jelensége minden fényforrásnak.

Fontos kifejezések, összefüggések Magy Magyarázd meg a táblázat oszlopaiban feltüntetett fontos kifejezéseket. A baloldali oszlopban található kifejezésekhez rendelj a jobb oldali oszlopból olyan kifejezéseket, amelyek jelentésüket illetően a leginkább összetartoznak.

Volta-oszlop elektromos áram a folyadékokban

anion szabad elektronok negatív elektród anyagszállítás galvánelemek pozitív elektród

kémiai áramforrások

villámhárító indukált feszültség gáz ionizációja elektrolit szikrakisülés egyirányú áram

elektromos áram gázokban

kation elektrolízis rézelektród akkumulátorok ívfény szénelektród cinkelektród

elektromágneses indukció

váltakozó áram transzformátor

100


2. projekt Szabályozható feszültségű áramforrás összeállítása SSzámos elektromos berendezésben szükség van a feszültség szabályozására. Ha a feszültséget az izzólámpán szabályozzuk, az izzó a feszültség arányában változtatja a fényességét. A feszültség szabályozásával változtatjuk a vevőkészülékek hangerejét vagy a tévéképernyők világosságát. A szabályozható áramforrás a gyakorlatban nagyon hasznos és a műszaki berendezések konstruktőreinek ezt ki kellett fejleszteniük. Ebben a tanévben átvettetek néhány témát, amelyek ösztönözhetnek benneteket ennek a projektnek a megvalósítására. Javaslat a végrehajtáshoz 1. Alakítsatok ki egy munkatársi csapatot. 2. Ismerkedjetek meg a témával és keressétek meg a szükséges információkat. 3. A füzetbe vázoljátok fel az áramkört és a feszültségszabályozó berendezés elvét. Az ábrán a sémáját látjátok annak, ami a javaslattól várható. A sémában a kérdőjeles hely a projekt tárgya. A berendezéshez csatlakozhat valamilyen fogyasztó (1, 2 csatlakozó), amellyel tesztelhető a berendezés működőképessége. 4. Szerkesszétek meg és próbáljátok ki a berendezést. 5. Készítsetek beszámolót kiegészítve a magyarázattal. A prezentáció során a csapat minden tagja adjon számot a projektben végzett saját munkájáról. A projekt teljesítésének feltételei A berendezésnek működőképesnek kell lennie. A prezentáció össze van kapcsolva a magyarázattal. A csoport tagjai legyenek képesek prezentálni a projektben végzett munkájukat és válaszoljanak a vitában feltett kérdésekre. Az értékelés módja A projektek értékelését az osztályban bevált módon lehet elvégezni. Az értékelés során azt is figyelembe kell venni, vajon a prezentálók elkészítették-e a berendezés sémáját.

101


Amit megtanultunk A folyadékok bizonyos körülmények között vezetik az elektromos áramot A savak, a lúgok és a sók oldatai elektrolitok, vezetik az elektromos áramot. Az oldatokban szabad ionok – pozitív töltésű kationok és negatív töltésű anionok vannak. van pozitív elektród

negatív elektród

kation Na+ anion Cl–

A rézgálic oldatának elektrolízisekor a szénelektródon rézbevonat képződik. Anyagszállításra kerül sor.

Kémiai áramforrások Galvánelemek

Akkumulátorok

A gázok bizonyos körülmények kö között vezetik az elektromos áramot

Ha a gázmolekulának nagy a sebessége, más molekulával ütközve elektront szabadíthat ki belőle. Így keletkezik a semleges molekulából pozitív töltésű ion – kation és negatív töltésű elektron. Ha a kiszabadult elektron egy másik semleges molekulához társul, negatív töltésű ion – anion keletkezik. Ezt a folyamatot a gáz ionizációjának nevezik.

102


szikrakisülés

ívfény

elektromos ktromos kisülés ritkított gázokban gázokb

Az emberi b i test vezető ő

Hogyan haladhat át elektromos áram az emberi testen Elektromos berendezésekkel dolgozva be kell tartani a szigorú biztonságvédelmi szabályokat. Elektromágneses indukció áramerősség

az áram iránya

az áram iránya

idő

Azt a jelenséget, amikor a változó mágneses mező hatására elektromos áram keletkezik, elektromágneses indukciónak nevezzük. A tekercsen feszültség indukálódik. Ez a jelenség kulcsfontosságú az elektromos energia előállítása szempontjából. Transzformátor közös vasmag U2 kilépő feszültség

U1 belépő feszültség primer tekercs

szekunder tekercs

A transzformátor segítségével a kisfeszültség nagyfeszültséggé alakítható és fordítva. A transzformátorban az elektromágneses indukció jelenségét hasznosítják.

103


4. teszt – feleltesd le önmagadat Összefoglaló teszt 1. A fémkanalat elektrolitikusan ezüsttel kell bevonni (galvanizálni); behelyezzük az ezüst só oldatába, mint az egyik elektródot. Az áramforrás melyik sarkához kell a kanalat csatlakoztatnunk? Válaszodat indokold meg. 2. A felhő és a föld között a zivatar előtt 1 200 000 kV feszültség van. A keletkező áram erőssége eléri 130 kA értéket. A villámlás időtartama 0,001 s. Mekkora energia szabadul fel a villámlás során?

3. Az ábrán sematikusan szemléltettük az elektromos áram vezetését az elektrolitban. Jellemezd az elektromos áram vezetését a folyadékokban.

4. A testen átfolyó áram mérésekor 93 mA áramerősséget mértek. Áramforrásként egy 4,5 V feszültségű laposelemet használtak. Számítsd ki a test ellenállását, amelyet az árammal szemben fejtett ki. 5. A ház pincéjébe befolyt a víz. A tulajdonos olyan elektromos szivattyúval szerette volna kiszívatni a vizet, amelynek megrongálódott a csatlakoztató kábele. Áramütés érte. Milyen hibákat követett el a háztulajdonos az elektromos berendezés használata során? 6. Foglald össze mi a feltétele az elektromos áram vezetésének: – a fémekben, – a folyadékokban, – a gázokban. 7. Az ábrákon ákon rajzon szemléltettük a három izzólámpa bekötési módját.

a a) b) c) d)

b

Rajzold le az izzók mindkét bekötési módjának sémáját egy 4,5 V feszültségű teleppel. Számítsd ki az ellenállást mindkét áramkörben. Az izzólámpák egyformák, és egy izzó ellenállása 20 Ω. Számítsd ki mindkét bekötési mód esetén az egyes izzókon átfolyó áram erősségét. Mekkora a feszültség egy-egy izzón a két bekötési módnál?

8. Műszálas pulóvert magadra öltve pattogást hallottál és a sötétben felvillanások is láthatók voltak. Magyarázd meg ezt a jelenséget.

doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc. Mgr. Ľubica Morková

Fizika 9 az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára Kiadói feldolgozás – Vydavateľské spracovanie EXPOL PEDAGOGIKA, s. r. o., Bratislava Grafikai elrendezés, borítóterv, fényképek és szedés – Grafická úprava, návrh obálky, vyhotovenie fotografií a sadzba Ing. Peter Kaminský Kiadó – Vydavateľ © EXPOL PEDAGOGIKA, s. r. o., Bratislava Nyomda – Tlač KASICO, a. s., Bratislava

ISBN 978-80-8091-277-2

az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára

Recommend Documents