Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. III. Villamos és mágneses tér

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába III. Villamos és mágneses tér

Villamos tér A térnek az a része, amelyben a villamos erőhatások érvényesülnek.

Elektrosztatika A nyugvó és időben állandó villamos töltések által keltett villamos tér törvényeivel foglalkozik.

1. A villamos tér jellemzői Coulomb-törvény Két pontszerű töltés között fellépő erő egyenesen arányos a töltések szorzatával és fordítottan arányos a közöttük lévő távolság négyzetével. Q1  Q 2 [N] r2 2 9 Nm k  9 10 arányossági tényező , vákuumban C2

F  k

A villamos térerősség A villamos térbe helyezett egységnyi töltésre ható erő. E

F Q

N  C 

1. A villamos tér jellemzői A villamos tér szemléltetése Villamos tér ábrázolása A villamos tér érzékszerveinkkel nem észlelhető, szemléltetése erővonalakkal történik. Az erővonalak tulajdonságai: • Az erővonalak irányítottsága a következő: a pozitív töltésekről indulnak és a negatív töltéseken végződnek. • Különálló töltések esetén a pozitívnál a végtelenbe tartanak, míg negatívnál a végtelenből érkeznek.

1. A villamos tér jellemzői Homogén villamos tér Az olyan elektromos teret, ahol a térerősség állandó értékű, homogén elektromos térnek nevezzük, amelynek erővonalai azonos sűrűségűek és párhuzamosak egymással.

1. A villamos tér jellemzői Feszültség és térerősség Vegyünk két egymással párhuzamos fémlemezt. A lemezek töltését egy feszültséggenerátor segítségével szétválasztjuk. Ez azt jelenti, hogy a lemezek töltése azonos, de ellentétes polaritású lesz, azaz a két lemez között homogén elektromos teret hozunk létre. Térerősség kialakulása Az elmozdulás közben a tér W = F·d , azaz W = Q·E·d munkát végez. Mivel a lemezek közötti feszültség:

U

W EQd U U  Ed  E  Q Q d

1. A villamos tér jellemzői Vezetők a villamos térben

Árnyékolás Az elektronikában gyakran használnak árnyékolást, ugyanis az áramkörök működése közben elektromos terek keletkeznek, amelyek egymás funkcionális működését zavarják. Viszont tapasztalati tény igazolja azt, hogy elektromos kölcsönhatás a térnek azon részén nem mutatható ki,amelyet vezető anyaggal veszünk körül, és azt a földdel összekötjük.

1. A villamos tér jellemzői Szigetelők a villamos térben Permittivitás (dielektromos állandó) Szigetelőanyagokra jellemző állandó. Megadja, hogy a szigetelőanyag mennyire vezeti a villamos erővonalakat. ε0: megadja, hogy a vákuum mennyire vezeti a villamos erővonalakat. εr: a relatív permittivitás, megadja, hogy a szigetelőanyag mennyire vezeti a villamos erővonalakat. Továbbá megadja, hogy hányad részére csökken a töltések közötti erő, ha vákuum helyett más szigetelőanyag tölti ki a töltések közötti teret.

F ε  ε 0  ε r   F : Farad m

1. A villamos tér jellemzői Dielektromos polarizáció A molekula dipólusok beállása a tér irányába. A rendeződött dipólusok erőtere ellentétes a külső térrel. Tehát a szigetelők belsejében lévő eredő térerősség kisebb, mint a vákuumban.

U E d εr A villamos térerősség εr-ed részére csökken.

1. A villamos tér jellemzői Átütés Ha egy elektromosan megosztott szigetelőanyagban a térerősséget tovább növeljük, akkor fokozódik a polarizáltsága. Az elektron pályája mindaddig torzul, míg egy adott értékű térerősség esetén az elektron kiszakad kötéséből. Szabad töltéshordozó lesz, amit a nagy térerősség felgyorsít. A rendkívül gyors szabaddá vált elektron más atom, erősen polarizálódott elektronját bombázza ki kötéséből. A szabad töltéshordozók száma emiatt lavinaszerűen megnő, és a szigetelőanyag vezetővé válik. Ezt a jelenséget átütésnek nevezzük.

Átütési szilárdság Azt a legnagyobb térerősséget pedig, amelynél a szigetelő még nem üt át, átütési szilárdságnak nevezzük.

2. Kondenzátorok Kettő vagy több villamosan vezető felületből állnak, melyek között szigetelő anyag van. Villamos töltés tárolására szolgálnak.

2. Kondenzátorok A villamos kapacitás fogalma Kapacitás: töltésbefogadó képesség

C

Q U

F (Farad)

Egységnyi felületen tárolható töltés.

1F 

1C 1V

1 F a kapacitás, ha 1V feszültség 1C töltést visz fel a fegyverzetekre. A F d A az egyik fegyverzet felülete.

C  ε0 

C  ε0  εr 

A F d

2. Kondenzátorok Rajzjelek Jellemzői Névleges kapacitás (pF, nF, mF) Adott fizikai tulajdonságot mértékegységben kifejező szám. Tűrés A névleges értéktől való megengedett eltérés.

C tényl  C névl C névl

100 %

2. Kondenzátorok Feliratok

1nF → 1n0 47pF → 47 vagy 470 (47·100) 4,7nF → 4n7 vagy 472 10nF → 10n vagy 103 100nF → 100n vagy 104 Névleges feszültség Az a feszültség, amelynél a kondenzátor szigetelőanyaga tartós igénybevétel során sem károsodik. Pl.: 16V, 25V, 63V, 1000V

2. Kondenzátorok Hőmérsékleti tényező Megadja, hogy az 1F-os kapacitás 1°C-os hőmérsékletváltozás esetén hány F-dal változik meg. Szigetelési ellenállás A kondenzátorra kapcsolt egyenfeszültség és az annak hatására folyó áram állandósult állapotban. (GW nagyságrendű)

2. Kondenzátorok Típusai Állandó értékűek Papírkondenzátorok (pF, nF esetleg mF) Műanyag fóliás kondenzátorok (pF, nF esetleg mF) Dielektrikumuk polisztirol, fegyverzetük Al (feltekercselt formában), lehet polarizált is Kerámia kondenzátorok (pF, nF esetleg mF) Elektrolit kondenzátorok (nagyobb kapacitásúak, néhány tized mF- több ezer mF-ig) • alumínium • tantál minden esetben polarizáltak!!!!

Változtatható értékűek Trimmer (beállító) kondenzátorok

2. Kondenzátorok Kapcsolása Soros kapcsolás A feszültségforrásból csak a szélső lemezekre

áramlik

töltés.

A

többi

lemezen csak a villamos megosztás révén van töltés.

1 1 1   C e C1 C 2 C e  C1  C 2

Kapacitív feszültségosztó

U2  ? U2  U 

C1 C1  C 2

2. Kondenzátorok Párhuzamos kapcsolás A feszültségforrásból minden lemezre áramlik töltés.

Ce  C1  C2

2. Kondenzátorok Viselkedése az áramkörben

Töltési és kisütési időállandó

2. Kondenzátorok Viselkedése az áramkörben

• bekapcsoláskor rövidzár • bekapcsoláskor a feszültség kialakulását, kikapcsoláskor

a meg-

szűnését késlelteti

• bekapcsolás után fogyasztóként (villamos tér kialakul), kikapcsolás után generátorként (villamos tér megszűnése) viselkedik • állandósult állapotban szakadás!!!!!!

Mágneses tér A térnek az a része, amelyben a mágneses erőhatások érvényesülnek. (a mágneses vagy mágnesezhető testekre, illetve a villamos áramokra erő hat)

1. A mágneses tér jellemzői A mágneses tér szemléltetése

1. A mágneses tér jellemzői Kiindulási tapasztalatok Az árammal átjárt vezetők között erő lép fel.

vonzóerő

taszítóerő

1. A mágneses tér jellemzői Jobbkéz-szabály

1. A mágneses tér jellemzői Mágneses erővonalak tulajdonságai

1. A mágneses tér jellemzői Mágneses erővonalak tulajdonságai • zárt görbét alkotnak • irányuk a tér egy pontjában megegyezik az indukció irányával • egymást nem keresztezik • a mágnesen kívül az északi pólustól a déli felé, a mágnesen belül a déli pólustól az északi felé haladnak • az egyirányúak taszítják, az ellentétes irányúak vonzzák egymást • hosszirányban rövidülni igyekszenek

1. A mágneses tér jellemzői A mágneses indukció A mágneses térerősséget a térben elhelyezett áramtól átjárt vezetőre ható erő nagysága, illetve az áramtól átjárt vezetőkeretre ható forgatónyomaték nagysága határozza meg.

B

F T mágneses indukció (Tesla) Il

B

M T IA

1. A mágneses tér jellemzői A mágneses indukció A mágneses indukció az 1 m2 felületen, merőlegesen áthaladó erővonalak száma.

Homogén mágneses tér Amelyben a mágneses indukció iránya és nagysága minden pontban azonos.

1. A mágneses tér jellemzői Az elektromágnes

1. A mágneses tér jellemzői Mágneses fluxus Adott felületen merőlegesen áthaladó erővonalak száma. Φ=B·A [Wb] – Weber

Mágneses gerjesztés A villamos áram mágneses teret hoz létre. (gerjeszt) Adott felületen áthaladó és maguk körül mágneses teret létrehozó villamos áramok összege. Ѳ=I·N [A]

1. A mágneses tér jellemzői Mágneses térerősség A gerjesztés indukciót létrehozó hatását a tér egyes pontjaiban mágneses térerősségnek nevezzük.

H l: erővonalhossz

Θ A l  m 

1. A mágneses tér jellemzői Permeabilitás Mint az elektromos tér esetében, a mágneses térben ható erő nagysága (azaz a mágneses indukció értéke) is függ a teret kitöltő anyag minőségétől. Ezt jellemző mennyiség a mágneses permeabilitás, ami a mágneses indukció és a térerősség között létesít kapcsolatot.

B μ permeabili tás H H μ  μ0  μr   m μ 0 : vákuum permeabili tása μ r : realtív permeabili tás (jellemz ő az anyagra) M egadja, hogy az anyag mennyire vezeti a mágneses erőrővonal akat.

1. A mágneses tér jellemzői Az anyagok csoportosítása mr alapján mr<1 : diamágneses anyagok mr≥1 : paramágneses anyagok

mr>1 : ferromágneses anyagok

2. Az anyagok mágneses viselkedése Domén Az elektronok keringéséből származó áramok mágneses teret hoznak létre az atomok körül. Az atomoknak, illetve a belőlük felépülő molekuláknak van saját mágneses tere. Ezeket együttesen doméneknek nevezzük. (elemi mágnesek)

2. Az anyagok mágneses viselkedése Állandó mágnes Bizonyos anyagokban pl.: vas, kobalt, nikkel, stb. nincs minden elektronnak olyan párja, amely ellentétes köráramot képviselne. Vas a mágneses térben Mágneses térben az elemi mágnesek rendeződnek.

2. Az anyagok mágneses viselkedése Mágnesezhető anyagok (Ferromágneses anyagok)

• Kemény mágneses anyagok – Nehezen mágnesezhetők, de mágneses állapotukat megtartják

• Lágy mágneses anyagok – Könnyen mágnesezhetők, de a mágnesezés megszűntével a mágneses állapotukat hamar elveszítik

2. Az anyagok mágneses viselkedése Hiszterézis görbék (mágnesezési görbék)

Hc: koercitív erő (kényszerítő térerősség) Br: remanens (visszamaradó) indukció

2. Az anyagok mágneses viselkedése Kemény és lágy mágneses anyagok hiszterézis görbéje

Kemény mágneses anyagok

Lágy mágneses anyagok

3. Mágneses körök Nyitott és zárt mágneses körök

3. Mágneses körök Nyitott és zárt mágneses körök

4. Gyakorlati alkalmazások

Elektromágneses indukció Villamos áram létrehozása mágneses úton.

1. A mozgási indukció Kísérlet, következtetés

Mágneses térben, ha a vezető erővonalakat metsz, akkor a vezetőben feszültség indukálódik, amely áramot kelt.

1. A mozgási indukció Lenz-törvény

Lenz törvényének értelmében az indukált feszültség iránya mindig olyan, hogy az általa létrehozott áram mágneses tere gátolja az őt létrehozó hatást.

1. A mozgási indukció Indukált feszültség

U i  B  l  v V 

Tekercs esetén :

Δ V Ui  Δt

Ui  N 

Δ V Δt

2. Kölcsönös indukció Kísérlet, következtetés

Abban az esetben, ha egy tekercs árama megváltozik, akkor a vele mágneses kapcsolatban lévő tekercsben feszültség indukálódik, mely áramot kelt.

3. Önindukció Jelölés, definíció

Abban az esetben, ha egy tekercs árama megváltozik, akkor a tekercs fluxusa is megváltozik, így a tekercsben feszültség indukálódik, mely áramot kelt.

3. Önindukció Induktivitás (öninduktivitás) ΔΦ ΔΦ ΔI ΔΦ ΔI Ui  N   N   N  Δt Δt ΔI ΔI Δt ΔΦ H Henry L  N ΔI ΔI Ui  L  Δt L annál nagyobb, minél kisebb ∆I-vel minél nagyobb ∆ jön létre. Az induktivitás az 1 sec alatti 1A-es egyenletes áramváltozáskor indukált feszültség.

4. Tekercsek Rajzjelek

4. Tekercsek Fajtái • • • •

Vasmagos tekercs Légmagos tekercs Légréses vasmagos tekercs Bifiláris tekercs

4. Tekercsek Kapcsolása Soros kapcsolás

Le  L1  L2

4. Tekercsek Kapcsolása Párhuzamos kapcsolás

Le  L1  L2

4. Tekercsek Viselkedése az áramkörben