A tárgy neve Meghirdető tanszék(csoport) Felelős oktató: Kredit Heti óraszám típus Számonkérés Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel Előfeltétel Helyettesítő tárgyak Periódus Javasolt félév Kötelező vagy kötelezően választható
ELEKTROMOSSÁGTAN SZTE Természettudományi Kar Fizikus Tanszékcsoport Laczkó Gábor 7 4+2 előadás + gyakorlat kollokvium + gyakorlati jegy gyakorlat Mechanika, Hullámtan és optika, Matematikai módszerek a fizikában őszi félév, évente 3. félév Fizika alapszak (kötelező)
AJÁNLOTT IRODALOM 1. 2. 3. 4. 5.
Hevesi I.: Elektromosságtan, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998 Budó Á.: Kísérleti Fizika II., Tankönyvkiadó, Budapest, 1979 Ohanian, H.C.: Physics, W.W. Norton & Company, Inc., 1985 Sears, F.W., Zemansky, M.W. and Young, H.D.: University Physics, Addison-Wesley Publishing Company, 1978 Feynman. R.P.: Mai fizika (5-7 kötet), Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1986
A TANTÁRGY RÉSZLETES TEMATIKÁJA Bevezető áttekintés: az elektromágnességről Elektromos erők, elektromos és mágneses terek, szemléltetésük, vektorterek fluxusa és cirkulációja, az elektromágnesség törvényeinek áttekintése, térfogalom a fizikában, az elektromágnesség a tudományban és a technikában. Elektrosztatika és magnetosztatika Az elektrosztatikai tér vákuumban Elektromos alapjelenségek és alapfogalmak: elektromos állapot, a kétféle elektromos töltés, vezetők és szigetelők, elektromos megosztás, influált elektromos töltések. Elektromos ponttöltések közti erőhatás: Coulomb törvénye, az elektromos töltés egységei, a vákuum permittivitása, az inverz négyzetes távolságtörvény pontossága, a Coulomb törvény érvényességének határai, az elektromos erők szuperpozíciójának elve, ponttöltések rendszerének és folytonos töltéseloszlásnak ponttöltésre gyakorolt hatása, az elektrosztatikus és a gravitációs kölcsönhatás összehasonlítása. Az elektromos alapjelenségek korpuszkuláris értelmezése: az elektromosság és az anyag, a töltés kvantáltsága, az elemi töltés, az elektromos vezetés értelmezése, a töltésmegmaradás tétele a makro- és a mikrovilágban, a töltés relativisztikus invarianciája. Az elektromos tér és jellemzése: az elektromos térerősség, a tér ábrázolása erővonalakkal, az erővonalak sűrűsége, forrásai és nyelői. A fizikai tér mint az anyag egy formája. Ponttöltés elektromos tere. Egyszerű töltéseloszlások elektromos tere: egyenletes töltéssűrűségű, vonal-, sík- és kettős sík (elektromos kettősréteg) alakú vezető esete. Az elektromos fluxus. Gauss tétele. A Gauss-tétel kapcsolata a Coulomb-törvénnyel sztatikus és időben változó elektromos terekben. A Gauss-tétel összefüggése a távolságtörvény inverz négyzetes jellegével. A térerősség divergenciája: a Gauss-tétel differenciális alakja. Példák a Gauss-tétel alkalmazására szimmetrikus töltéseloszlások esetén: ponttöltés, homogén töltéseloszlású vonal, sík, gömb és gömbhéj elektromos tere. Az elektromos dipólus, a dipólmomentum. Az elektromos súlypont, összességében semleges töltésrendszer helyettesítése dipólussal. Dipólus elektromos tere a dipólustól távol, a Gauss-féle főhelyzetekben és általános esetben. A homogén elektromos tér által elektromos dipólusra gyakorolt forgatónyomaték és a dipólus ennek megfelelő potenciális energiája. Inhomogén elektromos tér hatása dipólusra. Magasabbrendű dipólusok. Kvadrupólusok. Töltetlen vezetők és részecskék elektromos térben, permanens és indukált dipólmomentum. Dipólusok kölcsönhatása és a semleges molekulák között fellépő van der Waalsféle erők magyarázata. Az elektrosztatikus erők munkája. Az elektrosztatikus tér munkája független a 2
kezdő- és végpont közötti úttól: az elektrosztatikai tér konzervatív, azaz örvénymentes vektortér. Az elektromos potenciál és az elektromos feszültség. A potenciál és a térerősség összefüggése, a potenciáltér jellemzése ekvipotenciális felületekkel. Az elektrosztatikus tér potenciálegyenlete: a Laplace-Poisson egyenlet. Ponttöltés, ponttöltések rendszere, dipólus és folytonos töltéseloszlás potenciálja. A felületen belül töltést nem tartalmazó gömbfelület középpontjának potenciálját a felület potenciáljával összekapcsoló középértéktétel és annak alkalmazása az elektrosztatikus potenciál szukcesszív közelítéssel való, numerikus (számítógépes) meghatározására. Vezetők elektromos térben. A (többlet)töltés elhelyezkedése, a térerősség és a potenciál vezetőkön elektrosztatikai egyensúly esetén. Az elektromos térerősség vezetők üregeiben, az elektrosztatikai árnyékolás. A térerősség és a felületi töltéssűrűség összefüggése, kapcsolatuk a felület görbületével. A csúcshatás. Vezető gömb potenciálja. A kapacitás, kondenzátorok. Síkkondenzátor kapacitása. Kondenzátorfajták, tulajdonságaik, alkalmazásaik. Kondenzátorok soros és párhuzamos kapcsolása, eredő kapacitás. Elektrométerek. A feszültség, a töltés és a kapacitás mérése. Az elektrosztatikus tér energiasűrűsége, erőhatások az elektrosztatikai térben. Ponttöltések rendszerének és kiterjedt vezetők rendszerének energiája, feltöltött kondenzátor energiája. Síkkondenzátor energiája és a homogén tér energiasűrűsége, általánosítás inhomogén terekre. Mechanikai (ponderomotoros) erők: síkkondenzátor lemezei között ható erő, az abszolút elektrométer (feszültségmérleg), az elektromos tér erővonalaival párhuzamos mechanikai húzó- és az azokra merőleges nyomófeszültség. A tükörképerő. Az elemi töltés meghatározása Millikan-kísérlete alapján. Elektrosztatikai generátorok (van de Graaf-generátor, stb.), az elektrosztatika alkalmazásai: elektrosztatikus porszűrés, elektrosztatikus képalkotás (fénymásoló, lézernyomtató), téremissziós mikroszkóp. Az elektrosztatikai tér szigetelőkben. Érintkezési elektromosság. A vákuumban érvényes törvények általánosítása dielektrikumokra. Dielektrikummal kitöltött kondenzátor, a dielektromos állandó (permittivitás). Az elektromos eltolódás vektora. Az elektrosztatikai tér két alaptörvénye: Gauss törvénye és az elektrosztatikai tér örvénymentessége. A vákuumra megismert összefüggések dielektrikumokban. A térerősség és a dielektromos eltolódás vektora két közeg határfelületénél. Dielektrikumok polározódása elektromos térben. Az elektromos polarizáció vektora, az elektromos szuszceptibilitás, összefüggések a térerősség, a dielektromos eltolódási vektor, az elektromos polarizáció és az anyagállandók (dielektromos állandó, szuszceptibilitás) között. Kondenzátor két dielektrikummal. Depolarizáció. A térerősség és a dielektromos eltolódás értéke dielektrikum üregeiben, mérésük szigetelő belsejében. Erőhatások dielektrikumokban. A molekulák polarizálhatósága és dipólusmomentuma. A helyi térerősség. A nempoláros ill. poláros molekulák indukált- ill. permanens dipólusmomentu-
3
ma. A nempoláros molekulák polarizálhatósága és a dielektromos állandó közti összefüggés: a Clausius-Mossotti formula. A polarizálhatóság és a dielektromos állandó kapcsolata poláros gázmolekulák esetén: a Clausius-Mossotti-Debye formula. A polarizálhatóság és a dipólusmomentum kísérleti meghatározása. Ferroelektromosság, piezo- és piroelektromosság; elektrétek. Ferroelektromos anyagok, elektromos hiszterézis, domének. A piezoelektromos és a reciprok piezoelektromos hatás, alkalmazásaik. Piroelektromosság, alkalmazások. Permanens elektromos polarizációt mutató anyagok: elektrétek. Érintkezési elektromosság. Galvani-potenciál, Volta-potenciál, a Volta-feszültség mérése. Volta törvénye, következménye. Fém és elektrolit érintkezése: galvánelem, annak elektromotoros ereje. A magnetosztatikai tér A magnetosztatikai tér vákuumban. Mágneses alapjelenségek, mágneses pólusok, az elektrosztatikai és magnetosztatikai jelenségek és magyarázataik közötti analógiák és eltérések, a vákuum permeabilitása. A magnetosztatikai tér. A mágneses térerősség, szemléltetése erővonalakkal. Mágneses dipólus, mágneses dipólmomentum. Mágneses tér hatása mágneses dipólusra. A mágneses térerősség mérése dipólusra ható forgatónyomaték alapján. Mágneses dipólus mágneses tere. A magnetosztatikai tér örvénymentessége. A magnetosztatikai tér anyagban. Ferromágneses anyagok, a mágneses polarizáció (mágnesezettség), mágneses szuszceptibilitás. A mágneses indukcióvektor, indukcióvonalak. Mágneses permeabilitás, kapcsolata a szuszceptibilitással. A magnetosztatikai tér alaptörvényei: a mágneses indukcióvektor terének forrásmentessége, a mágneses térerősség terének örvénymentessége. A mágneses térerősség anyagban. A mágneses tér energiasűrűsége. A mágneses térerősség és a mágneses indukcióvektor viselkedése közegek határfelületén. A mágneses árnyékolás. A lemágnesezés. A Föld mágneses tere. A deklináció és az inklináció szöge, a horizontális intenzitás; mérésük. A mágneses tér a földrajzi hely függvényében. A stacionárius elektromos áram Áramerősség, feszültség, ellenállás Az elektromos áram fogalma. Az elektromos áram hatásai. Az áramerősség és mérése. Az egyenáram. Az elektromos áram élettani hatásai és veszélyei, az ellenük való védekezés. Ohm törvénye homogén vezetőre, az elektromos ellenállás. Vezető rúd ellenállása, a fajlagos ellenállás ill. fajlagos vezetőképesség. Vezetők és szigetelők. A (fajlagos) ellenállás hőmérsékletfüggése fémek és félvezetők esetén, ellenálláshőmérők. Fémek elektromos- és hővezetőképessége közötti kapcsolat: a Wiedemann-Franz törvény. Az áramsűrűség, áramvonalak. Az Ohm-törvény differenciális alakja és mélyebb jelentése. A fémek áramvezetésének ill. Ohm-törvényének korpuszkuláris magyarázata, az elektronok mozgékonysága, a fajlagos vezetőképesség kifeje4
zése mikrofizikai jellemzőkkel. Az Ohm-törvény általánosítása inhomogén vezetőkre „idegen térerősség” jelenlétében, a zárt áramkörre vonatkozó Ohmtörvény. Kirchhoff törvényei. Kirchhoff csomóponti- és huroktörvénye, kapcsolatuk a stacionárius áram áramsűrűségének forrásmentességével ill. a differenciális Ohm-törvény általánosított alakjával. Sorosan ill. párhuzamosan kötött ellenállások eredője. Ellenálláshálózat egyszerűsítése csillag-delta átalakítással. A potenciométer. Áramforrások belső ellenállása. Az elektromotoros erő és a kapocsfeszültség. Áramforrások soros és párhuzamos kapcsolása. A potenciométer mint áramforrás (terhelt potenciométer). Ellenállásfajták, alkalmazásaik. Ellenállásmérés feszültség- és árammérővel, helyettesítéssel és Wheatstone-híddal. Az elektromotoros erő és az áramerősség mérése kompenzációval. A feszültségmérő ill. az árammérő bekötése az áramkörbe és méréshatáruk kiterjesztése előtét- ill. söntellenállással. A mérőműszerek belső ellenállásának hatása a vizsgálandó áramkörre ill. a mérendő mennyiség értékére, a lehetséges korrekciók. Az áram és a hő A Joule-hő. Az egyenáram hatására vezetőben fejlődő hő: Joule törvénye. A Joule-törvény differenciális alakja. Az (egyen)áram munkája és teljesítménye. Az áramforrás által leadott ill. a fogyasztó által felvett teljesítmény, a hatásfok. Inhomogén vezetőt tartalmazó zárt áramkör energiaviszonyai. A Joule-hő technikai alkalmazásai. Termoelektromos jelenségek. A Seebeck-effektus: termoelektromos hatás; a termofeszültség mérése és hőmérsékletfüggése, a jelenség értelmezése, a Seebeckegyüttható, alkalmazások. A Peltier-effektus, a Peltier-együttható, összefüggése a Seebeck-együtthatóval. A Thomson-effektus. A stacionárius áram és a mágneses tér Az egyenáram mágneses tere. Egyszerű alakú lineáris áramvezetők (hosszú, egyenes vezető, áramhurok, szolenoid, toroid) terének mágneses erővonalai homogén, izotrop közegben ill. indukcióvonalai inhomogén anyagban. Lineáris áramvezetődarab mágneses tere: a Biot-Savart törvény. Egyenes áramvezető, áramhurok, szolenoid és toroid mágneses tere. Az Ampere-féle gerjesztési törvény. Az Ampère-törvény differenciális alakja. Hengeralakú, hosszú, egyenes vezető mágneses tere. A vektorpotenciál. A vektorpotenciál kiszámítása az áramerősségből. Egyenes áramvezető és hosszú szolenoid vektorpotenciálja. Áramkör terének vektorpotenciálja. A mágneses tér erőhatása áramvezetőkre; áramvezetők közti erőhatások: mágneses térben lévő vezetékdarabra ható erő, áramhurokra ható forgatónyomaték homogén mágneses térben és felhasználása a mágneses indukció mérésére, hosszú, párhuzamos, egyenes áramvezetők közti erőhatás és az áramerősség 5
egységének SI-definíciója, mágneses dipólus: áramhurok és tekercs mágneses dipólmomentuma. Mozgó töltések (konvekciós áramok) mágneses tere, a Lorentz-erő: konvekciós áramok, a Rowland-kísérlet, polarizációs töltések konvekciós árama, mozgó töltés mágneses tere, mágneses térben mozgó töltésre ható Lorentz-erő. Mágneses és elektromos terek relativitása a fénysebességhez képest elhanyagolható ill. a fénysebességgel összemérhető sebességeknél. Az áram mágneses hatásán alapuló mérőműszerek.Tűs galvanométerek, forgótekercses galvanométerek, lágyvasas műszerek, elektrodinamikus műszerek, ballisztikus galvanométerek. A napjainkban használatos digitális elektronikus mérőműszerek. Az elektromágnes és techikai alkalmazásai: elektromágnes, zárt mágneses kör, mágneses terek előállítása, teheremelés, áramszaggató, jelfogó, elektromágneses túlárambiztosító és hibaáram-védőkapcsoló. Az elektromos áram folyadékokban (elektrolitokban) Az elektrolízis alapjelenségei: elektrolitok, elektrolízis, molekuláris értelmezés: ionvezetés, vízbontás. Az elektrolízis Faraday-féle törvényei: Faraday első és második törvénye, az elektrokémiai egyenérték, a Faraday-szám, az ionok töltése, az ionok semlegesítése az elektródokon, a coulombméterek. Az elektrolitikus disszociáció. A disszociáció foka, a disszociációs egyensúly, az Ostwald-féle hígítási törvény gyenge elektrolitokra, a víz ionszorzata, pH. Elektrolitok áramvezetése: Ohm törvénye elektrolitokra, a vezetőképesség mérése, ellenálláskapacitás, korpuszkuláris értelmezés: ionvándorlás, ionmozgékonyság, átviteli számok, az ionok súrlódása, sugara és hidratációja, a vezetőképesség koncentrációfüggése: ekvivalens vezetőképesség, a Debye-Hückel elméletről. Elektrolitikus polarizáció, polarizációs feszültség, kémiai és koncentrációs polarizáció, áram-külső feszültség összefüggés elektrolízis esetén, a bomlásfeszültség. Primer elemek: Leclanché-elem, normálelemek, koncentrációs elemek, normálpotenciálok és az elektrokémiai feszültségi sor, szekunder elemek: savas akkumulátor. Az elektrolízis technikai alkalmazásai. Az elektromos áram gázokban és vákuumban Nem önálló vezetés közönséges nyomású gázokban: a vezetés kísérleti vizsgálata, a töltéshordozók keltésének lehetőségei: dörzsölés (porlasztás), ionizáló sugárzások, az ionok rekombinációja, áram-feszültség összefüggés: a telítési áram, korpuszkuláris magyarázat, ionmozgékonyság, alkalmazások: ionizációs kamra, Geiger-Müller számláló. Nem önálló vezetés nagyvákuumban. Töltéshordozók keltése: termikus elektronemisszió, külső fényelektromos hatás (fotocella), téremisszió, szekunder elektronemisszió (fotoelektronsokszorozó, csatornalemez), az elektron fajlagos töltésének és sebességének mérése elektromos és mágneses térben való eltérítés6
sel, az elektron töltése, tömege és sebessége, az elektronvolt. Vákuumban mozgó elektronok és más töltött részecskék a technikában: az elektroncső (vákuumdióda és trióda), a katódsugárcső (katódsugár oszcilloszkóp: fűrészrezgés, szinkronizálás, triggerelés, összehasonlítás a ma használatos digitális oszcilloszkópokkal), elektronoptika (az elektronoptikai törési törvény, fókuszálás homogén mágneses térben, ciklotronfrekvencia, elektrosztatikus és mágneses elektronlencsék), elektronmikroszkóp (feloldóképessége, az optikai mikroszkópéval analóg felépítése), tömegspektrográfok, részecskegyorsítók: ciklotron, szinkrociklotron. Önálló vezetés ritkított gázokban. A ködfénykisülés, mechanizmusa és alkalmazásai. A katódsugarak (tulajdonságaik) és az elektron. A csősugarak és a proton. Önálló vezetés közönséges nyomású gázokban. Korona-, csúcs- és nyalábkisülés. Szikrakisülés (átütés). Ívkisülés, jellemzői, a negatív ellenállású áram-feszültség karakterisztika, az ív stabilizálása, az ívkisülés alkalmazásai (ívlámpák, spektrállámpa, ívhegesztés). Gázkisüléses plazma. A plazmaállapot: az anyag negyedik halmazállapota. Plazmák alapvető tulajdonságai. Plazmák és a mágneses tér, hullámok a plazmában. Plazma együttartása szabályozott termonukleáris fúzió megvalósítása céljából. A légkör elektromos jelenségei. A légköri elektromos tér jó időben: légköri elektromos térerősség, ekvipotenciális felületek, a levegő vezetőképessége, a légköri függőleges áram. Viharok, a viharfelhők elektromos tere, villámok, villámvédelem. Az elektromos áram fémekben és félvezetőkben A fémes vezetés mechanizmusa. A töltéshordozók természete: a Tolman-kísérlet. A fémes vezetés klasszikus elektronelmélete: a fémek szabadelektron-modellje, a fajlagos vezetőképesség és az Ohm-törvény értelmezése, driftsebesség és termikus sebesség, közepes szabad úthossz, elektronmozgékonyság; a Jouletörvény, a vezetőképesség hőmérsékletfüggésének és a hő- és elektromos vezetőképességet összekapcsoló Wiedemann-Franz törvény magyarázata; az elmélet problémái. A fémek modernebb elektronelmélete, a Fermi-statisztika, az elektrongáz-rács kölcsönhatás, a szilárdtestek energiasáv-modellje. A Hall-jelenség. A Hall-feszültség és a Hall-állandó. A töltéshordozók koncentrációjának és ezzel –a fajlagos vezetőképesség ismeretében- mozgékonyságának meghatározása. Alkalmazások. A termikus elektronemisszió és az érintkezési feszültség. Kilépési munka, értelmezése a fémek potenciálkád modelljével, effektív kilépési munka. A termikus elektronemisszió magyarázata, a telítési áramsűrűség Richardson-Dushmanformulája. A Volta- és a Galvani-feszültség értelmezése, Volta törvénye, a Voltafeszültség mérése. A félvezetők áramvezetése. A félvezetők, saját- és szennyezéses (p és n típusú) félvezetők. A szilárdtestek energiasáv-modellje: fémes vezetők, szigetelők, sajátés szennyezéses félvezetők. A félvezetők vezetőképessége, annak hőmérséklet-
7
függése, termisztorok, alkalmazásaik. Félvezető diódák és tranzisztorok. A p-n átmenet egyenirányító hatása, a félvezető dióda, áram-feszültség karakterisztikája, az egyenirányítás magyarázata. Bipoláris és térvezérlésű tranzisztorok, az erősítés magyarázata, áramerősítési tényező, meredekség. Integrált áramkörök, elektronika. Szupravezetés: alapkísérletek, a kritikus hőmérséklet, mágneses tér, és áramerősség, a Meissner-effektus, a BCS elméletről, a Josephson-átmenet, technikai és metrológiai alkalmazások. Az időben változó elektromágneses tér Az elektromágneses indukció Az elektromágneses indukció alapjelenségei, alapkísérletek. Az indukciófluxus. Lenz szabálya és annak kapcsolata az energiamegmaradás törvényével. A Faraday-féle indukciós törvény. Az indukciós törvény és kísérleti igazolása. Alkalmazása a mágneses indukcióvektor ill. a mágneses térerősség, a mágneses feszültség, valamint a földmágneses tér mérésére, színuszos váltakozó áram előállítására és elektrongyorsításra (betatron). A magnetohidrodinamikus (MHD) generátor. A mágneses térben mozgó vezetőben indukált feszültség és a Lorentz-erő. Indukció időben változó mágneses térben nyugalomban lévő vezetőben. Az indukciós jelenségek mélyebb értelmezése: az elektromos és mágneses terek alapvető kapcsolatát kifejező II. Maxwell-egyenlet (integrálalak). Az egyenlet differenciális alakja. Kölcsönös indukció és önindukció. A kölcsönös- és az önindukció jelenségét igazoló kísérletek, kölcsönös induktivitás és öninduktivitás. Önindukciómentes tekercsek. Be- és kikapcsolási tranziensek induktivitást tartalmazó áramkörben, a kör időállandója. Önindukciós tekercs mágneses energiája, a mágneses tér energiasűrűsége és „tehetetlensége”. Örvényáramok, az örvényáramú veszteségek jelentősége, csökkentésük. Unipoláris indukció, a homopoláris generátor. Az anyagok mágneses tulajdonságai Az anyagok felosztása mágneses tulajdonságaik alapján: ferro-, para- és diamágneses anyagok. Alapkísérletek. A mágneses permeabilitás és szuszceptibilitás mérése, értékeik ferro-, para- és diamágneses anyagok esetén. A ferro-, para- és diamágneses anyagok tulajdonságai. A szuszceptibilitás hőmérsékletfüggése paramágneses anyagokban, a Curie- és a Curie-Weiss-törvény. Ferromágneses anyagok mágneses telítése, a Curie-pont, a B(H) mágnesezési görbe, a mágneses hiszterézis, remanencia, permanens mágnesek, koercitív erő, hiszterézisveszteség. A mágnesség értelmezése elemi köráramokkal (molekuláris áramok). Giromágneses hatások. A Barnett- és az Einstein-de Haas-effektus. Az elektronspin. A Larmor-precesszió, a Larmor-frekvencia, Larmor tétele. Az elektronspin- (EPR) és a magmágneses (NMR) rezonancia spektroszkópia, az orvosi mágneses re8
zonanciás képalkotás (MRI). A dia-, para- és ferromágnesség elméletéről. A diamágneses ill. a paramágneses szuszceptibilitás Langevin-Pauli- ill. Langevin-formulája. Adiabatikus lemágnesezéssel való hűtés. A ferromágneses testek Weiss-féle tartományai (domének), mágnesezési görbéik Barkhausen-ugrásai, kísérleti kimutatásuk, a Bitter-féle sávok. Magnetosztrikció. Antiferromágneses anyagok. A ferritek. A mágneses kör, elektromágnes. A mágneses feszültség, a mágneses ellenállás és a mágneses Ohm-törvény. Mágneses ellenállások soros és párhuzamos kapcsolása, eredője. A légréses toroid. Váltakozó (kvázistacionárius) elektromos áram A (kvázistacionárius) váltakozó áram. Színuszos váltakozó áram ill. feszültség pillanatnyi értéke, (kör)frekvenciája, kezdőfázisa, csúcsértéke és négyzetes középértéke (effektív értéke), e mennyiségek kapcsolata. A váltakozó áram jellemzőinek klasszikus és modern mérése. Váltakozó áramú ellenállások (ohmos ellenállás, induktivitás, kapacitás) váltakozó áramú körben. Impedancia, fázisviszonyok. Soros RLC-kör, feszültségrezonancia. Párhuzamos LC-kör, áramrezonancia. Váltakozó áramú körök tárgyalása komplex számításmóddal. Komplex feszültség, áramerősség, impedancia. Az Ohm-törvény és a Kirchhoff-törvények váltakozó áramú hálózatokra. Komplex impedanciával jellemzett fogyasztók soros és párhuzamos kapcsolása, az eredő komplex impedancia. A váltakozó áramú Wheatstone-híd, az induktivitás és a kapacitás mérése. A váltakozó áram teljesítménye, látszólagos és hatásos teljesítmény. Indukciós tekercsek és kondenzátorok energiaveszteségei. Az elektromágnesség technikai alkalmazásai Egyenáramú generátorok és motorok. Az öngerjesztés elve. A háromfázisú áram, jellemzői. Forgó mágneses tér. Váltakozó áramú (szinkron és aszinkron) motorok. Váltakozó áramú generátorok. A transzformátor, transzformátortípusok. A terhelt és terheletlen transzformátor áramai és feszültségei. Veszteségek, hatásfok. Az elektromos energia átvitele (távvezetékek). Áramátalakítók, egyenirányítók. Elektroakusztikai eszközök. Elektronika (a méréstechnikában, a vezérlés- és szabályozástechnikában, a hírközlésben, a számítástechnikában, stb.). Elektromágneses rezgések Szabad rezgések zárt rezgőkörben. A soros RC-kör, be- és kikapcsolási tranziensei, időállandója, a soros RC-kör mint integráló és differenciáló áramkör, az ilyen viselkedés feltételei, alakhű jelátvitel. LC és RLC kör, mechanikai analógia, csillapítatlan és csillapított rezgések, differenciálegyenletük, megoldásuk, jósági tényező, sajátfrekvencia: Thomson-formula, a jelalakok vizsgálata. Kényszerrezgések. Soros rezgőkör, kvázistacionárius megoldás, rezonanciafel9
tétel, feszültségrezonancia, rezgőkör szelektivitása. Csatolt rezgőkörök. Csatolási tényező, szabad és kényszerített csatolt rezgések, lebegés, a rezonanciagörbe alakja a csatolási tényező függvényében, sávszűrők. Nagyfrekvenciájú rezgések. Előállításuk, alapkísérletek, tulajdonságaik, fiziológiai hatásuk, a skin-effektus. Elektronikus erősítők. Sávszélesség, alakhű jelátvitel. Erősítés elektroncsővel, bipoláris és térvezérlésű tranzisztorral. Visszacsatolás (pozitív, negatív, tulajdonságaik). Többfokozatú erősítők. Ideális és valóságos műveleti erősítők, integrált műveleti erősítők, jellemzőik, az univerzális műveleti erősítő alkalmazása az analóg elektronika tetszőleges speciális feladatának megoldására a megfelelő visszacsatolás segítségével. Rezgések és impulzusok előállítása műveleti erősítővel. Az oszcilláció feltétele. Elektromágneses hullámok Elektromágneses hullámok vezetékek (Lecher-drótpár) mentén, elektromágneses állóhullámok. Eltolódási áram, az eltolódási áram sűrűsége, az első Maxwell-egyenlet integrális és differenciális alakja. Gyorsuló (oszcilláló) töltés elektromágneses tere. A dróthullámok ill. a koaxiális kábelekben keltett hullámok terjedése, a telegráfegyenlet, terjedési sebesség, csillapítási tényező, hullámellenállás, visszaverődések, a lezárás illesztése. Szabad elektromágneses hullámok. Hullámegyenlet. Dipólsugárzás, a dipólus sugárzási tere a távoli zónában. Elektromágneses sík- és gömbhullámok. Polarizáció. A Hertz-féle kísérletek, a rádióhullámok, terjedésük. A fény. Az elektromágneses spektrum. Az energiaáramlás sűrűsége elektromágneses hullámban, a Poynting-vektor. Az elektromágneses hullám impulzusa, a sugárzás nyomása (a fénynyomás). Mikrohullámok: üregoszcilláció síkkondenzátorban és vezetőfalú zárt hengerben, mikrohullámú elektroncsövek (klisztron), mikrohullámok előállítása, hullámvezetők, diszkrét és integrált félvezető kapcsolási elemek, a mikrohullámú technika (mikrohullámú híradástechnika, közvetítő lánc, híradástechnikai mesterséges holdak, radar, rádiócsillagászat, mikrohullámú sütő). A rádióadó: blokkdiagram, működési elv, vivőrezgés, moduláció (amplitúdó-, frekvencia- ill. fázismoduláció), megvalósítás. A rádióvevő: blokkdiagram, antenna, hangolás, demoduláció, egyenes- és szuperheterodin vevők, megvalósításuk. A televízió. Képfelvevők, az adó- és a vevőkészülék blokksémája, működése. A nyugvó közegek fenomenológiai (makroszkopikus) elektrodinamikájának alaptörvényei: a Maxwell-egyenletek rendszere integrális- és differenciális alakban. A Maxwell-elmélet határai. A klasszikus elektronelmélet, a MaxwellLorentz-egyenletek, a Lorentz-féle erősűrűség. Az elektromosságtan áttekintése a Maxwell-egyenletek alapján.
10
