Egyenáram Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai
Elektromos áram • Az elektromos töltéshordozók meghatározott irányú rendezett mozgását elektromos áramnak nevezzük. • Iránya: Megállapodás szerint a pozitív töltéshordozók iránya, ami tehát a negatív töltéshordozók-elektronok- áramlási irányával ellentétes.
Áramerősség • Az elektromos áram mennyiségi jellemzője az áramerősség. • 1 amper az áramerősség, ha a vezető keresztmetszetén 1 másodperc alatt 1 coulomb töltés áramlik át.
dQ I= dt
Áramköri elemek • Áramforrás: a tartós töltésáramláshoz áramkörre van szükség. • Áramforrás lehet: galvánelem: kémiai energia alakul át elektromos energiává fényelem (napelem) termoelem generátor
További áramköri elemek • Vezetékek, ellenállások, fogyasztók, kapcsolók, mérőműszerek, kondenzátorok stb.
Az elektromos áram hatásai • • • •
Hőhatás, vagy fényhatás Kémiai hatás Mágneses hatás Élettani hatás
Ohm törvény • A vezetőn átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a vezetőn eső feszültséggel.
U R= I
Ellenállás • A feszültség és az áramerősség hányadosát, amely az Ohm törvény értelmében állandó érték, ellenállásnak nevezzük. • Az ellenállás mértékegysége az ohm
[R ] = Ω
Ellenállás • • •
Az ellenállás egyenesen arányos a vezető hosszával. Fordítottan arányos a vezető keresztmetszetével. Függ a vezető anyagi minőségétől, a vezető anyagi minőségére jellemző állandó neve: fajlagos ellenállás
l R=ρ A
Az ellenállás hőmérsékletfüggése • A hőmérsékletváltozással járó ellenállás változás egyenesen arányos a kezdeti ellenállással, a hőmérséklet változással, és függ az anyagi minőségtől. ΔR = α ⋅ R0 ⋅ ΔT
Az elektromos áram munkája W = U ⋅Q = U ⋅ I ⋅t • Az elektromos áram teljesítménye: • Mértékegysége: watt • kWh= 1000W·3600s=3,6 ·106J
W P= =U ⋅I t
Fogyasztók kapcsolása • Fogyasztók soros kapcsolása: A fogyasztókon átfolyó áram erőssége egyenlő: I1 = I 2 Az áramforrás feszültsége megegyezik a fogyasztók feszültségének az összegével: U = ∑U i
Az eredő ellenállást a részellenállások összege adja. R = R e
∑
i
Fogyasztók párhuzamos kapcsolása • A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók feszültsége 1 2 n U = U = ......U megegyezik: • A főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágak áramerősségeinek az összegével:
I = ∑ Ik
• Az eredő ellenállás reciproka egyenlő a részellenállások reciprokainak az összegével:
1 1 =∑ Re Rk
Ohm törvény teljes áramkörre • Az áramforrásnak is mindig van belső ellenállása. Ezt figyelembe véve az Ohm törvény úgy írható: • Az áramkörben az áramerősség a külső ellenállás növelésével csökken. • Az áramforrás maximális áramát akkor kapjuk, ha nincs külső ellenállás, azaz az áramforrás kapcsait rövidre zárjuk. (rövidzár, zárlat) Ekkor az áramkör túlmelegedhet. U0 I= Rk + Rb
Az áramvezetés típusai Elektromos áram fémekben • Értelmezés: elektrongáz-modell segítségével: A fémrács helyhez kötött ionjai között az elektronok rendezetlenül mozognak, elmozdulhatnak. • A modellel megmagyarázhatjuk az áram hőhatását.
Elektromos áram folyadékokban • Az elektrolitok vezetik az elektromos áramot. Elektrolitoknak a bázisok, savak, sók vizes oldatait nevezzük. Az elektrolitokban pozitív és negatív ionokat találunk. • A negatív töltésű ion neve: anion • A pozitív töltésű ion neve: kation
Elektrolízis • Az anionok az áramforrás pozitív pólusán, a pozitív elektródán az anódon válnak ki. • A kationok az áramforrás negatív pólusán a negatív elektródán katódon válnak ki. • Az elektródákon történő anyagkiválás az elektrolízis.
Faraday törvényei • Faraday első törvénye: Az elektródokon kiváló anyag mennyisége arányos az átáramló töltésmennyiséggel. • Faraday második törvénye: 1 mólnyi 1 vegyértékű anyag kiválasztásához 96 500 C töltésmennyiség szükséges. • Az elektrolízis alkalmazása: fémbevonatok készítése: galvanizálás
Érintkezési elektromosság • Két különböző fajta anyag érintkezésekor az egyik anyag pozitív, a másik anyag negatív töltéshez jut a határfelület mentén. Elektromos kettősréteg jön létre. • Szigetelők érintkezése: Coehn-féle szabály: A nagyobb dielektromos állandójú anyag lesz pozitív töltésű • A dörzsölési elektromosság esetében tehát a dörzsölésnek másodlagos szerepa van, ez csak az érintkezést segíti elő.
Lenard-effektus • Vízesési elektromosság: A vízesések közelében a levegőnek negatív töltése van, mert a vízcseppecskék felszíne a molekuláris erők következtében olyan elektromos kettősréteg, amelynek külső része negatív töltésű.
Fémek érintkezése • Volta: különböző fémek érintkezésekor is elektromos kettősréteg alakul ki. • Volta-féle feszültségi sor: Alumínium-cink-ólom-ón-antimon-bizmut-vas-rézezüst-arany-platina-szén-barnakő Volta törvénye: a sor két tagja közti Volta-feszültség független attól, hogy a két tag közvetlenül, vagy akárhány más tag közbeiktatásával erintkezik egymással, feltéve, hogy az érintkezési hely azonos hőmérsékletű.
Elsőfajú és másodfajú vezetők • A Volta törvénynek eleget tevő vezetőket elsőfajú vezetőknek nevezzük. • Savak, bázisok, sók vizes oldatai nem követik a Volta törvényt, ezeket másodfajú vezetőknek nevezzük.
Galvánelemek • Az olyan berendezést, amely legalább három vezetőből áll, és ezek közül legalább egy másodfajú vezető, galvánelemnek nevezzük. • A galvánelem általában két különböző fém, és egyféle vagy kétféle elektrolitból áll.
Akkumulátorok • Az akkumulátorok olyan kémiai áramforrások, amelyekben az áram termelésekor átalakult anyagok ellentétes irányú áram átbocsátásával regenerálhatók. • Ólom vagy savas akkumulátor: hígított kénsavba két ólomlemezt teszünk.
Elektromos áram gázokban • A levegő szigetelő, de tartalmazhat ionokat, amelyek a kozmikus sugárzás, radioaktív sugárzás, vagy a Napsugárzás révén kerül a levegőbe. Ennek következtében a levegő is kismértékben vezeti az áramot. • A gázok áramvezetése akkor lesz jelentős, ha ütközési ionizáció jön létre.
Ütközési ionizáció • Az elektromos mezőben felgyorsuló elektronok ütköznek a gázmolekulákkal, és azokat pozitív töltésű ionokká, és negatív töltésű elektronokká bontják, azaz ion-elektron párokat keltenek. • A keletkező ion-elektron párok az elektromos mezőben ugyancsak felgyorsulnak, és láncreakció szerűen újabb ion-elektron párokat hoznak létre. • A folyamat feltétele, kellően nagy feszültség. • A különböző színű fényjelenségek esetén a fény színe attól függ, hogy milyen gázban zajlik le a fenti folyamat.
Elektromos áram vákuumban • Légüres térben akkor folyhat áram, ha a katódot elektron-kényszerítjük. • Ezt a folyamatot termikus emisszióval érhetjük el ( Edison hatás ) • A katód és az anód közötti nagy feszültségkülönbség hatására az elektronok felgyorsulnak. • A felgyorsuló elektronok megfelelően felületkezelt rétegbe ütközve azt fénykibocsátásra kényszeríti. • Alkalmazás: televíziók képcsöve
Elektromos áram félvezetőkben • A félvezetők elektromos tulajdonságaik alapján a fémek és a szigetelők közé sorolhatóak. • Félvezető modell a szilicium kristály segítségével: • A szilicium (Si) négy vegyértékű elem. A négy vegyértékelektron másik négy elektronnal közösen alakítja ki a nemesgáz konfigurációt. • Az Si ebben az állapotban szigetelőként viselkedik.
Félvezetők sajátvezetése • Az így létrejövő kristályban a vegyértékelektronok kötése gyenge, elektromos térben az elektronok könnyen elmozdulnak, helyükön lyukakat hagyva. • A negatív elektronok a pozitív pólus felé mozognak, mindig átlépve a keletkező lyukakba, a pozitív töltésűnek tekinthető lyukak pedig a negatív pólus felé vándorolnak.
Szennyezett félvezetők • A kristály áramvezető képessége növelhető szennyező atomok bejuttatásával. • Negatív típusú félvezetők: a szennyező atomok öt vegyértékűek, például foszfor, így egy elektron felesleges. • Pozitív típusú félvezetők: a szennyező atom három vegyértékű, így egy lyuk keletkezik.
