Tantárgy neve
Meghirdetés féléve
Elektromágnesség I. Elektromágnesség gyakorlat I. Elektromágnesség II. Elektromágnesség gyakorlat II. FIB1104 FIB1204 FIB1105 FIB1205 2 és 3.
Kreditpont
3+2
Tantárgy kódja
2+2 Összóraszám (elmélet+gyakorlat)
3+2 3+2
Számonkérés módja
kollokvium + gyakorlat
Előfeltétel (tantárgyi kód)
FIB1101; FIB1103 (I.) FIB1104 (II.)
Tantárgyfelelős neve
Erlichné dr. Bogdán Katalin
Tantárgyfelelős beosztása
főiskolai docens
1. A tantárgy általános célja és specifikus célkitűzései: A tantárgy célja, hogy kísérletekre építve bemutassa a klasszikus fizika elektromosságtannal foglalkozó fejezetét, ugyanakkor az újabb kutatatási eredményekről és a gyakorlati, technikai alkalmazásokról is tájékoztassa a hallgatókat. A gyakorlat célja a hallgatók vitakészségének és feladatmegoldó készségének fejlesztése, az elektromosságtani feladatmegoldások különböző módszereinek megismerése és begyakorlása. 2. A tantárgy tartalma: Az elektrosztatikai tér vákuumban és szigetelőkben. Érintkezési elektromosság. Stacionárius áramok., egyenáramú hálózati törvények, Termoelektromosság. A magnetosztatikai tér vákuumban. És közegben. Az elektromágneses indukció jelensége és törvényei. Váltakozó áramok. RLC-körök. Áramvezetés fémekben, elektrolitokban, félvezetőkben, szigetelőkben, vákuumban, gázokban. Elektronoptika. Az elektronmikroszkóp. Félvezető áramköri elemek. Elektromágneses rezgések és hullámok. Zárt rezgőkör szabad rezgései. Csillapodó és csillapítatlan elektromágneses rezgések. A Maxwell egyenletek. A Michelson-kísérlet, a speciális relativitás elve.
A tananyag heti beosztása: Elektromosságtan 1. előadás (FIB1104) Hét
Feldolgozásra szánt anyag
Megjegyzés (Módszer, kísérlet, szemléltetés stb.)
1.
A félévi követelményrendszer ismertetése. I. Az elektrosztatikai tér vákuumban. Elektromos alapjelenségek és alapfogalmak. Kétféle töltés. A töltés mértékegysége. Coulomb-törvény. Elektromos megosztás Elektromos tér (mező). Erővonalak. Fluxus. Térerősség. Pontszerű töltés, fémgömb, dipólus elektromos tere. Az elektrosztatika Gauss tétele.
Elektromos alapjelenségek bemutatása kísérlettel
2. 3. 4. 5. 6.
7. 8.
9.
10. 11. 12.
13.
Az elektromos mező munkája. Az elektromos feszültség. Az elektrosztatikus mező örvénymentessége. Az elektromos potenciál. Ponttöltés és véges sugarú fémgömb potenciálja. Ekvipotenciális görbék, felületek. Töltések elhelyezkedése, a térerősség és a potenciál a vezetőkön. Csúcshatás. Villámhárítók. Árnyékolás. Van de Graaff-féle generátor, megosztógép, elektrofor. Az elektromos kapacitás. Kondenzátorok. Síkkondenzátor és gömbkondenzátor kapacitása. Mértékegységek. A Föld kapacitása. Kapacitás és töltés mérése. Kondenzátorok kapcsolása. Az elektrosztatikai tér energiája. Elektrométerek. A feszültség, a töltés és a kapacitás mérése elektrométerrel. II. Az elektrosztatikai tér szigetelőkben Szigetelő elektromos térben. Dipólmomentum. Az elektrosztatikai tér izotróp dielektrikumokban. A vákuum dielektromos állandója. Relatív dielektromos állandó. Megosztási vektor. Dielektromos polarizáció. A polarizáció vektora, szuszceptibilitás. Az elektrosztatika törvényei dielektrikumokban. Erőhatások dielektrikumokban. Az elektrosztatikai tér anizotróp dielektrikumokban: Ferroelektromosság. Piezoelektromosság. Piroelektromosság. Gyakorlati alkalmazások. Érintkezési elektromosság Volta-törvények Galvánelemek. Elektromotoros ero.
III. Stacionárius áramok Elektromos áram fogalma. Áramkör. Áramerősség. Áramsűrűség. Az elektromos ellenállás és vezetőképesség. Ohm törvénye vezetőszakaszra. Huzal ellenállása. Az ellenállás hőmérsékletfüggése. Egyenáramú hálózattörvények. Kirchhoff csomóponti törvénye. Kirchhoff huroktörvénye. Ohm törvénye teljes áramkörre. Ellenállások soros, párhuzamos kapcsolása. Árammérő és feszültségmérő műszerek. Előtétek, söntök, feszültségosztók. Áramforrások soros-, párhuzamos és vegyes kapcsolása. Ellenállásmérés. Kis- és nagy ellenállások mérése. Wheatstone híd. Poggendorf-féle kompenzáció. Elektromos munka és teljesítmény. Joule-Lenz-f. törvény. Az izzólámpa története. Termoelektromosság. Peltier effektus. Seebeck effektus. Alkalmazások. Mágneses tér vákuumban. Permanens mágnes és stacionárius áram magnetosztatikus tere. Mágneses térerősség. Mágneses indukcióvektor. Indukcióvonalak Mágneses fluxus Mágneses momentum. Biot-Savart-törvény, Ampere-féle gerjesztési törvény. Egyenes vezető körvezető, tekercs mágneses tere. Erőhatások mágneses erőtérben. Lorentz erő. Mágneses permeabilitás, szuszceptibilitás Mágneses indukcióvektor definiálása a forgató hatás alapján. Az áram mágneses hatásán alapuló mérőműszerek
14.
Az elektromágneses indukció jelensége, törvényei. Mágneses tér energiája, energiasűrűsége. Mágneses hiszterézis. Örvényáramok. Alkalmazások
15.
A félév anyagának áttekintése, problémák megbeszélése
Erővonalak szemléltetése búzadarával, írásvetítőn. Elektromos dipól viselkedése elektromos térben "Csilingelős kísérlet" Kísérletek poharas elektroszkópokkal, gömbölyűés csúcsos vezetőkkel, Van de Graaff generátorral Kísérletek síkkondenzátorral. Kondenzátorfajták bemutatása. Kísérletek elektroszkóp lemezei közé helyezett dielektrikumokkal. Erőhatások bemutatása szigetelőkben.
Érintkezési elektromosság szemléltetése fonalas elektrométerrel folyadék és szilárd test esetén. Galvánelem bemutatása Az elektromos áram hő-, mágneses- és kémiai hatásának bemutatása Az ellenállást befolyásoló tényezők kísérleti vizsgálata. Ellenállásfajták bemutatása. Elektromos mérőműszerek belső szerkezetének bemutatása Ellenállásmérések bemutatása.
Mágneses alapjelenségek bemutatása mágnesrudakkal, áramjárta vezetékekkel, tekercsekkel. Áramjárta vezetők viselkedése mágneses térben. Kölcsönhatás áramjárta vezetők között. Roget-spirál. Kísérletek elektronfonálcsövel és magnetométerrel Neumann kísérlet. Önindukciós kísérlet, stb. bemutatása.
Elektromosságtan 2. előadás (FIB1105) Hét
Feldolgozásra szánt anyag
1.
Kvázistacionárius áramok Váltakozó áramok fogalma, jellemzése. Effektív érték. Váltóáramú ellenállások. Impedancia Soros RLC-kör. Párhuzamos RLC-kör. Rezonancia. Teljesítmény, munka. Teljesítménytényező javításának módjai. Áramvezetés vákuumban. Nyomás, szabad úthossz, részecsketranszport. Töltéshordozók eltérítése elektromos és mágneses terekkel. Elektronnyaláb törése. Elektromos és mágneses lencsék Elektronoptikai Schnellius-Descartes – törvény. Elektroncsövek. Dióda, trióda felépítése, működése, jelleggörbéi. Az erősítés elve. Oszcilloszkópok, TV- képcsövek, elektronmikroszkópok működése, jellemzői.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
8.
9. 10. 11. 12. 13.
14. 15.
Áramvezetés gázokban. Alapfogalmak: gerjesztés, ionizálás rekombináció. Gázkisülések általános karakterisztikái. Gázkisülések alkalmazásai. Számlálócsövek. Reklámcsövek Hegesztés. MHD generátorok Áramvezetés elektrolitokban. Elektrokémiai alapfogalmak. Elektrolitos disszociáció. Elektrolízis. Faraday törvényei, elemi töltés meghatározása. Eloxálás. Elektrolitikus polarizáció. Alkalmazások. Ismereteink az elektronról. (e/m, Millikan kísérlet, Tolmann-Stuart kísérlet, kilépési munka Hall kísérlet, de Broglie hullámhossz. Devisson-Germer kísérlet). A Maxwell - egyenletek integrális alakja. Kiegészítő Maxwell egyenletek. Áramvezetés dielektrikumokban Átütési szilárdság. Eltolási áramok. Kondenzátorok szigetelői. Dielektromos hő. Áramvezetés fémekben. Fémek ellenállása. Ellenállás hőmérsékletfüggése. Differenciális Ohm törvény. Áramvezetés félvezetőkben. A félvezető kristályokról. Ge, Si kristály felépítése. Saját vezetés, szennyezett félvezetők. Termisztor, dióda, tranzisztor. Alapkapcsolások, jelleggörbék. Mágneses tér közegben. Para-, dia-, ferromágneses anyagok. Permeabilitás, szuszceptibilitás. Mágneses polarizáció. Elektromágneses rezgések. Zárt rezgőkör szabad rezgései. Meissner- visszacsatolás oszcillátorok. Csatolások. Nagyfrekvenciás rezgések előállítása és tulajdonságai. Elektromágneses hullámok Lecher-f. drótpár. Nyitott rezgőkör, Hertz - dipól sugárzása. Az elektromágneses hullámok sebessége, energiája, impulzusa. Poynting vektor. Fénynyomás. Az elektromágneses spektrum. Elektromos gépek. Öngerjesztés, dinamó, egyenáramú motorok, váltóáramú generátorok. Háromfázisú generátorok. Egyfázisú transzformátor. Fázisviszonyok terheletlen és terhelt esetben. Veszteségek. Szikrainduktor. A hírközlés eszközei és módszerei. Távközlés. Távközlő rendszerek áramkörei. Elektroakusztikai eszközök. Rádió adó-vevő. Televízió adás- vétel. Színes TV rendszerek A speciális relativitáselmélet alapjai; Az Einstein-féle relativitás elve; Relativisztikus mechanika; Négyes impulzus, Relativisztikus mozgásegyenletek. A tömeg és az energia közötti kapcsolat. Variációs elv. A A mozgásegyenletek kanonikus alakja. Energia-tömegtranszformáció; A mozgó tárgyak megjelenése; Az intervallumok; A Lorentz-transzformáció és következményei. Lorentz-transzformáció az elektromágneses térre; A Cserenkov-sugárzás; A Dopplerjelenség az optikában Általános relativitáselmélet; Gyorsulás és gravitáció; A fény gravitációs elhajlása; Az általános relativitáselmélet további következményei; Gravitáció és térgörbület; A görbült téridő-kontinuum
Megjegyzés (Módszer, kísérlet, szemléltetés stb.) Neumann kísérlet. Önindukciós kísérlet, stb. bemutatása. Soros RLC-kör, párhuzamos RLCkör, rezonancia bemutatása. Egyenirányítás diódával. Erősítőfokozat triódával Elektronágyúk, képcsövek, multipleierek bemutatása. Gázkisülési csövek működtetése Elektrolitos vezetések bemutatása. Elektrolízis (réz, nikkel.). Vízbontás. Akkumulátorok bemutatása. Működő modellek. Fonálsugár - csöves kísérlet. Elektromos és mágneses eltérítés. Kondenzátor-metszetek bemutatása. Levegő átütése.
Félvezető metszetek bemutatása. Termisztoros hőmérő, Tranzisztoros erőítés, Tirisztoros szabályozás. Para-, dia-, ferromágneses anyagok viselkedése mágneses térben. Meissner oszcillátor bemutatás
Kísérletek mikrohullámokkal: terjedés, törés, elhajlás, visszaverődés, polarizáció bemutatása. Működő modellek bemutatása. Elektroakusztikai eszközök bemutatása. Színes képcső metszet bemutatása
Elektromosságtan szigorlat témakörei 1. Elektromos és mágneses alapjelenségek és alapfogalmak, analógiák és különbségek az elektrosztatikai és a mágneses térben Elektromos állapot létrehozása, töltés, töltéssűrűség, vezetők, szigetelők, elektromos megosztás, dipólus, dielektromos állandó. Elektroszkópok, elektrométerek fajtái, működésük, a töltés mérése. A magnetosztatikai tér létrehozása; vonzás, taszítás, mágneses megosztás, pólusok, mágneses dipólmomentum, mágneses permeabilitás. Coulomb-törvénye. Az alapjelenségek korpuszkuláris magyarázata. 2. Az elektrosztatikai tér jellemzése az elektromos térerősséggel. Az elektrosztatika I. alaptörvénye Térerősségvektor; szuperpozició; erővonalak; elektromos fluxus. Ponttöltés, vezető gömb, síkkondenzátor elektromos tere. Dipólus viselkedése elektromos térben. Gauss tétele, töltésűrűség, Maxwell-egyenlet. 3. Az elektrosztatikai tér munkája. Az elektromos feszültség. Az elektromos potenciál Az elektrosztatika II. alaptörvénye. Az elektromos mező munkája erővonal mentén, tetszőleges úton, zárt görbe mentén. Az elektromos feszültség, feszültségmérés. Az elektromos mező munkája és a potenciál. Ponttöltés, vezető gömb és atommag terének potenciálviszonyai. Ekvipotenciális felületek; összefüggés a térerősség, a potenciál és a feszültség között. 4. A töltés elhelyezkedése, a térerősség és a potenciál a vezetőkön Töltéssűrűség, csúcshatás, árnyékolás, Van de Graaff-féle generátor, megosztógép, villámhárító, Faradaykalitka. 5. Kapacitás, kondenzátorok A kapacitás fogalma. Vezető gömb, síkkondenzátor, gömbkondenzátor kapacitása; kondenzátorok kapcsolása; kondenzátorfajták; a kapacitásmérés módszerei (összehasonlító módszer, hídmódszer, váltóáramú ellenállásmérés, kisütési görbe felvétele). 6. Az elektrosztatikai tér szigetelőkben. Az elektrosztatikai tér energiája Elektromos megosztási vektor, elektromos polarizáció vektora, dipólusmomentum, dielektromos állandó, elektromos szuszceptiblitás. Erőhatások dielektrikumokban, korpuszkuláris magyarázat, elektromos energia, energiasűrűség, síkkondenzátor energiája. 7. Az elektrosztatikai tér homogén anizotrop dielektrikumokban Ferroelektromosság, hiszterézis, piezoelektromosság, elektrosztrikció, piroelektromosság, elektrokalorikus hatás, elektrétek, gyakorlati alkalmazások. 8. Érintkezési elektromosság. Galvánelemek, elektromotoros ero Szigetelők érintkezése; szigetelő és fém érintkezése; fémek érintkezése, Galvani- és Volta-feszültség, Volta-törvények. Fém és elektrolit érintkezése, elektromotoros erő, kapocsfeszültség, belső ellenállás, Ohm törvénye teljes áramkörre. 9. A magnetosztatikai tér jellemzése Mágneses térerősség, mágneses indukció, térerősség- és indukcióvonalak; mágnesezettség, a magnetosztatikai tér alaptörvényei; a póluserősség és a fluxus kapcsolata; a Föld mágneses tere. Az anyagok mágneses tulajdonságai (dia-, para-, ferromágneses anyagok; mágneses polarizáció, szuszceptibilitás, permeabilitás). A mágneses tér energiája, energiasűrűsége. Mágneses hiszterézis. 10. Az elektromos áramerősség, feszültség, ellenállás, Ohm törvénye homogén vezetőre Elektromos áram, áramerősség, áramsűrűség, stacionárius áram fogalma. Az elektromos áram hatásai, az áramerősség mérése. Az elektromos feszültség, a feszültség mérése. Ohm törvénye homogén vezetőszakaszra, az elektromos ellenállás, fajlagos ellenállás, fajlagos vezetőképesség, szupravezetés. A fémek áramvezetésének és Ohm törvényének korpuszkuláris értelmezése; a differenciális Ohm törvény. 11. Áramkörök vizsgálata Kirchhoff törvényei, Ohm törvénye teljes áramkörre, ellenállások kapcsolása, áramforrások kapcsolása, áramerosség- és feszültségmérők méréshatárának kiterjesztése, szisztematikus hiba, az ellenállásmérés módszerei (helyettesítés, mérés Ohm törvénye alapján, hídmódszer) Feszültségmérés Poggendorf-féle kompenzációval. 12. Az elektromos áram hőhatása. Termoelektromos jelenségek
Joule-ho, munka, teljesítmény, alkalmazások. A hődrótos ampermérő. Az izzólámpa, halogén lámpák. Seebeck-effektus, Peltier-effektus, termofeszültség, termoelemek, hőmérsékletmérés. 13. Stacionárius áram mágneses tere Biot-Savart törvény, köráram mágneses tere, Ampere-féle gerjesztési törvény. Körvezető, szolenoid, toroid, hosszú egyenes vezető mágneses tere, áramhurkok és tekercsek mágneses momentuma, mozgó töltés mágneses tere. 14. Mágneses tér hatása áramvezetőkre és mozgó töltésekre Erőhatás, forgató hatás, mágneses indukció vektora, jobbkéz-szabály, mozgó töltésre ható Lorentz-erő, erőhatás áramjárta vezetők között. Az elektromos áram mágneses hatásán alapuló mérőműszerek (lágyvasas, forgótekercses, elektrodinamikus áram- és feszültségmérő műszerek; tükrös galvanométer, teljesítménymérő, indukciós fogyasztásmérő). 15. Az elektromágneses indukció jelensége és törvényei. Mozgási és nyugalmi indukció; Faraday-féle indukciós törvény, Lenz szabálya, Neumann törvénye. Kölcsönös indukció, önindukció. Az egyfázisú transzformátor, fázisviszonyok, áttétel, elektromos energia-szállítás, örvényáramok. 16. Váltakozó áramok előállítása, jellemzése. A váltakozó áram fogalma, létrehozása, a pillanatnyi érték időfüggése, effektív érték, teljesítmény, Wattgörbe; a váltóáram munkája. Egyfázisú elektromos generátorok és motorok. Forgó mágneses tér. Háromfázisú elektromos generátorok és motorok.. Csillag- és deltakapcsolás. 17. Váltakozó áramú áramkörök Ohmos ellenállás, tekercs, kondenzátor váltóáramú ellenállása; fázisviszonyok, vektorábra. Soros RLCkör, feszültségrezonancia; párhuzamos RLC-kör, áramrezonancia. 18. Áramvezetés elektrolitokban. Elektrolitikus polarizáció Elektrolitikus disszociáció. Elektrolízis. Faraday törvényei. Az elektrolitikus vezetés mechanizmusa. Elektrolitikus polarizáció. Az elektrolízis gyakorlati alkalmazásai. Akkumulátorok, galvánelemek, lítium elemek. 19. Áramvezetés vákuumban. Az elektroncsövek Töltéshordozók keltése (termikus elektronemisszió, fotoeffektus, téremisszió), vezetési mechanizmus. Elektroncsövek (dióda, trióda). Felépítésük, működési elvük, karakterisztikájuk, jellemzésük fizikai mennyiségekkel. Egyenirányítás, erősítés. 20. Elektronoptika. Az elektron (az elektron létezésére utaló és azt bizonyító kísérletek. Az elektron jellemző fizikai adatai). Töltéshordozók eltérítése elektromos és mágneses terekkel; katódsugárcső, katódsugár-oszcilloszkóp, elektronmikroszkóp. 21. Áramvezetés gázokban. Önfenntartó gázkisülések és alkalmazásaik Nem önálló vezetés közönséges nyomású gázokban. A töltéshordozók keltése, rekombináció. Áramerősség-feszültség függvény. Ködfénykisülés, katódsugarak, csősugarak; korona-, csúcs- és nyalábkisülés, ívkisülés; ködfénylámpák, higanygőzlámpa, ívhegesztés. 22. Áramvezetés félvezetőkben. Szilárd testek sávelmélete. Saját vezetés, szennyezéses vezetés. Félvezető áramköri elemek: Hallgenerátor, termisztor, dióda, tranzisztor: működési elvük, karakterisztikájuk, jellemzésük fizikai mennyiségekkel; egyenirányítás, erősítés. Gyakorlati alkalmazások. 23. Elektromágneses rezgések Zárt rezgőkör szabad rezgései. A rezgések keletkezési mechanizmusa, időbeli lefolyása,. Csillapodó rezgések jellemzői. Meissner-féle visszacsatolás; rezgőkörök csatolásai. Nagyfrekvenciás rezgések. Előállításuk, tulajdonságaik és gyakorlati alkalmazásaik; elektromágneses hullámok a Lecher-féle drótpár mentén. Frekvencia, hullámhossz, terjedési sebesség; energiaterjedés vezetékek mentén. Poyting vektor. Skin-effektus. Az eltolódási áram. 24. Elektromágneses hullámok. Herz kísérletei Az elektromágneses hullámok keletkezése, terjedése, törése, elhajlása, visszaverődése, interferenciája; terjedési sebesség, energia, impulzus, Poyting vektor. Az elektromágneses spektrum. 25. A hírközlés eszközei és módszerei
A távíró, telefon, rádió adó-vevő berendezések; moduláció, demoduláció; televízió adó-vevő berendezések. 26. A Maxwell egyenletek integrális alakja és fizikai tartalma. 3. Évközi ellenőrzés módja: Zárthelyi dolgozatok, szemináriumi kiselőadások, beadandó dolgozatok. 4. A kötelező, illetve ajánlott irodalom: 1. Litz József: Elektromosságtan és mágnességtan (Műszaki Könyvkiadó, 1998) 2. Hevesi Imre: Elektromosságtan (Nemzeti Tankönyvkiadó, 1998) 3. Budó Ágoston: Kísérleti fizika II. (Tankönyvkiadó, 1980) 4. Feynmann –Leighton – Sands: Mai fizika 5 (Műszaki könyvkiadó, 1969) 5. Lehmann: Diódák és tranzisztorok (Műszaki Könyvkiadó, 1971) 5. A tantárgy tárgyi szükségletei és ellátása:
