2. osztály - Fizika

Az egyenáram törvényei

Az áram az elektromos töltések rendezett mozgása. Az anyagok felosztása az áram vezetése szempontjából:

• vezetők - képesek az áramot vezetni,
• szigetelők - képtelenek az áramot vezetni,
• félvezetők - a körülményektől függően úgy videlkednek mint vezetők, vagy mint szigetölők.

A vezetőkben szabad töltések találhatóak, amíg a szigetelőkben a töltések nagy erőkkel meg vannak kötve.

A töltések a fémekben elektronok, az elektrolitokban pozitív és negatív ionok, a félvezetőkben elektronok és "lyukak", plazmákban pedig az ionok és a szabad elektronok.

A töltések rendezett mozgása a vezetőkben lehet egyirányú, ezt a jelenséget egyenáramnak nevezik. Az egyenáramon kívül létezik váltóáram is, itt a töltések a mozgás irányá változik az idő fügvényében (a mindennapi életben használatban lévő váltóáram másodpercenként ötvenszer váltja az irányát).

×

Az áramok harca

Az áramok harca Tomas Edison és Nikola Tesla közötti komoly konfliktus elnevezése. Tomas Edison az egyenáram alkalmazását hozta előtérbe, amíg Tesla a váltóáramot.

Az elektromos áram elosztása kezdetein az Edison egyenáram vólt a szabvány az Egyesült Álamokban és Európában és Edison nem szerette vólna hogy kárbavesszenek a szabadalmai ezen a téren. Az egyenáram jól működött az izzószálas égőkben. Tesla a forgó mágneses mező kutatásaival kifejlesztette a váltóáram előállítás, átvitel és felhasználási rendszerét. Társult George Westinghouse-al hogy ezt a rendszert forgalomba tegye. Westinghouse felvásárolta Tesla polifázis rendszer szabadalmait és más szabadalmakat Lüszien Gallard és John Dikson Gibbs-től.

Elektromos átviteli rendszer

Az egyenáramos elektromos átviteli rendszernek volt számos korlátja, melyeket megoldódott a váltóáram. Az egyenáramot nem lehetett egy mérföldnél távolabbra átvinni nagy feszültség esések nélkül. A háromvezetékes átviteli rendszer biztosított valamennyi javítást de a fő gondot nem oldotta meg. Edison válasza az vólt hogy a fogyasztás közelében történnyen a villanyáram előállítása, és tübb vezetékkel történnyen a használó áramellátása. Ez a megoldás drága és megvalósíthatatlanak bizonyult. Az egyenáramnál a feszültségeket nem egyszerű váltani, ilyen módon nagy számú különálló vezetéket kellene elhelyezni és karbantartani a különböző fogyasztók számára, pl. elektromotorok, világítás...

A nagy feszültségű váltóáramokat nagy távolságokra lehet átvinni kevés vesztességgel és a fogyasztás helyén léjebb venni kis feszültségekre a gyárakban és háztartásokban. Amikor Tesla bemutatta a váltóáramos generátor, transzformátor, vezeték és világítás rendszerét 1887. november és decemberében, egyértelmű lett hogy az áramátvitel rendszerek jövője a váltóáramos rendszerekben van.

Az átviteli veszteségek

A váltóáram előnye a nagy távolságokra történő energiaátvitelnél a könnyű feszültségváltás transzformátorok segítségével. A teljesítmény az áram és a feszültség szorzata (P=UI). Egy taljesítménynél az alacsony feszültség nagy áramot, amíg a nagy feszültség kis áramot vesz igénybe. Mivel minden fém vezetéknek van bizonyos ellenállása az energia egy része a vezeték melegedését fogja okozni (veszteség). A veszteséget a következő képlet írja le: P=I²R. Ez a képlet érvényes az egyenáramoknál is meg a váltóáramoknál is. A váltóáram feszültség változtatása egyszerű és gazdaságos megoldása a transzformátorok alkalmazása. Az egyenáramoknál ez a probléma megoldása összetetteb ls drágább. Ez volt a váltóáramos rendszerek sikerkulcsa az egyenáramok ellen. A korszerű átviteli hálózatok feszültsésíntjei 765 kV-ig is terjednek.

Az Edison propagandája

Edison kampányt indított a váltóáram használata ellen. Személyesen hajtott végre néhány állat kivégzését, többnyire kóbor macskák és kutyák felett, hogy a sajtónak bemutassa a váltóáram veszélyeit. Az állatok kivégzési csúcspontja Topszi nevű elefánt volt. Ugyanúgy a "Vesztingasuszolt" kifelyezés használatát népszerűsítette. A kifelyezés az áram általi kivégzést jelentette.

Edison ellenezte a halálbüntetést de a tevékenységei a váltóáram mocskolása iránt a villamosszék feltalásához vezetett. Edison (vagy valaki a munkatársai közül) kihasználta a váltóáramot hogy megcsinálja az első villamosszéket a New York állam számára. Népszerű a mitosz az hogy Edison önnállóan fejlesztette ki a villamosszéket. Más források szerint Edison munkatársa Harold Brown tette ezt Menlo Parkban.

A villamosszék első használatánál a technikusok rosszul becsülték fel a feszültséget amely szükséges a halál beállásához William Kemlert kellet volna hogy megölje. Az első villamosszék használata 1890 augusztus 6-án vólt és az elitélt nem halt bele az első áramütésbe, hanem naygon sulyosan megsebesítette. Az áramütés meg lett ismételve és a jelenlévő riporter úgy írta le mint "undorító esemény sokkal borzasztóbb mint az akasztás". George Westinghouse (Tesla munkatársa) azt kommentálta hogy "jobban tették vólna ha baltát használnak".

Az alacsony fekvenciájú (50-60 Hz) váltóáramok sokkal veszélyesebbek mint hasonló feszültségű egyenáramok mivel az áram váltó rezgései a szív munkáját zavarják ventrikuláris fibrilációt idéznek elő amely gyorsan halállal végződik. Bármelyik elosztó rendszer (egyenáramú vagy váltóáramú) hasonló feszültségszínteket alkalmaz melyek veszélyes áramerősségekkel vannak ellátva. A védelmi előírások mindkét rendszernél hasonlóak vóltak. Az előnyei végett a váltóáram lett szabványként elfogadva.

Niagara vízesések

A szakemberek a Niagara vizséseit ajánlották a villanyáram előállítására. A Tesla rendszere kapta meg a szerződést a bizottságtól. A bizottság elnöke Lord Kelvin volt A bizottságot J.P.Morgan, Lord Rotshield és John Jacob Astor IV is támogatták. A munkálatok 1893-ban vették kezdetüket és Tesla technológiája lett alkalmazva a villamos energia előállításához a vízesés energiájából.

A vízeséstől Buffalóig

Vóltak gyanakvók akik nem hitték hogy elég energiát fog termelni a vízerőmű hogy a Buffaló iparát ellása. Tesla biztos volt a dolgába és azt mondta hogy a Niagara vízesések elegendő energiával rendelkeznek hogy az Egyesült Államok teljes keleti partját ellásák villamos energiával. 1896 november 16-án vette kezdetét a Buffalo iparának ez energiaellátását a Niagara vízerőműve. A generátorokat Westinghouse állította elő Tesla váltóáramos szabadalmai alapján. Tesla bevezette a 60 Hz szabványt. Öt évig épült a vízerőmű.

Eredmény

A Tesla váltóárama felváltotta az egyenáramot az elektromos energia előállítása és átvitele terén, az energiát óriási távolságokra képes vólt átvinni. Az Edison találmányai melyek az egyenáramon alapoztak le lettek váltva váltóáramosokra. Végül General Electric az Edison vállalata is áttért az egyenáramú berendezések gyártásáról a vátóramú berendezések gyártására.

New York-i elektromos energia elosztó cég, Consolidated Edison folytatta az egyenáramú energia elosztását a huszadik évszázad eleje óta. 2005 januárjában Consolited Edison értesítette hogy az év végével megszakítja az energiaelosztást amelyet többnyire a régi felvonók használtak (kb. 1600 vólt még belőlük és mind Manhattan-on). Az egyirányú elektromos energia átvitele jelentős lehetne a magasfeszültségű rendszereknél (HVDC), amely a távoli generátorállomások energiaátviteléhez vagy a távoli váltóáramú rendszerek összeköttetésére (interkonnekcióra) szolgál. A korszerű HVDC rendszerek félvezető rendszereken vannak alapozva melyek az áramok harca idelye alatt nem vóltak még feltalálva. A korszerű HVDC rendszerek mindkét oldalán váltóáramos rendszerek vannak. A korszerű HVDC rendszerek előnye a váltóáramos rendszerek felett a nagyobb energia átvitel ugyanazokon az energiaszínteken. Léteznek elképzelések melyek szerint ha az Edison idelyében leétezett vólna a mai korszerű HVDC rendszer, más lett vólna az áramok harca végeredménye. Az egyenáramos rendszerek használata széleskörű a helyi használatban a járművekben a viágítás, motor indítása, akkumulátor töltése.

A telefonvonalas adatátvitel ugyanúgy egyenáramon van alapozva. Egyes serverfarmokon a mérnökök jobban szeretik az egyenáramos energiaellátást.

Izvor: wikipedia

Az áram létrejöttének feltételei

A vezetőkben a töltések káotikusan mozognak ha nem hat rájuk semilyen külső erő. Amennyiben elektromos mező hat a vezetőre, a töltések a mező hatására mozogni kezdenek a mező adott irányában.

Ahhoz hogy a vezetőn keresztül egyenáram folyhasson állandó elektromos mező kell hogy hasson a vezetőre.

Elektromos erő és feszültség

Ha a vezető két vége között potenciálkülönbség (feszültség) van, a vezetőben elektromos mező található. A vezetőkben az elektromos mező létrehozását és jelenlétét áramforrás, illetve elektromotoros erő forráasa biztosítja.

A hasonlóság:

• potenciális különbség és a folyadék áramlása
• potenciális különbség és az áram folyása

Mindkét példában létezik a potenciális különbség és a részecskék mozgása.

Amennyiben a két tartályt osszekötjük egy csővel a folyadék részecskéi elkezdenek mozogni a színtkülönbség csökken, amikor a két edényben a színtek egyformák lesznek a részecsék mozgása is leáll. A folyadék folyását a gravitációs mező biztosítja (hasonlóan mint az elektromos mező).

Amennyiben energiaforrásra (áramforrásra) rákötünk egy vezetéket a vezetőben a részecskék (töltések) mozogni kezdenek. Az energiaforrás színtkülönbsége (potenciálkülönbség) így csökken és a részecskék mozgása addig fog tartani amíg létezik potenciálkülönbség. Amikor az energiaforrás színtkülönbsége eltűnik a részecskék mozgása is leáll (az elem lemerült).

Az elektromotoros erő a befektetett munka mellyel az egységnyi pozitív töltést az áramforráson belül a negatív pólustól a pozitív pólusig helyez át.

Az elektromotoros erő mértékegysége a volt [V]. Ugyanezzel a mértékegységgel jelölik a potenciálkülönbséget is (feszültség).

Áramerősség és áramsűrűség

Az áramerősség egy fizikai érték mely az áramot jellemzi. Az áramerősség a vezeték keresztmetszetén áthaladó töltés a meghatározott idő alatt. Az áramerősség mértékegysége amper [A]. A = C / s (kulon máasodpercenként).

A képletben:

• I - áramerősség [A]
• q - elektromos töltés [C]
• t - idő [s]

Az áramot mely 1mA erősségű, az emberek már érzik, amíg a 10mA erősségű áram már halálos lehet.

Az áramsűrűsség megegyezik az áthaladó áramerősség és a keresztmetszet arányával.

A képletben:

• j - áramsűrűség [A/m²]
• I - áramerősség [A]
• S - a vezeték keresztmetszete [m²]

×

Egyes elemek jelölései az áramkörökben

Ideális
egyenáram
generátor

Valós
egyenáram
generátor

Ideális
váltóaram
generátor

Elem

Ellenállás

Ellenállás

Ellenállás

Égő

Dióda

Dióda

LED Dióda

LED Dióda

Kondenzátor

Tekercs

Potenciométer

Trimer

Az elektromos ellenállás és Ohm törvénye

A nyitott áramkörben nem folyik az áram. A kapcsoló bezárása után kezdődik az áram folyása.

Amíg az áram az ellenálláson halad át, feszültségesést okoz az ellenálláson. A feszültségesés (feszültség) az ellenálláson úgy van irányítva hogy a magasabb potenciál ott található ahol az áram belemegy az ellenállásba, az alacsonyabb potenciál ahol az áram kijön az ellenállásból (a nyilacska hegye a magasabb potenciál felé van irányítva).

Amennyiben egy ellenállásra az áramkörben különböző áramforrásokat csatlakoztatunk és közben mérjük az áramerősséget és a feszültséget az ellenálláson a különböző esetekben különböző feszültségeket és áramerősségeket fogunk mérni. A lemért értékek összefüggése a következő lessz:
U₁/I₁ = U₂/I₂ = ... = const = R

A mérőműszerek melyekkel az értékek meg lettek határozva:

• voltméter és
• amperméter.

E mérőműszerek úgy vannak kifejlesztve hogy minnél potosabban mérjék az adott értékeket és a jelenlétük ne okozzon változásokat az áramkörben.

Ilyen módon lett meghatározva az elektrotechika egyik alaptörvénye - az Ohm törvénye.

A képletben:

• I - áramerősség [A]
• U - feszültség [V]
• R - ellenállás [Ω]

Az áramerősség mely az áramkörben a fogyasztón keresztül folyik egyenlő a feszültség értékével mely a fogyasztó végein van és a fogyasztó ellenállás arányával. Az elektromos ellenállás mértékegysége az óm [Ω]

Az ellenállás minden vezeték tulajdonsága. A vezetéknek van ellenállása annélkül hogy áram folyna rajta. Az ellenállás az anyag tulajdonsága. Az elektronok mozgását az anyag belsejében gátolja a kristályrács melyben az elektronok kell hogy áthaladjonak. Ez a súrlódás semmi más mit az ellenállás. Amennyiben a vezeték keresztmetszete nagy, kisebb az ellenállás mivel nagyobb az elektronok száma melyek az áramot továbbítani tudják. Amennyiben a vezeték hosszabb azzal a súrlódás is nagyobb, illetve az ellenállás is. A vezeték ellenállását a következő képlet szerint lehet kiszámolni:

A képletben:

• R - ellenállás [Ω]
• ρ - az adott anyag fajlagos ellenállása [Ωm] (kis Görög betű, ró)
• l - a vezeték hossza [m]
• S - a vezeték keresztmetszete [m²]

Egyes anyagok fajlagos ellenállása:

A feszültség, áramerősség és ellenéllás mérésére előrelátot műszerek használata

×

Feszültségmérés

Feszültségmérés - schéma

A Voltméter mérőműszer mely a feszültség (potenciálkülönbség) mérésére szlogál bármely két pont között az áramkörben. A voltmétert párhuzamosan kötik a fogyasztóval melynek a feszültségét kell megmérni. A voltméter jelölése egy V betű mely egy körben van. A voltméter belső ellenállása nagyon nagy, hogy a bekötése ne okozzon áramelosztást a meglévő áramkörben. A voltméteren áthaladó áram értéke elhanyagolható.

Voltméter használata - mérés

×

Áramerősségmérés

Áramerősségmérés -schéma

Az Amperméter mérőműszer mely az áram erősségét méri bármelyik ágban az áramkörben. Az ampermétert sorba kell kötni a fogyaszóval melynek az áramát kell megmérni. Az amperméter jelölése egy A betű mely egy körben van. Az amperméter belső ellenállása nagyon kis értékü, hogy a bekötése ne okozzon feszültségesést. Az amperméter belső éllenállásán a feszültségesés elhanyagolható.

Amperméter használata - mérés

×

Ellenállásmérés

Ellenállásmérés - schéma

Óhmméter egy műszer mely az ellenállás mérésére szolgál. AZ óhmmétert párhuzamosan kötik az ellenállással melyet mérnek. Az óhmméternek saját eleme van melly a mérést lehetővé teszi. A mérést mindig nyitott áramkörben kell végrehajtani. Ilyen áramkörben csak az óhmméter eleme az egyedüli energiaforrás.

Óhmméter használata - mérés

Joule törvénye

Minden vezető melegszik ha áram folyik rajta keresztül. Az energiaátvitel szempontjából vesztességnek számít, amíg az árammal való fűtésnél hasznosnak nyilvánul ez a jelenség.

A képletben:

• P - teljesítmény [W]
• U - feszültség [V]
• I - áramerősség [A]

Az Óhm törvénye alkalmazásával leírható:

P = U*I = R*I² = U²/R

Ohm törvénye az egyszerű áramkörökre

Példának lehet venni a következő egyszerű áramkört:

Az Ohm törvényét alkalmazva ki lehet számítani a következőt:

Az áram az áramkörben egyenlő az elemek feszültségének összegével (vigyázni a polarizációra), elosztva az ellenállások összegével.

Ez a számítás csakis az egyszerű áramkörökben lehetséges, melyekben nincsennek csomópontok melyekben az áram szétágazik.

Az ellenállások soros és párhuzamos kötése

Az ellenállások soros kötése

Amennyiben az ellenállások sorban vannak kötve:

Az eredő ellenállás számítása a következőképpen történik:

U = U₁ + U₂ + ... + U_n

Az Ohm törvénye szerint (U = I*R):

I*R_e = I*R₁ + I*R₂ + ... + I*R_n

Az egyenlet jobb oldalán az I-t a zárójel elé ki lehet emelni:

I*R_e = I*(R₁ + R₂ + ... + R_n)

Az egyenlet mindkét oldalán az I szerepel, és leegyszerűsítve:

Az ellenállások párhuzamos kötése

Amennyiben az ellenállások párhuzamosan vannak kötve:

Az eredő ellenállás számítása a következőképpen történik:

Az I Kirhofovom törvénye szerint a csomópontra le lehet írni:

I = I₁ + I₂ + ... + I_n

Az Ohm törvénye szerint (I = U/R):

U/R_e = U/R₁ + U/R₂ + ... + U/R_n

Az egyenlet jobb oldalán az U-t a zárójel elé ki lehet emelni:

U/R_e = U*(1/R₁ + 1/R₂ + ... + 1/R_n)

Az egyenlet mindkét oldalán az U szerepel, és leegyszerűsítve:

Kirchoff törvényei

Az összetett villamos áramkört akkor lehet megoldottnak tekinteni amikor az összes ágban meg lesznek határozva az áramok. Ennek előfeltétele hogy fel legyen állítva annyi egyenlet ahány áram van, illetve ahány ága van az áramkörnek. Ezeket az egyenletek az első (áram) és második (feszültség) Kirchoff törvényei alapján kell leírni.

Kirchoff első törvénye

Az áramkör csomópontjában az áramerősségek algebrai összege nulla. Illetve a csomópont felé haladó áramerősségek összege megegyezik a csomópontot elhagyó áramerősségek összegével.

Az A jelölésű csomópontra a következőt lehet írni:

I₁ + I₂ = I₃ + I₄ + I₅

A megegyezés szerint az áramok melyek iránya:

• a csomópont felé halad pozitív előjellel írják
• a csomóponttól távolodnak negatív előjellel írják

Kirchoff második törvénye

A feszültségek algebrai összege egy hurokban egyenlő nullával. Illetve az elektromotoros erők osszege megegyezik a feszültségesések összegével a fogyasztókon (ellenállásokon) egy hurokban az áramkörben.

Bármelyik ágat fel lehet használni a hurok bezárásához, ez esetben leírhatók a következő egyenletek:

U = U₁ + U₂

U = U₁ + U₃ + U₄

U₂ = U₃ + U₄

Az elektrolitek vezetőképessége

Áram haladása a vákuumban

Elektromos áram a gázokban