Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Elektromosság. Történelmi arcképcsarnok Milétoszi Thalész (Kr. e. 624 – 546) görög matematikus Benjamin Franklin (1706-1790) amerikai diplomata, feltaláló.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Elektromosság. Történelmi arcképcsarnok Milétoszi Thalész (Kr. e. 624 – 546) görög matematikus Benjamin Franklin (1706-1790) amerikai diplomata, feltaláló."— Előadás másolata:

1 Elektromosság

2 Történelmi arcképcsarnok Milétoszi Thalész (Kr. e. 624 – 546) görög matematikus Benjamin Franklin ( ) amerikai diplomata, feltaláló Luigi Galvani (1737 – 1798) olasz fiziológus, orvos Alessandro Volta (1745 – 1827) olasz fizikus Michael Faraday ( ) angol fizikus és kémikus André-Marie Ampère (1775 – 1836) francia fizikus, kémikus, matematikus Georg Simon Ohm ( ) német fizikus és matematikus Nikola Tesla (1856 – 1943) fizikus, feltaláló Thomas Alva Edison ( ) amerikai üzletember, feltaláló; Alexander Graham Bell ( ) amerikai fizikus

3 Elektromos alapjelenségek Az elektromosság szó a görög elektron szóból ered ("ελεκτροσ„ jelentése: gyanta, borostyánkő). A görögök is ismerték a statikus elektromosság jelenségét, ami állati szőrme és más tárgyak összedörzsölésekor állt elő. Milétoszi Thálesz ( Kr. e. 624 – Kr. e. 546 körül ) a borostyánt (élektron) megdörzsölve tapasztalta: a könnyebb testeket magához vonzza.

4 A bőrrel dörzsölt üvegrúd és a műszállal dörzsölt ebonitrúd az apró papírdarabokat (tollat) vonzza. A megdörzsölt műanyag fésű az apró papírdarabokat vonzza.

5

6 Az elektromosságtan atyja William Gilbert ( ) I. Erzsébet királynő háziorvosa volt, az elektromosságtan atyjának is hívják. A borostyánon kívül sok más anyaggal is kísérletezett száraz, nedves levegőben, télen és nyáron egyaránt. Ő készítette el az első elektroszkópot ban jelent meg egyetlen műve amelyben az iránytű működését magyarázza, felállítva azt a hipotézist, hogy a Föld is egy óriási mágnes. Megtapasztalta, hogy a dörzsölésre fellépő elektromos hatás megszüntethető, a mágnesség nem. Tehát a mágnesség alapvető, az elektromosság pedig csupán mesterségesen előidézhető tulajdonsága bizonyos testeknek május november 30 angol orvos, fizikus, természettudós. William Gilbert a földmágnesség és az elektromosság „feltalálója”.

7 A bőrrel dörzsölt üvegrúd és a műszállal dörzsölt ebonitrúd a keskeny sugárban folyó vizet eltéríti. Szőrmével megdörzsölt műanyag rúd és fémgolyó között vonzás tapasztalható.

8 Ha egy üvegrudat egy selyemdarabbal megdörzsölünk, akkor az pozitív töltésű lesz. Ha műanyag csövet dörzsölünk meg egy szövetdarabbal, akkor a csövön negatív töltések jelennek meg, negatív töltésű lesz. Az azonos töltések között taszító kölcsönhatás, míg az ellentétes előjelű töltések között vonzó kölcsönhatás lép fel. Elektromos töltés Az elektromosságot tanulmányozó XVIII. sz-i kutatók szinte mind az elektromos jelenségeket hosszú ideig mechanikai jelenségeknek (pl. folyadékáramlásnak) tartották. Ma már tudjuk, hogy az anyag sokféle töltött részecskéből áll, zömében a pozitív töltésű protonból és a negatív töltésű elektronból. A proton az atommag pozitív töltésű részecskéje. Az elektron (az ógörög ήλεκτρον, borostyán szóból) negatív elektromos töltésű elemi részecske.

9 Elektromos állapotok A töltések eloszlása nem egyenletes az elektronok száma és a protonok száma eltérő. pozitív negatív Az elektromos kölcsönhatás megnyilvánulása: vonzásbantaszításban

10 előtt szőrme Ebonit rúd után Elektromos állapotba hozhatók Elektromos állapotba hozhatók DÖRZSÖLÉSSEL

11 Elektromosállapotbahozhatók Elektromos állapotba hozhatók ELEKTROMOS MEGOSZTÁSSAL

12 Elektromos megosztás A töltött test a semleges testet mindig vonzza, a töltöttet, vagy vonzza, vagy taszítja. A semleges test vonzása abból ered, hogy a töltött test a semleges testben levő, egyenletesen eloszló töltéseket szétválogatja. A különneműeket vonzza, az egyneműeket taszítja. Az elektromos mező megszünteti az eredetileg semleges fémtestben az elektronok egyenletes eloszlását. Ezt a jelenséget elektromos megosztásnak nevezzük. Szigetelő anyagoknál a töltött test dipólusokat hoz létre. A meglévő rendezetlen dipólusokat rendezett helyzetbe forgatja. A szigetelő anyag polarizálódik.

13 Elektromos töltés jelenlétének kimutatása Elektroszkóp

14 A megosztógép Otto von Guericke 1660 Villanyozógépet állított elő, melyben kéngömböt forgatott és azt kézzel dörzsölte. Kísérletei után arra az eredményre jutott, hogy az elektromos vonzást ugyanazok az erők fejtik ki, mint amelyek a Föld vonzásáért felelősek, tehát létezik egy egyetemes hordozóerő. Francis Hawksbee ( ) 1709 Higannyal, borostyángolyókkal majd üveggömbökkel folytatott kísérleteket, melynek eredményeként megalkotta az első megosztógépet. Charles Dufay ( ) Megdörzsölt üvegrúddal töltött fel egy aranylemezkét, amelyet ezután az üvegrúd taszított. Ezután egy feltöltött borostyánhoz hasonló anyaggal (kopálgyanta) közelített hozzá, ami viszont vonzotta a lemezkét. Kétféle elektromos állapot létezik.

15 Megosztó gépek Holtz-féle infuenciagép (1865) Winter-féle dörzselektromos gép (1850) Wimhurst-féle influenciagép Benjamin Franklin dörzselektromos gépe

16 Stephen Gray angol csillagász, fizikus. ( ) Elektromos vezető Érdeklődött a természettudományok, különösen a csillagászat iránt. Gray saját maga csiszolt lencséket, készített távcsövet, és csillagászati megfigyelései által egyre nagyobb hírnévre tett szert. Gray fedezte fel, hogy az elektromosság vezethető júniusában kísérleteinek eredményeképpen sikerült az első „távvezetéket” elkészítenie: 215 méterre vezette el az áramot Felosztotta az anyagokat „elektromos” és „nem elektromos” anyagokra.

17 Vezetők és szigetelők A testek elektromos töltése átvihető más testekre. Vezető anyagok: az anyagon belül a töltéshordozók könnyen elmozdulnak, az elektromos állapot szétterjed. A fémek jó vezetők, az atomjaik külső elektronjai nem kötöttek. A fémek közül a természetben tisztán, elemi állapotban csak a nemes fémek (arany, ezüst) találhatók meg. A fémeket kémiai folyamat segítségével, redukcióval, olyan ércekből állítják elő, amelyekben azok vegyületeik formájában fordulnak elő. Szigetelő anyagok: töltéshordozói helyhez kötöttek. Jó szigetelők: porcelán, üveg, műanyagok, olajok

18 Csúcshatás és az elektromos szél Az elektromos szél az elektromosan töltött vezetők csúcsairól, éleiről kiinduló áramlat, amely a csúcsokon feltöltődő, majd onnan nagy sebességgel eltaszított részecskékből és az általuk elsodort semleges molekulákból áll. Az elektromos szél létrejöttében a csúcshatás döntő szerepet játszik. A vezetőn ugyanis az elektromos töltés az élek, csúcsok mentén halmozódik fel, másrészt az elektromos térerősség a csúcsok közelében nagyobb lesz, mint más helyeken. A Van de Graaff generátor földhöz képesti sok ezer voltját egy szigetelt állványon álló talpra kötjük. A talpon elhelyezett függőleges tengelyre tett Segner-kerék folyamatos forgásba jön, állandó fordulatszámmal.

19 Van de r Graaf-féle szalaggenerátor

20 A Van de Graaff-generátor, más néven szalaggenerátor nagyfeszültség előállítá sára alkalmas elektrosztatikus generátor. Robert Van de Graaff (1901–1967) amerikai mérnök, fizikus 1933-ban építette meg az első ilyen generátort.

21 Benjamin Franklin Franklin tehetséges fizikus és feltaláló volt. Ő találta fel a többek között 1752-ben a villámhárítót ben egy zivatarban sárkányeregetés közben, az átnedvesedett zsinórra függesztett kulcs villamos töltésével igazolták a felhőkben felgyülemlett elektromosságot, mert megjelent a szikra.

22 A zivatarfelhők vízcseppjeit a légáramlat egymáshoz dörzsöli. A felhőkben jelentős elektromos töltés halmozódik fel. Ennek hatására óriási elektromos szikrák, villámok keletkeznek a felhők és a föld, de két felhő között is. Csak minden negyedik villám csap a talajba. A kisülés hőmérséklete meghaladja a 22000°C-t. A villám kialakulásakor a környező levegő túlhevül és kitágul, majd hirtelen összehúzódik. Ez hanghullámot hoz létre. Elektromos töltésekkel magyarázhatjuk a villámok keletkezését.Villámlás

23 Néha, amikor az ellentétes töltések felhalmozódása nem elegendő a villámlás kiváltásához, a zivatarfelhő közelében lévő csúcsos tárgyak teteje körül kék szikrák jelennek meg. Ezt a jelenséget – amire nagyon korán felfigyeltek a hajóárbocok tetején és a vitorlafák végén – a tengerészek védőszentjéről „Szent Elm tüzének” nevezték el. További légelektromos jelenségek Sarki fény Az északi égbolton gyakorta láthatunk fényt. Ilyenkor lángszerű fényhullámok vonulnak át az égen. A jelenség színe vörös, de az északabbra fekvő szélességeken zöldessárgára változik. A Napból elektronok és protonok csapódnak a Föld légkörébe, ahol nitrogént és oxigént gerjesztve fényjelenség keletkezik. Ezt a jelenséget hívjuk sarki fénynek. Szent Elm tüze

24 Leggyakrabban kiemelkedő tárgyakat, tornyokat, fákat ér villámcsapás. Magas épületek tetejére szerelt villámhárító vastag fémvezetékkel kötik össze a talajban elhelyezett földelő lemezzel, mely az elektromos töltést a földbe vezeti le. Villámhárító

25 Kísérletek nagyfeszültséggel Jákob létra Plazmagömb

26 Tesla tekercs

27 Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806 ) francia fizikus Coulomb törvény A törvény szerint két elektromos töltés közti erő arányos a töltések szorzatával és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével ben publikálta híres dolgozatát a később róla elnevezett torziós mérlegről, amelyben a mérleg fonalát elcsavaró torziós nyomaték, az elcsavarodás szöge, valamint a fonal hossza és átmérője közötti összefüggést tárgyalja.

28 Coulomb törvény Q r Q 2 Két pontszerű elektromos töltés (Q 1 és Q 2 ) között ható erő. Erő nagysága: Coulomb féle arányossági tényező: Erő iránya: - vonzó, ha ellentétes előjelűek - taszító, ha azonos előjelűek

29 Elektromos töltések egymásra hatása A tárgyaknak olyan, szemmel nem látható tulajdonságuk van, amellyel képesek befolyásolni más tárgyakat. Ezt úgy mondjuk, hogy a tárgy körül kialakul valamilyen mező, ami hatással van más tárgyakra. Ez a mező a testhez tartozik. Ha a testet elmozdítjuk, a mező vele együtt mozdul el. Ezt a kölcsönhatást gravitációs kölcsönhatásnak hívjuk. Ez mindig vonzó, soha nem taszító, és minden tömeggel rendelkező testre egyformán hat. Az elektromos mező definíciója Michael Faraday brit természettudósnak köszönhető, aki a közelhatás elmélete szerint írta le két töltés egymásra való hatását, miszerint a töltött részecskék saját maguk hozzák létre azt a mezőt, amelyen keresztül erőt képesek kifejteni egymásra. Az elektromos töltéssel rendelkező testek nem közvetlenül hatnak egymásra, hanem az elektromos mező vagy más néven elektromos erőtér közvetítésével. Hasonló a gravitációs kölcsönhatáshoz, csak nagyságrendekkel nagyobb.

30 Elektromos térerősség Az elektromos (villamos) térerősség az elektromos tér által töltéssel rendelkező testekre kifejtett erő hatása és annak mértéke, a villamos teret annak minden pontjában jellemző térvektor. E a villamos térerősség [V/m] Q 1 az erőteret létrehozó töltés nagysága [C=A*s] ε 0 a vákuum dielektromos állandója, 8,86 * [A*s*V -1 *m -1 ] r az erőteret létrehozó töltés távolsága [m] k=9*10 9 Nm 2 /C 2 elektromos erővonalak: Iránya: pozitív Q esetén a töltéssel ellentétes irányú, negatív Q esetén a töltés felé mutat

31 Erőhatás az elektromos térben Q1 töltés által létrehozott térerősség nagysága: Q2 töltésre ható erő a Q1 által létrehozott elektromos térben: Q1 által létrehozott térben Q2 töltésre ható erő: F=E*Q 2 Az elektromos térerősség : E=F/Q

32 A szuperpozició elve Ha több töltés egyszerre fejti ki hatását, akkor érvényes elv. Mindegyik töltés a másiktól függetlenül létrehozza a maga elektromos mezőjét, és az egyes elektromos mezők térerősségeinek vektori összege adja az eredőt. A szuperpozíció elve lineáris egyenletekkel leírható fizikai rendszerre vonatkozó általános elv. A klasszikus fizikában valamely fizikai mennyiségek független összegződésének elve.

33 Elektromos mező szemléltetése Az elektromos mezőt gyakran a mező szerkezetére jellemző vonalakkal, az úgynevezett elektromos erővonalakkal szemléltetjük. Az erővonalak – a térerősséghez hasonlóan – az elektromos mező mennyiségi jellemzésére is felhasználhatók. Ennek érdekében a következő megállapodás szerint kell az erővonalakat megszerkeszteni: –az erővonalak iránya megegyezik a térerősség irányával, –az erővonalak sűrűsége megegyezik a térerősség nagyságával.

34 AZ ELEKTROMOS MEZŐ SZEMLÉLTETÉSE ERŐVONALAKKAL A különböző nagyságú, előjelű, elhelyezkedésű elektromos töltések eltérő elektromos mezőket hoznak létre maguk körül.

35 Az elektromos fluxus Egy felületen áthaladó összes erővonal száma a felület elektromos fluxusának számértékét adja. A fluxus betűjele: Ψ (ejtsd: pszi). Ha a felület merőleges az erővonalakra, akkor a fluxus és a térerősség kapcsolata: Ψ=E ⋅ A Az elektromos fluxus mértékegysége: N/C ⋅ m 2 α a térerősség vektor és a felület normálvektora által bezárt szög.

36 Az elektromos mező munkája Homogén, elektrosztatikus mezőben a Q töltésen végzett elemi munka Számításaink alapján: az elektrosztatikai mező munkája független a megtett úttól, csak a kezdő- és a véghelyzet pozíciója határozza meg. egyenesen arányos a mezőbe vitt próbatöltés nagyságával: Az elektromos mező a benne lévő töltésekre azok elmozdulása közben erőt fejt ki, azaz a mező munkát végez. Tehát a tér két pontja között jelen lévő mezőt azzal a mennyiséggel is tudjuk jellemezni, hogy mennyi munkát tud végezni a mező a két pont között elmozduló próbatöltésen. (W=F*Δs)

37 A1A1 A2A2 E s1s1 s2s2 W s1 = W s2 = 0, mert a mozgás merőleges az erővonalakra. d Wd <>0 A B

38 Az elektromos feszültség A feszültség tehát számértékben az a munka, amelyet az elektrosztatikus mező végez, miközben a pozitív egységtöltést a tér egyik pontjából a másikba mozgatja. A feszültség mértékegysége: [U] = [W / q] = J / C = V Az elektromos feszültség az elektromos töltésnek az A pontból a B pontba történő mozgatása során végzett munka (W AB ) és az elektromosan töltött test töltésének (Q) a hányadosával definiált fizikai mennyiség. Egysége: J/C, röviden 1 V (Volt). Alessandro Volta Akkor 1V a feszültség az elektromos mező két pontja között, ha 1C töltés átáramoltatásakor a mező 1J munkát végez.

39 A feszültség iránya A feszültség (U) előjeles skalármennyiség A feszültség rendelkezik megállapodás szerinti iránnyal. - A feszültség iránya a magasabb potenciálú pontból az alacsonyabb potenciálú felé mutat, tehát a pozitívabb hely felől a negatívabb felé; - a feszültség iránya ezért a két pont között a tér által mozgatott pozitív töltés haladásának irányával esik egybe; A statikus villamos térben (konzervatív, potenciálos erőtér, a tér minden pontjához tartozik egy potenciálérték,) az azonos potenciálú pontok ekvipotenciális felületeket - más néven egyenpotenciálú felületeket alkotnak. A közös ponthoz viszonyított feszültség a potenciál. A feszültség = potenciálkülönbség. A térben egyedül elhelyezkedő pontszerű töltés terének ekvipotenciális felületei a ponttöltéssel koncentrikus gömbfelületek. U ab =U a -U b

40 Elektromos töltések, potenciál A vezetőre vitt többlettöltés a taszító erő hatására mindig a vezető külső felületén helyezkednek el. A csúcsokon nagyobb a töltéssűrűség. (csúcshatás) Sztatikus elektromos állapotban a vezető belsejében a térerősség zérus. A vezetőfelülettel határolt térrészek elektromosan árnyékoltak. Faraday-kalitka Ahol a térerősség ( E ) zérus vagy merőleges az elmozdulásra, ott nem végez munkát az elektromos tér. A nyugalmi elektromos állapotban a vezető pontjai között nincsen feszültség. (ekvipotenciálisak)

41 Leideni palack Az eredeti leideni palack egy részben vízzel teli palack volt, melyet parafa dugó zárt le. A parafa dugón keresztül fém vezeték lógott be a vízbe, ezen keresztül lehetett feltölteni a palack által képzett kondenzátort. A külső „lemezt” a kísérletező keze alkotta. Pieter van Musschenbroek holland fizikus, matematikus (1692 – 1761) A megosztó géppel létrehozott töltések tárolhatóságát egy vízzel töltött palackkal Leiden városában1946-ban kísérletileg bizonyította.

42 Kondenzátor Az elektromos töltések sűrítésére és tárolására szolgáló eszköz. Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet), és a közöttük lévő szigetelő anyagból (dielektrikum) áll. Fajtái: ◦ Síkkondenzátor ◦ Hengerkondenzátor ◦ Gömbkondenzátor A fegyverzetek között homogén elektromos mező van. A fegyverzeteken kívül zérus a térerősség.

43 Kondenzátor kapacitása Az egyik lemez töltésének és a lemezek közti feszültségnek a hányadosa a kondenzátorra jellemző állandó. A kondenzátorra vitt töltés nagyságával egyenes arányban nő a lemezek közti feszültség. Ez az állandó a kondenzátor kapacitása. Jele: C U : a két vezető közötti feszültség (potenciálkülönbség) Q : a lemezekre felvitt töltés mennyisége 1F = 1 C/V Faraday tiszteletére a kapacitás mértékegysége a farád. Minél nagyobb a kondenzátor kapacitása annál több töltés befogadására képes ugyanakkora feszültség mellett.

44 A kondenzátor energiája Az elektromos mező elmozdítja a benne lévő töltéseket, munkavégzésre képes, Az elektromos mezőnek energiája van. W = ½*C*U 2 W = ½*Q*U Q=C*U => A kondenzátor kapcsolása A kereskedelmi forgalomban meghatározott kapacitású és maximális feszültségű kondenzátorok találhatók. Más jellemző értékeket kaphatunk a kondenzátorok valamilyen összekapcsolásával. Párhuzamos kapcsolás C=C1+C2 +Cn Soros kapcsolás 1/C=1/C1+1/C2 + 1/Cn


Letölteni ppt "Elektromosság. Történelmi arcképcsarnok Milétoszi Thalész (Kr. e. 624 – 546) görög matematikus Benjamin Franklin (1706-1790) amerikai diplomata, feltaláló."

Hasonló előadás


Google Hirdetések