Elektromosság

Történelmi arcképcsarnok Milétoszi Thalész  (Kr. e. 624 –  546) görög matematikus Benjamin Franklin (1706-1790) amerikai diplomata, feltaláló Luigi Galvani  (1737 – 1798) olasz fiziológus, orvos Alessandro Volta  (1745 – 1827) olasz fizikus Michael Faraday ( 1791- 1867)  angol fizikus és kémikus André-Marie Ampère  (1775 – 1836)  francia fizikus, kémikus, matematikus Georg Simon Ohm (1789-1854) német fizikus és matematikus Thomas Alva Edison (1847-1931) amerikai üzletember, feltaláló; Alexander Graham Bell  ( 1847  1922 )  amerikai fizikus Nikola Tesla  (1856 – 1943)  fizikus, feltaláló

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

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

Az elektromosságtan atyja William Gilbert (1544 - 1603) 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. 1600-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. 1544. május 24 - 1603. november 30 angol orvos, fizikus, természettudós. William Gilbert a földmágnesség és az elektromosság „feltalálója”.

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

Elektromos töltés 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. 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.

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

Elektromos állapotba hozhatók DÖRZSÖLÉSSEL előtt után szőrme Ebonit rúd

Elektromos állapotba hozhatók ELEKTROMOS MEGOSZTÁSSAL

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.

Elektromos töltés jelenlétének kimutatása Elektroszkóp

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 (1670-1713) 1709 Higannyal, borostyángolyókkal majd üveggömbökkel folytatott kísérleteket, melynek eredményeként megalkotta az első megosztógépet. Charles Dufay (1698 - 1739) 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.

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

Elektromos vezető Stephen Gray angol csillagász, fizikus. (1666-1736) 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. 1729 júniusában kísérleteinek eredményeképpen sikerült az első „távvezetéket” elkészítenie: 215 méterre vezette el az áramot Felosztotta az anyagokat „elektromos” és „nem elektromos” anyagokra.

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

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.

Van der Graaf-féle szalaggenerátor

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

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

Elektromos töltésekkel magyarázhatjuk a villámok keletkezését. Villámlás Elektromos töltésekkel magyarázhatjuk a villámok keletkezését. 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.

További légelektromos jelenségek 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. Szent Elm tüze 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.

Villámhárító 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.

Kísérletek nagyfeszültséggel Jákob létra Plazmagömb

Tesla tekercs

Coulomb törvény 1784-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. Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806 )  francia fizikus A törvény szerint két elektromos töltés közti erő arányos a töltések szorzatával és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével.

Coulomb törvény Q1 -------------r-------------- Q2 Két pontszerű elektromos töltés (Q1 és Q2) között ható erő.  Erő nagysága: Coulomb féle arányossági tényező: Erő iránya: - vonzó, ha ellentétes előjelűek - taszító, ha azonos előjelűek

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 töltéssel rendelkező testek nem közvetlenül hatnak egymásra, hanem az elektromos mező vagy más néven elektromos erőtér közvetítésével. Hasonló a gravitációs kölcsönhatáshoz, csak nagyságrendekkel nagyobb. 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.

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] Q1 az erőteret létrehozó töltés nagysága [C=A*s] ε0 a vákuum dielektromos állandója, 8,86 * 10-12 [A*s*V-1*m-1] r az erőteret létrehozó töltés távolsága [m] k=9*109 Nm2/C2  elektromos erővonalak: Iránya: pozitív Q esetén a töltéssel ellentétes irányú, negatív Q esetén a töltés felé mutat

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*Q2 Az elektromos térerősség : E=F/Q

A szuperpozició elve A szuperpozíció elve lineáris egyenletekkel leírható fizikai rendszerre vonatkozó általános elv. A klasszikus fizikában valamely fizikai mennyiségek független összegződésének 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.

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.

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

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⋅m2 α a térerősség vektor és a felület normálvektora által bezárt szög.

Az elektromos mező munkája 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. Homogén, elektrosztatikus mezőben a Q töltésen végzett elemi munka egyenesen arányos a mezőbe vitt próbatöltés nagyságával: (W=F*Δs) Számításaink alapján: az elektrosztatikai mező munkája független a megtett úttól, csak a kezdő- és a véghelyzet pozíciója határozza meg.

Ws1 = Ws2 = 0, mert a mozgás merőleges az erővonalakra. d Wd <>0 s1 B A1 E Ws1 = Ws2 = 0, mert a mozgás merőleges az erővonalakra.

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

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. Uab=Ua-Ub A térben egyedül elhelyezkedő pontszerű töltés terének ekvipotenciális felületei a ponttöltéssel koncentrikus gömbfelületek.

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)

Leideni palack A megosztó géppel létrehozott töltések tárolhatóságát egy vízzel töltött palackkal Leiden városában1946-ban kísérletileg bizonyította. 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)

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.

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

A kondenzátor energiája Az elektromos mező elmozdítja a benne lévő töltéseket, munkavégzésre képes, Az elektromos mezőnek energiája van. W = ½*Q*U Q=C*U => W = ½*C*U2 A kondenzátor kapcsolása A kereskedelmi forgalomban meghatározott kapacitású és maximális feszültségű kondenzátorok találhatók. Más jellemző értékeket kaphatunk a kondenzátorok valamilyen összekapcsolásával. Párhuzamos kapcsolás Soros kapcsolás 1/C=1/C1+1/C2 + 1/Cn C=C1+C2 +Cn