Az elektromos áram hatásai

Az előadások a következő témára: "Az elektromos áram hatásai"— Előadás másolata:

1 Az elektromos áram hatásai
Az elektromos áram hőhatása elektron fématom elmozdulása a hőmozgása miatt A vezető anyagban áramló töltéshordozók az anyagot alkotó más részecskékkel ütköznek és energiájuk egy része hőenergiává alakul, ami a vezető anyagának melegedését okozza. fématom A vezető anyaga melegszik.

2 Áramsűrűség kisebb keresztmetszetű, vékonyabb vezető anyag A1 I A2
nagyobb keresztmetszetű, vastagabb vezető anyag kisebb keresztmetszetű, vékonyabb vezető anyag Ha az áramkör különböző keresztmetszetű vezető anyagain állandó erősségű áram halad át, akkor ugyanannyi idő alatt azonos töltésmennyiségnek kell áthaladnia az ”A1” és „A2” keresztmetszeten is. Ez csak úgy lehetséges, ha a töltéshordozók az „A2” keresztmetszeten egymáshoz, illetve az anyag más részecskéihez viszonyítva közelebb haladnak, mint az „A1”-en. Ebből következik, hogy a mozgó töltéshordozók a vezető anyagot is jobban melegítik. Tehát állandó erősségű áram a vékonyabb vezető anyagot jobban melegíti, mint a vastagabbat. Erre példa az izzólámpa működése, mert a vékony izzószál az összekötő vezetékhez képest olyannyira felmelegszik, hogy fehéren izzani kezd.

3 Szarvas kialakítású olvadóbiztosító
olvadószál ívelt szarv megszakadt ív I I Az elektromos áram hőhatását használják ki az elektromos berendezések túláramvédelmét szolgáló olvadóbiztosító esetében. Az olvadóbiztosító legfontosabb eleme egy kis keresztmetszetű vezetőhuzal, amit olvadószálnak neveznek. Az olvadószál túl nagy áram esetén megolvad és az áram útját megszakítja. Az áram egy ideig ív formájában fenn marad, amit meg kell szakítani. Az olvadószál méreteinek pontos megválasztásával kiszámítható, hogy mekkora áramerősségnél lépjen működésbe az olvadóbiztosító. A szarvas kialakítású olvadóbiztosító esetén az ív a szarvak között felemelkedik és az egyre távolodó szarvak között megnyúlik és megszakad.

4 Porcelánházas olvadóbiztosító
rugós jelzőszem tartószál csatlakozó kés A porcelánházas olvadóbiztosító kiolvadásakor a rugós jelzőszem a porcelánházról leesik, így jelzi a működését. Az elektromos áram hőhatásának elvén működnek a különböző fűtőberendezések, mint a páramentesítő, vezetőfülke- és utastér fűtés. Ezekben a fűtőberendezésekben nagy elektromos ellenállású fűtőbetét található, ami az áram hatására felizzik, de nem olvad meg. porcelánház olvadószál kvarchomok

5 Az elektromos áram vegyi hatása
U anód + - katód szénelektróda e- e- 2Cl-  Cl2 + 2e- Cu2+ + 2e-  Cu Cl rézbevonat Cu2 elektrolit CuCl2 vizes oldata A másodrendű vezetőanyagok közé tartoznak a sók, savak és lúgok vizes oldata, amit elektrolitnak neveznek. Az elektrolitokban az anyag nem atomos állapotban, hanem ionos formában van jelen. A réz-klorid CuCl2 molekula felbomlik és a kémiai kötésben lévő két elektronja a klórhoz vándorolva klorid ionokat Cl- alkot, amelyek negatív töltésűek, mert elektrontöbbletük van. A réz pedig réz ionná Cu2+ alakul, amely két pozitív töltésű, mert két elektron hiánya van. Merítsünk az elektrolitba két szén elektródát és helyezzük feszültség alá. Az elektrolitba merülő elektródák közül az áramforrás „+” sarkához kapcsolódót anódnak, a „-” negatív sarkához kapcsolódót katódnak nevezzük. Az elektrolitban a töltéssel rendelkező részecskék – az ionok – vezetik az elektromos áramot, aminek hatására az elektrolitban kémiai reakció megy végbe. A klorid ionok Cl- az anódhoz vándorolnak, ott leadva elektron feleslegüket klór atommá, majd molekulává alakulnak. A réz ionok Cu2+ a katódhoz vándorolnak és az áramkörben az anód felől érkező elektronokat felvéve réz atommá, majd molekulává alakulva bevonatot képez a katódon. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik. Cl I CuCl2 + 2H2O = Cu2+ + 2Cl- + H3O+ + OH-

6 Akkumulátorok töltése
It + - Ha elektromos áram hatására kémiai folyamatok játszódnak le, de ezek a kémiai folyamatok megfordíthatóak is, akkor a szerkezet elektromos feszültséget (áramot) szolgáltatna. Ezeket a szerkezeteket akkumulátornak nevezzük. Attól függően, hogy az akkumulátor elektrolitja sav vagy lúg, savas illetve lúgos akkumulátorról beszélünk. Ahhoz, hogy az akkumulátor feszültséget (áramot) szolgáltasson, először fel kell tölteni. A töltést elektromos árammal végzik, amely az elektródákon az elektrolit segítségével kémiai reakciót eredményez. Töltés után az elektródák anyaga megváltozik. Töltéskor az akkumulátort egyenáramot szolgáltató áramforrás kapcsaira kell kötni, mint fogyasztót. Ebben az esetben az elektromos energia kémiai energiává alakul. A villamosokon általában (KOH) lúgos (Ni-Fe, vagy Ni-Cd) akkumulátorokat alkalmaznak.

7 Akkumulátorok kisütése
Lúgos és savas akkumulátorok Ik + - Az áramkivétel folyamatát kisütésnek nevezik, amikor az elektródák megváltozott anyaga folyamatosan visszaalakul a töltés előtti állapotnak megfelelően. Kisütéskor az akkumulátornak, mint áramforrásnak a kapcsaira kell fogyasztót kötni. Ebben az esetben a kémiai energia elektromos energiává alakul. Az akkumulátor időben csak korlátozott mennyiségű áramot képes szolgáltatni. Az akkumulátor kapacitása függ a töltöttségétől. Azt az Ah-ban (amperórában) mért töltést, amelyet a telep lemerüléséig le tud adni, kapacitásnak nevezik. Az akkumulátor két elektródáját az elektrolitot tartalmazó edénnyel együtt cellának nevezik. Ezeket a cellákat egymáshoz kapcsolva akkumulátortelepet kapunk. Ha a cellákat egymással sorosan kapcsoljuk, az egyes cellák feszültsége összeadódik. Ha a cellákat párhuzamosan kapcsoljuk, az egyes cellákból kivehető áramerősségek összeadódnak. A lúgos akkumulátorok a mechanikai erőhatásokra ( ütés, nyomás, rázkódás), illetve a túltöltésre kevésbé érzékenyek, mint a savas akkumulátorok, és a kisütött állapotban történő tárolást is károsodás nélkül elviselik. A villamosok üzemeltetése során a kisfeszültségű berendezések áramellátásához szükséges 24 V-os kisfeszültséget akkumulátorok biztosítják.

8 Az elektromos áram élettani hatása
kedvező kedvezőtlen az emberi élet alapjait az agyból kiinduló elektromos impulzusok biztosítják fizikoterápiás kezelések a gyógyászatban baleset- és életveszélyes emberre és állatra egyaránt A test nedvei (vér, nyál, izzadtság) mint elektrolitok, az elektromos áramot vezetik. Ha a szervezeten keresztül áram indul meg a föld felé, annak erősségétől függően izomgörcsöket, szívritmuszavart, idegrendszeri zavarokat, szívbénulást, légzésleállást okozhat. A vegyi hatása miatt megindulhat a vér bomlása. A hőhatás következtében az áram be- és kilépési pontján égési sérüléseket okozhat. A tapasztalatok alapján akár 50 mA-es áram már halált is okozhat. A fizikoterápiás kezelések kis áramerősséggel és igen nagy frekvenciával történnek. Balesetvédelem: szigeteléssel, védőburkolatokkal, a berendezések karbantartásával, munkavédelmi és biztonságtechnikai előírások betartásával, veszélyes helyek jelzésével, védőeszközök használatával, oktatással.

9 Az elektromos áram mágneses hatása
Mágnesezhető anyagok állandómágneses anyagok pl.: vasötvözetek lágymágneses anyagok pl.: vas A mágneses anyagok mágneses tulajdonságuk alapján két nagy csoportba sorolhatók. Vannak anyagok amelyek mágnesezhetők és mágneses tulajdonságukat megtartják. Ezek az állandómágneses anyagok. Vannak anyagok amelyek mágnesezhetők, de mágneses tulajdonságukat nem képesek megtartani csak nagyon kismértékben. Ezek a lágymágneses anyagok.

10 Mágneses terek kölcsönhatása
D É D É vonzás D É É D taszítás A mágnes legerősebben vonzó helyei a pólusai. A mágnesnek mindig két pólusa van. Megfigyelték, hogy ha egy mágnestűt felfüggesztenek egy fonálra, az a Föld észak-déli irányába áll be. (Ez alapján működik az iránytű.) A Föld északi sarka felé elhelyezkedő pólust „északi”, a déli sarka felé elhelyezkedőt „déli” pólusnak nevezték el. Ha két mágnest egymáshoz közelítünk azt tapasztaljuk, hogy a mágnesek vonzzák egymást. Ha az egyik mágnest megfordítjuk és így közelítjük a másikhoz, akkor azt tapasztaljuk, hogy a mágnesek taszítják egymást. Az ellentétes pólusok vonzzák, az azonosak taszítják egymást. Tehát a mágnes körül erőtér van, amit mágneses erőtérnek neveznek. É D D É taszítás

11 Állandó mágnes mágneses tere
mágnesen kívüli erővonalak É D A mágneses tér jellemzésére a mágneses erővonalakat alkalmazzák. A mágnesen kívül az erővonalak az északi pólustól a déli felé, a mágnesen belül a délitől az északi felé haladnak. A sűrűn egymás mellett futó erővonalak azt jelentik, hogy ott a mágneses erőhatás nagy. mágnesen belüli erővonalak

12 áramjárta vezető (huzal)
Mágneses tér az áramjárta vezető körül É D áramjárta vezető (huzal) I Ha egy egyenes huzalt észak-déli irányban kifeszítünk és mellé egy mágnestűt (iránytűt) helyezünk, a mágnestű is beáll az észak–déli irányba. Ha a huzalban elektromos áram folyik, azt tapasztaljuk, hogy a mágnestű (iránytű) kitér az észak-déli irányból. Ennek oka az, hogy az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér kölcsönhatásba lépett a mágnestű (iránytű) mágneses terével. Tehát az áramjárta vezető körül mágneses tér alakul ki. É D mágnestű (iránytű)

13 áramjárta vezető (huzal)
Mágneses tér az áramjárta vezető körül É D áramjárta vezető (huzal) I Ha megfordítjuk a huzalban folyó elektromos áram irányát, akkor azt tapasztaljuk, hogy a mágnestű (iránytű) ellentétes irányban mozdul el. Ennek oka az, hogy az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér iránya megváltozott. Tehát az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér iránya az áram irányától függ. Ha a huzalban folyó áram erősségét növeljük, azt tapasztaljuk, hogy a mágnestű (iránytű) a huzal irányába még jobban elmozdul. Ennek oka az, hogy az áramjárta vezető mágneses terének nagysága (térereje) növekedett. Tehát az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér nagysága az aramerősségtől függ. É D mágnestű (iránytű)

14 Áramjárta vezető mágneses tere
Egyenes vezető körül kialakuló mágneses tér iránya az úgynevezett „jobb kéz” szabály alapján meghatározható. Ha jobb kezünk hüvelyk ujját az áram folyásának irányába kinyújtjuk, a többit pedig a tenyér felé behajlítjuk, akkor behajlított ujjaink a mágneses tér irányába mutatnak. egyenes vezető mágneses tere „jobb kéz” szabály

15 Áramjárta vezető mágneses tere
Tekercs esetében a „tekercs” szabály alkalmazható. Jobb kezünk hüvelyk ujját nyújtsuk ki, a többi ujjunkat a tenyér felé hajlítsuk be és kezünket helyezzük a tekercs fölé úgy, hogy behajlított ujjaink a tekercsben folyó áram irányába mutassanak. Ebben az esetben a kinyújtott hüvelyk ujjunk a mágneses tér irányát mutatja. Ebből következik, hogy az áramjárta vezető ha tekercset képez, a tekercs körül kialakuló mágneses tér iránya megváltozik, ha megváltoztatjuk az áram irányát. A mágneses tér nagysága nem csak az áramerősségtől, hanem a tekercs meneteinek számától és a tekercs hosszától is függ. Ha a tekercs belsejébe egy jól mágnesezhető anyagot, úgynevezett lágyvasmagot helyeznek el, a mágneses tér nagysága tovább növelhető. hengeres tekercs mágneses tere „tekercs” szabály

16 8.-9. rész vége

17 A vezető anyagban áramló töltéshordozók az anyagot alkotó más részecskékkel ütköznek és energiájuk egy része hőenergiává alakul, ami a vezető anyagának melegedését okozza.

18 Ha az áramkör különböző keresztmetszetű vezető anyagain állandó erősségű áram halad át, akkor ugyanannyi idő alatt azonos töltésmennyiségnek kell áthaladnia az ”A1” és „A2” keresztmetszeten is. Ez csak úgy lehetséges, ha a töltéshordozók az „A2” keresztmetszeten egymáshoz, illetve az anyag más részecskéihez viszonyítva közelebb haladnak, mint az „A1”-en. Ebből következik, hogy a mozgó töltéshordozók a vezető anyagot is jobban melegítik. Tehát állandó erősségű áram a vékonyabb vezető anyagot jobban melegíti, mint a vastagabbat. Erre példa az izzólámpa működése, mert a vékony izzószál az összekötő vezetékhez képest olyannyira felmelegszik, hogy fehéren izzani kezd.

19 Az elektromos áram hőhatását használják ki az elektromos berendezések túláramvédelmét szolgáló olvadóbiztosító esetében. Az olvadóbiztosító legfontosabb eleme egy kis keresztmetszetű vezetőhuzal, amit olvadószálnak neveznek. Az olvadószál túl nagy áram esetén megolvad és az áram útját megszakítja. Az áram egy ideig ív formájában fenn marad, amit meg kell szakítani. Az olvadószál méreteinek pontos megválasztásával kiszámítható, hogy mekkora áramerősségnél lépjen működésbe az olvadóbiztosító. A szarvas kialakítású olvadóbiztosító esetén az ív a szarvak között felemelkedik és az egyre távolodó szarvak között megnyúlik és megszakad.

20 A porcelánházas olvadóbiztosító kiolvadásakor a rugós jelzőszem a porcelánházról leesik, így jelzi a működését. Az elektromos áram hőhatásának elvén működnek a különböző fűtőberendezések, mint a páramentesítő, vezetőfülke- és utastér fűtés. Ezekben a fűtőberendezésekben nagy elektromos ellenállású fűtőbetét található, ami az áram hatására felizzik, de nem olvad meg.

21 A másodrendű vezetőanyagok közé tartoznak a sók, savak és lúgok vizes oldata, amit elektrolitnak neveznek. Az elektrolitokban az anyag nem atomos állapotban, hanem ionos formában van jelen. A réz-klorid CuCl2 molekula felbomlik és a kémiai kötésben lévő két elektronja a klórhoz vándorolva klorid ionokat Cl- alkot, amelyek negatív töltésűek, mert elektrontöbbletük van. A réz pedig réz ionná Cu2+ alakul, amely két pozitív töltésű, mert két elektron hiánya van. Merítsünk az elektrolitba két szén elektródát és helyezzük feszültség alá. Az elektrolitba merülő elektródák közül az áramforrás „+” sarkához kapcsolódót anódnak, a „-” negatív sarkához kapcsolódót katódnak nevezzük. Az elektrolitban a töltéssel rendelkező részecskék – az ionok – vezetik az elektromos áramot, aminek hatására az elektrolitban kémiai reakció megy végbe. A klorid ionok Cl- az anódhoz vándorolnak, ott leadva elektron feleslegüket klór atommá, majd molekulává alakulnak. A réz ionok Cu2+ a katódhoz vándorolnak és az áramkörben az anód felől érkező elektronokat felvéve réz atommá, majd molekulává alakulva bevonatot képez a katódon. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik.

22 Ha elektromos áram hatására kémiai folyamatok játszódnak le, de ezek a kémiai folyamatok megfordíthatóak is, akkor a szerkezet elektromos feszültséget (áramot) szolgáltatna. Ezeket a szerkezeteket akkumulátornak nevezzük. Attól függően, hogy az akkumulátor elektrolitja sav vagy lúg, savas illetve lúgos akkumulátorról beszélünk. Ahhoz, hogy az akkumulátor feszültséget (áramot) szolgáltasson, először fel kell tölteni. A töltést elektromos árammal végzik, amely az elektródákon az elektrolit segítségével kémiai reakciót eredményez. Töltés után az elektródák anyaga megváltozik. Töltéskor az akkumulátort egyenáramot szolgáltató áramforrás kapcsaira kell kötni, mint fogyasztót. Ebben az esetben az elektromos energia kémiai energiává alakul. A villamosokon általában (KOH) lúgos (Ni-Fe, vagy Ni-Cd) akkumulátorokat alkalmaznak.

23 Az áramkivétel folyamatát kisütésnek nevezik, amikor az elektródák megváltozott anyaga folyamatosan visszaalakul a töltés előtti állapotnak megfelelően. Kisütéskor az akkumulátornak, mint áramforrásnak a kapcsaira kell fogyasztót kötni. Ebben az esetben a kémiai energia elektromos energiává alakul. Az akkumulátor időben csak korlátozott mennyiségű áramot képes szolgáltatni. Az akkumulátor kapacitása függ a töltöttségétől. Azt az Ah-ban (amperórában) mért töltést, amelyet a telep lemerüléséig le tud adni, kapacitásnak nevezik. Az akkumulátor két elektródáját az elektrolitot tartalmazó edénnyel együtt cellának nevezik. Ezeket a cellákat egymáshoz kapcsolva akkumulátortelepet kapunk. Ha a cellákat egymással sorosan kapcsoljuk, az egyes cellák feszültsége összeadódik. Ha a cellákat párhuzamosan kapcsoljuk, az egyes cellákból kivehető áramerősségek összeadódnak.

24 A lúgos akkumulátorok a mechanikai erőhatásokra ( ütés, nyomás, rázkódás), illetve a túltöltésre kevésbé érzékenyek, mint a savas akkumulátorok, és a kisütött állapotban történő tárolást is károsodás nélkül elviselik. A villamosok üzemeltetése során a kisfeszültségű berendezések áramellátásához szükséges 24 V-os kisfeszültséget akkumulátorok biztosítják.

25 A test nedvei (vér, nyál, izzadtság) mint elektrolitok, az elektromos áramot vezetik.
Ha a szervezeten keresztül áram indul meg a föld felé, annak erősségétől függően izomgörcsöket, szívritmuszavart, idegrendszeri zavarokat, szívbénulást, légzésleállást okozhat. A vegyi hatása miatt megindulhat a vér bomlása. A hőhatás következtében az áram be- és kilépési pontján égési sérüléseket okozhat. A tapasztalatok alapján akár 50 mA-es áram már halált is okozhat. A fizikoterápiás kezelések kis áramerősséggel és igen nagy frekvenciával történnek.

26 A mágneses anyagok mágneses tulajdonságuk alapján két nagy csoportba sorolhatók.
Vannak anyagok amelyek mágnesezhetők és mágneses tulajdonságukat megtartják. Ezek az állandómágneses anyagok. Vannak anyagok amelyek mágnesezhetők, de mágneses tulajdonságukat nem képesek megtartani csak nagyon kismértékben. Ezek a lágymágneses anyagok.

27 A mágnes legerősebben vonzó helyei a pólusai.
A mágnesnek mindig két pólusa van. Megfigyelték, hogy ha egy mágnestűt felfüggesztenek egy fonálra, az a Föld észak-déli irányába áll be. (Ez alapján működik az iránytű.) A Föld északi sarka felé elhelyezkedő pólust „északi”, a déli sarka felé elhelyezkedőt „déli” pólusnak nevezték el. Ha két mágnest egymáshoz közelítünk azt tapasztaljuk, hogy a mágnesek vonzzák egymást. Ha az egyik mágnest megfordítjuk és így közelítjük a másikhoz, akkor azt tapasztaljuk, hogy a mágnesek taszítják egymást. Az ellentétes pólusok vonzzák, az azonosak taszítják egymást. Tehát a mágnes körül erőtér van, amit mágneses erőtérnek neveznek.

28 A mágneses tér jellemzésére a mágneses erővonalakat alkalmazzák.
A mágnesen kívül az erővonalak az északi pólustól a déli felé, a mágnesen belül a délitől az északi felé haladnak. A sűrűn egymás mellett futó erővonalak azt jelentik, hogy ott a mágneses erőhatás nagy.

29 Ha egy egyenes huzalt észak-déli irányban kifeszítünk és mellé egy mágnestűt (iránytűt) helyezünk, a mágnestű is beáll az észak–déli irányba. Ha a huzalban elektromos áram folyik, azt tapasztaljuk, hogy a mágnestű (iránytű) kitér az észak-déli irányból. Ennek oka az, hogy az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér kölcsönhatásba lépett a mágnestű (iránytű) mágneses terével. Tehát az áramjárta vezető körül mágneses tér alakul ki.

30 Ha megfordítjuk a huzalban folyó elektromos áram irányát, akkor azt tapasztaljuk, hogy a mágnestű (iránytű) ellentétes irányban mozdul el. Ennek oka az, hogy az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér iránya megváltozott. Tehát az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér iránya az áram irányától függ. Ha a huzalban folyó áram erősségét növeljük, azt tapasztaljuk, hogy a mágnestű (iránytű) a huzal irányába még jobban elmozdul. Ennek oka az, hogy az áramjárta vezető mágneses terének nagysága (térereje) növekedett. Tehát az áramjárta vezető körül kialakult mágneses tér nagysága az aramerősségtől függ.

31 Egyenes vezető körül kialakuló mágneses tér iránya az úgynevezett „jobb kéz” szabály alapján meghatározható. Ha jobb kezünk hüvelyk ujját az áram folyásának irányába kinyújtjuk, a többit pedig a tenyér felé behajlítjuk, akkor behajlított ujjaink a mágneses tér irányába mutatnak.

32 Tekercs esetében a „tekercs” szabály alkalmazható.
Jobb kezünk hüvelyk ujját nyújtsuk ki, a többi ujjunkat a tenyér felé hajlítsuk be és kezünket helyezzük a tekercs fölé úgy, hogy behajlított ujjaink a tekercsben folyó áram irányába mutassanak. Ebben az esetben a kinyújtott hüvelyk ujjunk a mágneses tér irányát mutatja. Ebből következik, hogy az áramjárta vezető ha tekercset képez, a tekercs körül kialakuló mágneses tér iránya megváltozik, ha megváltoztatjuk az áram irányát. A mágneses tér nagysága nem csak az áramerősségtől, hanem a tekercs meneteinek számától és a tekercs hosszától is függ. Ha a tekercs belsejébe egy jól mágnesezhető anyagot, úgynevezett lágyvasmagot helyeznek el, a mágneses tér nagysága tovább növelhető.