Elektromos áram U Volta = R Ohm I Ampére.

Az előadások a következő témára: "Elektromos áram U Volta = R Ohm I Ampére."— Előadás másolata:

1 Elektromos áram U Volta = R Ohm I Ampére

2 Elektromos áram Elektromos mezőben az elektromos töltésekre erő hat. Az erő hatására az elektromos töltések elmozdulnak, a mező munkát végez. A töltéshordozók meghatározott irányú rendezett mozgását elektromos áramnak nevezzük. Az áram irányán a pozitív részecskék áramlási irányát értjük. Erősebb elektromos áramról beszélünk, ha az áramlás keresztmetszetén ugyanannyi idő alatt több az átáramlott részecskék együttes töltése, vagy ugyanannyi össztöltésű részecske kevesebb idő alatt áramlik át.

3 Áramkör részei Állandó elektromos áramot áramkörrel hozunk létre, amelynek fő részei: az áramforrás, a vezető, a fogyasztó és a kapcsoló. A vezető belsejében az elektromos mező felgyorsítja a szabad elektronokat (mező-elektron kölcsönhatás). Az elektronok a fémrács helyhez kötött ionjaival ütközve lelassulnak, miközben azokat élénkebb rezgésbe hozzák (elektron-rácsion kölcsönhatás). A felmelegedett vezető hőt ad le környezetének (vezető-környezet kölcsönhatás).

4 Az áramforrás A töltéshordozók áramlását az áramforrás biztosítja. Ennek hiányában a töltéskülönbség kiegyenlítődése nagyon gyorsan végbemenne. Az áramkörben körbeáramlanak a töltéshordozók. Az áramforráson kívül az elektromos mező mozgatja a töltéshordozókat, míg az áramforráson belül az elektromos mező erőhatásával szemben, az áramforrásban tárolt valamilyen fajta belső energia felhasználásával mozognak tovább a töltéshordozó részecskék.

5 Az elektromos áram hatásai
Az elektromos áramot általában hő-, fény-, kémiai, mágneses vagy élettani hatásai alapján észleljük. Kémiai hatás Élettani hatás Fényhatás Mágneses hatás Hőhatás

6 Az áramerősség A vezető keresztmetszetén átáramló töltés mennyisége egyenesen arányos az eltelt idővel. Q~t A két mennyiség hányadosa állandó, és alkalmas az elektromos áram erősségének jellemzésére. Ampére Az áramerősség a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó töltésmennyiség. Jele:I

7 Ampermérő és voltmérő Az áramerősséget ampermérővel mérjük. Az ampermérőt a fogyasztóval sorosan kötjük az áramkörbe, hogy a fogyasztón átfolyó áram az ampermérőn is átfolyjon. A feszültséget voltmérővel mérjük. A voltmérőt a fogyasztóval párhuzamosan kötjük az áramkörbe, hogy a fogyasztón eső feszültség megegyezzen a voltmérő feszültségével.

8 Ohm törvénye Ohm Animáció
A fogyasztón átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a fogyasztón eső feszültséggel. A két mennyiség hányadosa állandó, a fogyasztóra jellemző fizikai mennyiség. Alkalmas a fogyasztó töltésáramlást akadályozó hatásának mennyiségi jellemzésére. Ohm Animáció A fogyasztón eső feszültség és a fogyasztón átfolyó áram hányadosa a fogyasztó ellenállása. Jele:R

9 Fémes vezető ellenállása
Hosszabb vezetőben ugyanakkora feszültség kisebb térerősséget eredményez. A gyengébb elektromos mező kisebb áramerősséget hoz létre. Ezért a vezető ellenállása egyenesen arányos a vezető hosszával: R~l Ha nagyobb a vezető keresztmetszete, akkor nagyobb felületen tud eloszolni az áramló töltés. Ezért a vezető ellenállása fordítottan arányos a vezető keresztmetszetével: R~1/A Az anyagi minőséggel változik az áramlásra képes elektronok száma és a vezető töltésáramlást akadályozó tulajdonsága is. Ezért a vezető ellenállása függ az anyagi minőségtől. A vezető ellenállása: ahol r a vezető fajlagos ellenállása. Mértékegysége:

10 Az ellenállás hőmérsékletfüggése
A fémes vezetők ellenállása függ a hőmérséklettől. Magasabb hőmérsékleten a fémkristály kötött részecskéinek erőteljesebb rezgése nagyobb akadályt jelent az áramló elektronok számára. A hőmérsékletváltozás következtében létrejövő ellenállás-változás egyenesen arányos a hőmérséklet-változás és a nulla fokon mért ellenállás szorzatával, az arányossági tényező az -val jelzett hőfoktényező. A vezetők ellenállásának hőmérséklettől való függése lehetőséget biztosít olyan magas hőmérséklet mérésére, amelyeket hagyományos hőmérőkkel már nem lehet megmérni.

11 Elektromos munka és teljesítmény
Az elektromos mező mozgatja az elektronokat a fémrács akadályozó hatásával szemben. Az elektronok a mezőtől kapott energiát a fémrács ionjaival ütközve leadják a fogyasztónak. A felmelegedett fogyasztó hőt ad le a hidegebb környezetének. Az elektromos mező munkája: Az elektromos mező teljesítménye: Az elektromos mező által végzett munka megegyezik a fogyasztó által leadott hőmennyiséggel.

12 Soros kapcsolás Sorosan kapcsolt fogyasztók között nincsen áramelágazás, ezért minden fogyasztón ugyanolyan erősségű áram halad keresztül: Soros kapcsolásnál az áramforrás feszültsége egyenlő a fogyasztók feszültségeinek összegével: A sorba kapcsolt ellenállások eredő ellenállása az összetevő ellenállások összege:

13 Párhuzamos kapcsolás Párhuzamosan kapcsolt fogyasztók feszültsége megegyezik az áramforrás feszültségével: A főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágakban folyó áramok összegével: Az eredő ellenállás reciproka megegyezik a részellenállások reciprokainak összegével:

14 Áramforrás modellezése
Az áramkörben a töltések áramlását nemcsak az áramforráson kívüli vezető, hanem az áramforráson belül, az áramforrás anyaga is akadályozza. Az áramforrásnak van belső ellenállása. Az áramforrást úgy modellezhetjük, hogy a kapcsai (kivezetései) között van egy állandó U0 üresjárási feszültséget biztosító feszültségforrás és egy állandó Rb belső ellenállás, amely sorosan kapcsolódik az Rk külső ellenállással. U0=Uk+Ub ahol U0 az áramforrás üresjárási feszültsége, Uk a kapocsfeszültsége. Ohm törvénye teljes áramkörre:

15 Feladat Egy áramkörben 24 Ω -os és 72 Ω -os fogyasztókat kapcsoltunk sorba. A kisebb ellenállású fogyasztón 1,5 V-os feszültséget mértünk. Határozzuk meg a másik fogyasztó és az áramforrás feszültségét és az áramkörben folyó áram erősségét! Számolás: Adatok: Képlet: Az áramerősség 62,5mA, a másik fogyasztó feszültsége 4,5V, az áramforrás feszültsége 6V. Válasz:

16 Feladat 6 V-os áramforrás áramkörében egy ismeretlen ellenállású fogyasztóval sorosan kapcsolunk egy 5 ohm belső ellenállású ampermérőt. Az ampermérő 150 mA-es áramerősséget mutat. Mennyi a fogyasztó ellenállása? Számolás: Adatok: Képlet: A fogyasztó ellenállása: 35Ω Válasz:

17 Feladat Az ábra szerinti kapcsolásban az A1 ampermérő 40 mA-es, az A2 ampermérő 6,8 mA-es áramerősséget mutat. Mennyi az ismeretlen R2 ellenállás? Mekkora teljesítményt ad le az áramforrás? Adatok: Számolás: Képlet: Az ismeretlen ellenállás: 588Ω és az áramforrás teljesítménye: 0,187W. Válasz:

18 Feladat Számítsuk ki az áramkörben az ismeretlen áramerősségeket és feszültségeket! Képlet: Adatok: Számolás: A feszültség: 12V, a mellékágak áramerősségei: I1=0,6A és I2=0,4A. Válasz:

19 Feladat Egy 24 Ω , egy 60 Ω és egy 18 Ω ellenállású izzót az ábra szerint egy 6 V-os telepre kapcsoltunk. Számítsuk ki a kapcsolásban szereplő izzók eredő ellenállását és az áramforrás teljesítményét! Adatok: Képlet: Számolás: Válasz: Az eredő ellenállás: 14,8Ω, az áramforrás teljesítménye: 2,43W

20 Feladat Egy 24 Ω , egy 60 Ω és egy 18 Ω ellenállású izzót az ábra szerint egy 6 V-os telepre kapcsoltunk. Számítsuk ki a kapcsolásban szereplő izzók eredő ellenállását és az áramforrás teljesítményét! Adatok: Képlet: Számolás: Válasz: Az eredő ellenállás: 35,14Ω, az áramforrás teljesítménye: 1,02W

21 Elektromos áram folyadékokban
Az elektrolitok (bázisok, savak, sók vizes oldatai) vezetik az elektromos áramot. Az oldódás során a molekulák ionokra bomlanak. Az elektrolitokban, a fémektől eltérően, nem az elektronok, hanem a pozitív és negatív ionok a töltéshordozók. Az áramforrás elektromos mezőjének hatására a pozitív ionok a negatív elektród (a katód), a negatív ionok a pozitív elektród (az anód) felé vándorolnak, az elektródokon semlegesítődnek és kiválnak. Az elektródokon történő anyagkiválás az elektrolízis.

22 Galvánelem A különböző anyagú elektródok elektrolitba merülésekor áramforrás, galvánelem keletkezik. Elektrolízis során az azonos anyagú elektródok felületükön eltérő minőségűvé válnak, tehát az elektrolízis alkalmas galvánelem előállítására. Ez történik az akkumulátorok töltésénél. Az akkumulátorok használatakor fordított folyamat játszódik le. Ilyenkor a töltés során az akkumulátorban felhalmozott kémiai energia visszaalakul elektromos energiává.

23 Millikan-kísérlet Az elektrolízis törvényeiből következtettek először arra, hogy az elektromosságnak is van elemi mennyisége, a q = 1,6⋅10−19 C Az elemi töltés pontos meghatározása Millikan nevéhez fűződik. Millikan vízszintes kondenzátorlemezek közé porlasztással olajcseppeket juttatott, amelyek a porlasztás során elektromosan feltöltődtek. A cseppek mozgását mikroszkóppal követte, és a rájuk ható erők figyelembevételével kiszámította a töltésüket.

24 Feladat Vízszintes helyzetű, egymástól 2 cm távolságra lévő kondenzátorlemezekre 3419 V feszültséget kell kapcsolni, hogy a közöttük elhelyezkedő 3⋅10−12 kg tömegű olajcsepp éppen lebegjen. Hány elektronnyi töltéssel rendelkezik az olajcsepp? Adatok: Képlet: Számolás: Az olajcsepp 1076 elektron töltésével rendelkezik. Válasz:

25 Elektromos áram gázokban
A levegőt általában jó elektromos szigetelőnek tartjuk, egyébként nem mernénk a nagyfeszültségű távvezetékek közelébe menni. De tudjuk azt is, hogy a szalaggenerátor elektródái közötti szikrakisülés a levegőben folyó elektromos áramot jelent. Elektromos áram a villám is, amelynél az áramerősség a A értéket is elérheti. A levegő tehát vezetőként és szigetelőként egyaránt viselkedhet.

26 Elektromos áram gázokban
A gázok áramvezetése akkor válik jelentőssé, ha bekövetkezik az úgynevezett ütközési ionizáció. Ekkor az elektromos mező a jelen lévő töltéshordozókat annyira felgyorsítja, hogy azok a semleges atomokkal, molekulákkal ütközve ion-elektron párokat keltenek, amelyek szintén felgyorsulnak és ionizálnak és így tovább. Az ütközési ionizáció lavinaszerű folyamat, amely biztosítja a töltéshordozók utánpótlását.

27 Elektromos áram gázokban
A gázok ütközési ionizációjának jellemző kísérőjelensége a gáz fénykibocsátása. A gázok áramvezetésének gyakorlati alkalmazásai általában a fényhatásokkal függenek össze.

28 Elektromos áram gázokban
Légüres térben csak akkor folyhat elektromos áram, ha oda kívülről töltéshordozókat juttatunk. Ez gyakorlatilag úgy valósítható meg, hogy a zárt csőbe nyúló negatív fémelektródot (katódot) elektronkibocsátásra kényszerítjük. A légüres tér vezetővé tételének egyik módja a termikus emisszió, amelynél az elektromos árammal felizzított katód bocsátja ki az elektronokat. A vákuumot vezetővé tehetjük fotoemisszió útján is. Ilyenkor fény hatására lépnek ki elektronok a katódból. A hidegemisszió során fémbe ütköző felgyorsított töltéshordozók löknek ki elektronokat a kristályrácsból.

29 Elektromos áram félvezetőkben
A félvezető anyagok elektromos vezetőképességük alapján a fémek és a szigetelők közé sorolhatók. Alacsony hőmérsékleten és sötétben szigetelőként viselkednek, megvilágításra vagy melegítésre vezetővé válnak. Félvezető anyagok például a szilícium, a germánium és a szelén.

30 Elektromos áram félvezetőkben
Ha a Si-kristályt 5 vegyértékű foszforral szennyezzük, n-típusú félvezető jön létre. Ha a Si-kristályt 3 vegyértékű bórral szennyezzük, p-típusú félvezető jön létre.

31 Egyrétegű félvezető A fotoellenállásnál a megvilágításra, a termisztornál a melegítésre bekövetkező ellenállás-csökkenést hasznosítják. Különböző fény- vagy hőérzékelő műszerek, automata berendezések fontos alkatrészei.

32 Kétrétegű félvezető A dióda egy p- és egy n-típusú félvezető rétegből áll. A p- és az n-réteg találkozásánál a negatív elektronok és a pozitív lyukak semlegesítik egymást. Ezáltal egy szigetelő határréteg alakul ki. Záró irányú kapcsolásnál az n-réteghez az áramforrás pozitív, a p-réteghez az áramforrás negatív pólusát kötjük, a határréteg kiszélesedik, a dióda nem vezeti az áramot. Nyitó irányú kapcsolásnál a p-réteghez kapcsoljuk a pozitív pólust, n-réteghez a negatív pólust, a határréteg szigetelő jellege megszűnik, a dióda vezeti az áramot. A dióda felhasználható a váltakozó feszültség egyenirányítására.

33 Háromrétegű félvezető
A tranzisztor három rétegének elnevezése: emitter (E), bázis (B) és kollektor (C). A rétegek jellegétől függően van pnp­tranzisztor és npn-tranzisztor. A kétféle típus működési elve és felhasználása is hasonló. A tranzisztorokat az elektrotechnikában széles körben felhasználják áramváltozások felerősítésére.

34 Integrált áramkör A technika mai szintjén a tranzisztorokat, más áramköri alkatrészekkel (dióda, ellenállás, kondenzátor stb.) együtt rendszerint egymástól elválaszthatatlanul, kis szilíciumlapon alakítják ki a félvezető kristály különböző típusú, mértékű és formájú szennyezése útján. Ez az integrált áramkör (IC). Egy mm2 nagyságrendű félvezető lapka akár milliónyi integrált alkatrészt is tartalmazhat.

35 Gondolkodtató kérdések
Kérdés: Lapos cink-, illetve rézlemezhez feszültségmérőt csatlakoztattak. Ha a két lemezt egyszerre ugyanabba a krumpliba szúrják, akkor a műszer feszültséget jelez. Hogyan magyarázható a tapasztalat? Válasz: A krumpliba szúrt cink– és rézlemez galvánelemet alkot. A krumpli sejtnedvei jelentik az elektrolitot, amibe ha két különböző fémlemez merül, akkor a lemezek közötti feszültséget az érzékeny műszer mutatja. Kérdés: Az elektromos energiát sok területen akkumulátorokban tárolják. Mi az ólomakkumulátor működésének az alapja? Válasz: Az akkumulátorok egyenfeszültségű feszültségforrások. Az akkumulátorok működési elve megegyezik a galvánelemekével, ha azonban a használat során kimerülnek, akkor megfelelő irányú árammal újratölthetők.

36 Gondolkodtató kérdések
Kérdés: Miért műanyagból vannak a vezetékek szigetelőanyagai? Válasz: Olyan anyagot kell választani, amelyekben nincs töltéssel rendelkező, elmozdítható részecske. Ezen kívül még jól formálható és olcsón előállítható anyag szükséges. A műanyagok rendelkeznek ezekkel a tulajdonságokkal. Kérdés: Milyen fémekből célszerű készíteni az elektromos vezetékeket? A választ indokoljuk! Válasz: Az elektromos vezetékeket olyan fémekből célszerű készíteni, amelyek az elektromos áramot jól vezetik és alacsony az áruk. Vezetőképesség szempontjából legjobb az ezüst, majd a vörösréz és végül az alumínium. Ár tekintetében fordított a sorrend, és magas ára miatt az ezüst nem jön számításba.

37 Gondolkodtató kérdések
Kérdés: Miért lehet ugyanazt a műszert áramerősség és feszültség mérésére is használni? Válasz: A műszer mindenképpen a rajta átfolyó áramerősségét méri, de az áramerősség helyett a vele arányos U=I·Rb feszültséget jelzi a műszer, ahol Rb a mérőműszer saját belső ellenállása. Kérdés: Mi az oka annak, hogy az izzólámpák rendszerint a bekapcsolás pillanatában égnek ki? Válasz: A kicsi hidegellenálláson induló nagy áramerősség és a gyors felmelegedés okozza a kiégést.

38 Gondolkodtató kérdések
Kérdés: Miért nem melegszik fel a vasalózsinór, annak ellenére, hogy rajta ugyan olyan erősségű áram folyik, mint a vasalóban izzó fűtőszálon? Válasz: A fűtőszál ellenállása sokkal nagyobb, mint a vasalózsinóré, ezért az elektromos teljesítmény is a fűtőszálon keletkezik. A vasalózsinórra jutó elektromos teljesítmény elhanyagolható. Kérdés: Miért világít gyengébben az autó fényszórója, amikor az indítómotort bekapcsoljuk? Válasz: Indításkor nagy az áramfelvétel. A nagy áramerősség megnöveli a belső ellenálláson eső feszültséget, így a kapocsfeszültség lecsökken, a fényszóróra kisebb teljesítmény jut.

39 Feladat Normál állapotú levegőben közelítően 10-6 m az elektron szabad úthossza és J a molekulák ionizációs energiája. Mekkora térerősség esetén képes az elektron ionizálni? Adatok: Képlet: Számolás: Válasz: Az ütközési ionizáció 6,25·106 V/m térerősségnél indul be.

40 Ismétlő kérdések Kérdés: Értelmezd az áramerősség fogalmát!
Válasz: Az áramerősség a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó töltésmennyiség. Jele:I. Mértékegysége: A (amper)

41 Ismétlő kérdések Kérdés: Írd le Ohm törvényét!
Válasz: A fogyasztón átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a fogyasztón eső feszültséggel.

42 Ismétlő kérdések Kérdés: Írd le az elektromos ellenállás fogalmát!
Válasz: A fogyasztón eső feszültség és a fogyasztón átfolyó áram hányadosa a fogyasztó ellenállása. Jele:R. Mértékegysége:  (ohm)

43 Ismétlő kérdések Kérdés: Mitől függ a fémes vezető ellenállása?
Válasz: A fémes vezető ellenállása egyenesen arányos a vezető hosszával (l) és fordítottan arányos a keresztmetszetével (A). Az arányossági tényező az anyagi minőségre jellemző fajlagos ellenállás ().

44 Ismétlő kérdések Kérdés: Hogyan függ a fémes vezető ellenállása a hőmérséklet megváltozásától? Válasz: A hőmérsékletváltozás következtében létrejövő ellenállás-változás egyenesen arányos a hőmérséklet-változás és a nulla fokon mért ellenállás szorzatával, az arányossági tényező az -val jelzett hőfoktényező.

45 Ismétlő kérdések Kérdés: Értelmezd Ohm törvényét teljes áramkörre!
Válasz: Az áramforrást úgy modellezhetjük, hogy a kapcsai (kivezetései) között van egy állandó U0 üresjárási feszültséget biztosító feszültségforrás és egy állandó Rb belső ellenállás, amely sorosan kapcsolódik az Rk külső ellenállással. U0=Uk+Ub ahol U0 az áramforrás üresjárási feszültsége, Uk a kapocsfeszültsége. Ezért Ohm törvénye teljes áramkörre:

46 Ismétlő kérdések Kérdés: Mit nevezünk félvezetőnek? Írj rá példát is!
Válasz: A félvezető anyagok elektromos vezetőképességük alapján a fémek és a szigetelők közé sorolhatók. Alacsony hőmérsékleten és sötétben szigetelőként viselkednek, megvilágításra vagy melegítésre vezetővé válnak. Félvezető anyagok például a szilícium, a germánium és a szelén.

47 Ismétlő kérdések Kérdés: Mit nevezünk diódának, és mire használható?
Válasz: A dióda egy p- és egy n-típusú félvezető rétegből áll. A p- és az n-réteg találkozásánál a negatív elektronok és a pozitív lyukak semlegesítik egymást. Ezáltal egy szigetelő határréteg alakul ki. A dióda felhasználható a váltakozó feszültség egyenirányítására.

48 lmet! Köszönöm a figye