uabooks.top

1. FEJEZET. ELEKTRODINAMIKA

1. RÉSZ. ELEKTROMOS ÁRAM

 

„Nem materiális folyadék mozgása" - bizonyára így nevezte volna el az elektromos áramot Benjamin Franklin (1706-1790) amerikai fizikus és politikus, az elektromosság első elméletének létrehozója. Ma már jól tudjátok, hogy az elektromos áram elemi részecskék mozgása, tehát a folyadékkal történő összehasonlításának is van alapja. Ebben a paragrafusban felidézzük, mi is valójában az elektromos áram, milyen feltételek között jön létre, és mely fizikai mennyiségek jellemzik.

Az elektromos áram létezésének feltételei

Megvizsgálunk egy fém vezetőt. A fémek — polikristályos anyagok, amelyek kristályrácsainak csomópontjaiban pozitív ionok találhatók; az ionok között a gázmolekulák mozgásához hasonló mozgást végezve szabad elektronok „vándorolnak” (1.1. ábra). Ha a fém vezetőben elektromos teret hoznak létre, a szabad elektronok, kaotikus mozgásukat folytatva, az elektromos tér feszültségvektorának irányával ellentétes irányban mozdulnak el, vagyis az elektronok mozgása irányítottá válik — a vezetőben elektromos áram jön létre. Az elektromos áram - az elektromos töltéssel rendelkező részecskék irányított (rendezett) mozgása.

Érthető, hogy elektromos áramot nem csak elektronok hozhatnak létre. Például az elektrolitokban az elektromos tér hatására elmozdulnak a pozitív és negatív ionok, a gázokban — az elektronok, pozitív és negatív ionok. Miért mozdulnak el a pozitív ionok az elektromos tér feszültségének irányába, a negatívok pedig - az ellenkező irányba?

Az elektromos áram létrejöttéhez és fennmaradásához a következő feltételek szükségesek:

1) szabad töltött részecskék, azaz szabad töltéshordozók jelenléte·,

2) elektromos tér jelenléte, melynek a hatása létrehozza és fenntartja a szabad töltéshordozók mozgását.

Az elektromos tér létrehozásáért az áramforrások „felelnek”. Ezek olyan berendezések, amelyek a különféle energiafajtákat elektromos energiává alakítják át. Az elektromos áramforrásokban munkavégzés történik a különböző előjelű töltések szétválasztásakor, amelynek eredményeként a forrás egyik pólusán csak pozitív, a másikon csak negatív töltések halmozódnak fel; így jön létre az elektromos tér.

A leggyakrabban használt áramforrások az elektromechanikus generátorok, amelyekben a mechanikai energia elektromossá alakul át. Az utóbbi időben egyre gyakrabban használnak napelemeket — a fény energiáját elektromossággá alakító áramforrásokat.

Milyen áramforrásokat ismertek ezenkívül? Milyen energiaátalakulások történnek azokban?

Mi az elektromos áramkör

A legegyszerűbb áramkör vezetékkel összekapcsolt áramforrásból, fogyasztóból és kapcsolóból áll.

Kapcsolási rajznak azt a rajzot nevezzük, amelyen fel van tüntetve, milyen elemekből áll az áramkör, és ezek az elemek hogyan kapcsolódnak egymáshoz.

Az elektromos áramkör néhány elemének egyezményes áramköri jelét a táblázatban láthatjátok.

Jegyezzétek meg:

• az áram irányának az áramkörben azt az irányt tekintik, amelyben a pozitív töltéssel rendelkező részecskék mozognának, vagyis az áramforrás pozitív pólusától a negatív pólusa felé;

• az áramforrás jelén a hosszú vonás a pozitív pólust, a rövid a negatívat jelöli.

Ohm törvénye az áramkör szakaszára

A vezetőben folyó áram mennyiségi leírására a következő fizikai mennyiségeket alkalmazzák: áramerősség (magát az elektromos áramot jellemzi), feszültség (az áram által alkotott tér jellemzője), ellenállás (a vezetőt jellemzi). Felidézzük őket.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. Az ábrán egy 25 m hosszú és 3,5 mm² keresztmetszetű henger alakú vezető volt-amper jelleggörbéje látható. Milyen anyagból készült a vezető?

A fizikai probléma elemzése. Hogy a vezető milyen anyagból készült, azt az ellenállásának a meghatározása után tudhatjuk meg a megfelelő táblázat segítségével (lásd az 1. függeléket).

A fém fajlagos ellenállását a henger alakú vezető ellenállásának képlete segítségével kapjuk meg. Az ellenállás Ohm törvényének felhasználásával és az I(U) függvény segítségével számítható ki. A feszültség grafikonja alapján például 2 V feszültségnek a vezetőben 10 A áramerősség felel meg.

Már nincs kétségetek afelől, hogy világunk változik és számos, jelenleg divatos szakma eltűnhet a jövőben. Vajon milyen szakmát válasszunk, hogy ne tévedjünk? Vajon szükség van az iskolai fizika tananyagára ahhoz, hogy megkapjuk a jövő szakmáihoz szükséges alapokat? Egyes jövőbeni szakmák rövid leírását megtaláljátok a tankönyv oldalain.

Robotok javítását és karbantartását végző szakember

Már a gyerekek is tudnak a robotkorszak közeledtéről. Viszont a robotoknak, ahogy egyéb gépezeteknek is, szükségük van karbantartásra: beállításra, elromlott alkatrészek cseréjére. Ennek a munkának az elvégzéséhez villanyszerelő, elektronikai és programozó szakemberekre van szükség.

A robotok száma folyamatosan növekszik, ezért nő a karbantartásukhoz értő szakemberek iránti igény is. Tehát a robotokat szerelő és karbantartó szakember a jövő egyik szakmája.

Összegezés

Elektromos áram — elektromos töltéssel rendelkező részecskék irányított (rendezett) mozgása. Az elektromos áram létrejöttéhez és fennmaradásához szükség van szabad töltött részecskékre (töltéshordozókra) és elektromos térre. Az elektromos áramkörben az áram irányának a pozitív töltésű részecskék feltételezett mozgásirányát fogadták el (az áramforrás pozitív pólusától annak negatív pólusa felé).

Az áram mennyiségi leírásához a következő fizikai mennyiségeket használják: áramerősség

szakaszfeszültség

vezető ellenállása. A

keresztmetszettel rendelkező vezető ellenállása az meg.

képlettel határozható

Ohm törvénye az áramkör szakaszára: az áramerősség egyenesen arányos a szakaszok végpontjai közötti feszültséggel és fordítottan arányos a szakasz

ellenállásával:

Ellenőrző kérdések

1. Mi az elektromos áram? Mik a létrejöttének és fennmaradásának feltételei? 2. Milyen berendezéseket nevezünk áramforrásoknak? Mondjatok példákat!

3. Rajzoljátok le, hogyan jelölik a kapcsolási rajzokon a galvánelemet; reosztá-tot; ampermétert,■ voltmétert,■ kapcsolót! Mire szolgálnak ezek a berendezések?

4. Mit fogadtak el az áram irányának az áramkörben? 5. Jellemezzétek a következő fizikai mennyiségeket: áramerősség az áramkörben; feszültség az áramkör szakaszán; vezető ellenállása; fajlagos ellenállás! 6. Fogalmazzátok meg Ohm törvényét az áramkör szakaszára!

1. gyakorlat

1. Mondjatok példákat áramforrásokra! Milyen energiaátalakulások mennek bennük végbe?

2. A vasaló 220 V feszültségre rákapcsolt fűtőszálán 0,5 s alatt 300 C töltés haladt át. Határozzátok meg a fűtőszál ellenállását és a rajta áthaladó áram erősségét!

Az ábrán egy 0,2 mm² keresztmetszetű nikróm huzal volt-amper jelleggörbéje látható. Határozzátok meg a huzal hosszát!

4. Szerintetek mi a közös a folyadék áramlásában és az elektromos áramban? Milyen hasonló fizikai mennyiségek jellemzik a folyadék mozgását és az áramerősséget; feszültséget; ellenállást; töltést?

5. Miért írják naggyal az áramerősséget, feszültséget és ellenállást jelölő írásjeleket? Kinek a tiszteletére lettek elnevezve ezek az egységek? Milyen felfedezéseket tettek ezek a tudósok?

Fizika és technika Ukrajnában

Borisz Jevhenovics Paton (szül. 1918) - ukrán tudós, akinek a világhírt az elektromos ívhegesztésben végzett kutatásai hozták meg. 1953-ban Borisz Paton lett az J. O. Paton nevét viselő Elektromos Hegesztési Intézet (Kijev) igazgatója. A tudós vezette azokat a kutatásokat, amelyek eredményeként létrehozták az elektrosalakos folyamatot a rozsdamentes anyagok minőségi hegesztésére. Paton kezdeményezésére kezdtek el hegeszteni az űrben. Ő vezette be az emberi bőrszövetek műtét utáni hegesztését. Ezzel a módszerrel sok ezer beteg életét mentették meg, és napjainkban ezt az egész világon alkalmazzák.

1962-től B. Paton az Ukrán Nemzeti Tudományos Akadémia (UNTA) elnöke.

A tudós 2018-ban ünnepelte 100. születésnapját. Ebből az alkalomból az UNESCO Arisztotelész Aranyéremmel tüntette ki, ami mellé számos ország állami kitüntetéseit is megkapta.

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev