Transcript Testek elektromos állapota

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
André-Marie Ampère
Georg Simon Ohm
Thomas Alva Edison
(1775 – 1836)
(1789-1854)
(1847-1931)
francia fizikus,
német fizikus és matematikus amerikai üzletember,
kémikus, matematikus
feltaláló;
Alessandro Volta
(1745 – 1827)
olasz fizikus
Michael Faraday
( 1791- 1867)
angol fizikus és kémikus
Alexander Graham Bell
( 1847 1922 )
amerikai fizikus
Nikola Tesla
(1856 – 1943)
fizikus, feltaláló
Elektromos
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.
alapjelenségek
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.
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
•
• után
előtt
Ebonit rúd
szőrme
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.
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 előállítá
sára 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.
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
Charles Augustin Coulomb
(1736 – 1806 )
francia fizikus
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.
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.
s2
A
A2
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.
Pieter van Musschenbroek
holland fizikus, matematikus
(1692 – 1761)
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.
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.
Q
C
U
U : a két vezető közötti
feszültség(potenciálkülönbség)
Jele: C
Faraday tiszteletére a kapacitás
mértékegysége a farád.
1F = 1 C/V
Q : a lemezekre felvitt töltés mennyisége
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
C=C1+C2 +Cn
Soros kapcsolás
1/C=1/C1+1/C2 + 1/Cn