Fizika: Az elektromos egyenáram

Az elektromos áramlás létrejöttének feltétele az, hogy legyenek szabad töltéshordozók, és (ha a közeg ellenállása nem nulla), hogy legyen jelen elektromos mező. Az elektromos áram irányán – egy régi megállapodás alapján – a pozitív töltéshordozók áramlási irányát (vagy a negatív töltéshordozók áramlásával ellentétes irányt) értjük.

Elektromos töltéshordozók meghatározott irányú rendezett mozgását elektromos áramnak nevezzük, és azt az áramerősséggel (I) jellemezzük. Az áramerősség mértékegysége amper, jele A.

Erősebb elektromos áramról beszélünk, ha az áramlási keresztmetszeten

• ugyanannyi idő alatt több az átáramlott részecskék együttes töltése, vagy
• ugyanannyi össztöltésű részecske kevesebb idő alatt áramlik át.

A feszültség mértékegysége a volt, jele V. Az elektromos tér két pontja között 1 V a feszültség, ha 1 C töltést 1 J munkával vihetünk át egyik pontból a másikba.

Egy hosszú fémes vezetőn az áram erőssége és a két végpont közötti feszültség egyenes arányosságot mutat: U/I= cons. 

Az állandó értéke független a fogyasztóra kapcsolt feszültségtől vagy a rajta átfolyó áramtól, így kizárólag az adott fogyasztóra jellemző. Neve elektromos ellenállás, jele: R. Az ellenállás egysége az ohm, jele Ω. 

Az elektromos fogyasztók munkát végeznek, bennük az elektromos energia más energiává alakul át (pl.: az izzólámpánál fény- és hőenergiává, a vasalónál hőenergiává stb.). Fogyasztók összehasonlítására rendszerint az időegység alatt végzett munkát, a teljesítményt használhatjuk, jele P. A teljesítmény mértékegysége a watt, jele W.

Szigetelők, vezetők

A szilárd testek általában – akár szigetelők, akár vezetők – kristályosak, tehát rácsszerkezettel rendelkeznek. Az atomok magjai pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek, rögzített távolságban állnak egymástól. A rács pozitív töltését a negatív töltésű elektronok semlegesítik. 

A szigetelőkben az elektronok atomhoz kötöttek: kis erő hatására szabadon nem mozoghatnak. A fémes vezetőkben az elektronok egy része nem atomhoz, hanem a rácshoz tartozik, ezek már kis erő hatására a rácson belül szabadon mozoghatnak. Ezek az úgynevezett vezetési elektronok eredményezik a fémek jó vezetőképességét.

szigetelő

vezető

Az elektromos áram hő-, kémiai, mágneses, és biológiai és hatásairól beszélhetünk. Ezen hatásokból következik az elektromos áram felhasználása, mérése, vagy esetleges káros hatása.

Az elektromos áram hőhatása

A vezetőn átfolyó elektromos áram a vezetőt kisebb-nagyobb mértékben felmelegíti. Az elektromos energia szinte teljes mennyiségében hővé alakulhat.

Ha az R ellenállású vezetőn I erősségű áram folyik át t idő alatt, akkor környezetének Q=I^2∙R∙t hőmennyiséget ad át. (Ha növeljük az ellenállást, akkor kevesebb hő fejlődik, mivel az áramerősség csökken. Az áramerősség csökkenését négyzetesen vesszük figyelembe.)

A hőhatás gyakorlati alkalmazásai: a hőelektromos készülékek (elektromos főzőlapok, hősugárzók), az olvadóbiztosító, ívhegesztés stb.

Az elektromos áram kémiai hatása

Ha az elektrolitba két szilárd vezetőt - elektródát - helyezünk, és egyenáramot kapcsolunk rá, akkor azt tapasztaljuk, hogy az oldott vegyület alkotórészei az elektródákon kiválnak. Réz-klorid (CuCl2) esetén a negatív póluson (katód) rézbevonat keletkezik, a pozitív póluson (anód) klórgáz fejlődik.

(A folyamat során a pozitív ionok (Cu2+) a negatív pólushoz vándorolnak, és ott elektronokat felvéve, semlegesítődnek. A negatív ionok (Cl-) a pozitív elektródhoz vándorolnak, és elektronleadással semlegessé alakulnak. A semlegesítődött alkotórészek az oldatból kiválnak.)

Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezzük.

Az elektrolízist fémbevonatok készítésére (krómozás, nikkelezés), fémek tisztítására, alumínium előállítására stb. használják.

Az elektromos áram mágneses hatása

Kísérleti tapasztalat szerint az árammal átjárt vezető közelében elhelyezett mágnestű kitér eredeti helyzetéből. Ha az áram irányát megfordítjuk, a kitérés ellenkező irányú lesz.

A vezetőben folyó áram maga körül mágneses erőteret létesít. Lényegesen nagyobb az erőhatás a több menetből álló áramjárta tekercs körül. A kialakult mágneses teret vasreszelékkel tehetjük láthatóvá.

Azt a teret, ahol a mágneses erők hatnak, mágneses erőtérnek nevezzük. Minden mágnest vagy árammal átjárt vezetőt mágneses erőtér vesz körül.

Egy kísérletben mágnesességtől elzárt egerek a következő tüneteket mutatták: rövidebb élettartam, szövetszaporodás (ez nem feltétlenül rosszindulatú), terméketlenség, kannibalizmus, helyzetérzékelési zavarok.

Az áram biológiai hatása

Az áram élő szervezetre gyakorolt hatása elsősorban abból következik, hogy a szervezet izomrostjai villamos töltések hatására összehúzódnak. Nagyobb áramlökés (töltésmennyiség) az izmok olyan görcsös összehúzódását is okozhatja, amely fájdalomérzettel vagy kifejezetten izomgörccsel jár.

Az áramütéses baleset súlyosságát és következményeit az áramerősség (amely az emberi test ellenállásából következik), az árambehatás időtartama, az áram útja, az áramnem, és az áram frekvenciája befolyásolja.

Az áramütéses balesetek következménye lehet izomgörcs, rövid ideig tartó eszméletvesztés, légzésbénulás, szívbénulás, idegrendszeri, hallószervi és látási károsodások.

A villamos sérülések sokfélék lehetnek: bőrsérülés, égési sebek, izmok és inak görcsös összehúzódásából adódó beszakadások, repedések, törések.

Vegyi hatás szempontjából az egyenáram a veszélyesebb, mert megbontja a szervezet egyensúlyban levő kémiai összetételét. Ennek eredménye súlyos mérgezés lehet.

Luigi Galvani (1737 – 1798) olasz fiziológus, orvos, az elektromosságtan egyik megalapítója.

Foglalkozott a békák anatómiájával és az elektrofiziológiával. Galvani azt hitte, felfedezte az állati elektromosságot, mert az idegeket és izmokat ellentétes elektromosság tölti fel, s ennek kisülése okozza az összerándulást. Feltételezte, hogy a közvetítő anyag, „elektromos fluidum” kiválasztásában az agy játssza a főszerepet, az idegek vezetik azt az izomszövetbe.

Gróf Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 – 1827) olasz fizikus, az elektromos áram elméletének kidolgozója, a víz elektrolízisének felfedezője és a kénsavoldatba merülő cink- és rézelektródból álló Volta-elem (galvánelem) feltalálója. A volt mértékegység róla kapta a nevét.

Volta találmányai:

• Volta-elem,
• az elektrofór (sztatikus villamosságot előállító eszköz),
• az eudiométer (a levegőben foglaltató oxigén és nitrogén viszonya vizsgálatára),
• a szalmaszál-elektrométer.

André-Marie Ampère (1775 – 1836) francia fizikus, kémikus, matematikus. Nevét őrzi az áramerősség SI-mértékegysége, az amper. Ampère-t nevezik az elektrodinamika Newtonjának.

Az elektrodinamika megteremtője. Az elektromos áram és az általa keltett mágneses tér erőssége között fennálló összefüggés az ún. Ampère-féle gerjesztési törvény. Ugyancsak a nevét viseli az Ampère-féle balkéz-(vagy úszó-) szabály, amely a vezető árama által keltett mágneses tér irányát határozza meg. Továbbá az ő nevéhez fűződik az elektromágnes föltalálása is.

Michael Faraday (1791 – 1867) angol fizikus és kémikus, az elektrotechnika nagy alakja.Ő találta fel a később Bunsen-égő néven ismertté vált hőforrás első változatát. A kapacitás SI egysége, a farad róla kapta a nevét, valamint a Faraday-állandó, ami egy mol elektron töltését jelenti (kb. 96 485 coulomb).

Kimutatásai megalapozták azt a tényt, miszerint egy változó mágneses tér elektromos mezőt hoz létre. Faraday aztán ezt az elvet arra használta, hogy megalkossa az elektromos dinamót, a modern generátor elődjét.

Felfedezte a benzolt, illetve a cseppfolyós gázok közül a klórt, valamint feltalálta az oxidációs számok rendszerét.