16. Feszültség, áramerősség és ellenállás mérés
16. Feszültség, áramerősség és ellenállás mérés
A mérés mindig beavatkozás, ezért a mérőeszköz megváltoztatja a vizsgált fizikai mennyiséget. A cél az, hogy ez a zavaró hatás minél kisebb legyen.
Mérőeszköz hatása
A hőmérő tömege hőt von el a vízből → a mért hőmérséklet kisebb a valóságosnál. Az elektromos mérőműszerek az áramkört módosítják → a mért áram vagy feszültség eltérhet a valóditól.
Ampermérő
Az ampermérőt sorosan kapcsoljuk a fogyasztóval. A műszer belső ellenállása ( RA ) hozzáadódik a fogyasztó ellenállásához, így csökkenti az áramot .
Ideális ampermérő:
RA = 0 Ω → nem változtatja meg az áramkört.
Valóságos pontos mérés feltétele:
RA ≪ R (a fogyasztó ellenállásánál sokkal kisebb belső ellenállás).
Voltmérő
A feszültséget mindig két pont között mérjük, ezért a voltmérőt párhuzamosan kapcsoljuk a vizsgált fogyasztóval. A párhuzamos kapcsolás miatt a műszer egy új áramutat hoz létre, így a mérés megváltoztatja az eredeti áramkört.
⚡ A voltmérő hatása a mérésre
A voltmérőn átfolyó áram csökkenti a fogyasztón átfolyó eredeti áramot.
Ezért a mért feszültség eltérhet a valóditól, ha a műszer belső ellenállása nem elég nagy.
🔌 Ideális és valós voltmérő
Ideális voltmérő: belső ellenállása végtelen nagy → nem folyik rajta áram → nem zavarja a hálózatot.
Valós pontos mérés feltétele: a voltmérő belső ellenállása nagyon nagy legyen a fogyasztó ellenállásához képest: RV ≫ R
📏 Miért működik így?
A voltmérő valójában áramot mér, és a rajta átfolyó áram nagysága arányos a feszültséggel. A skáláját ezért lehet feszültségre kalibrálni.
🔧 Multiméter
A modern multiméterek egy műszerben mérik:
áramerősséget
feszültséget
ellenállást
A digitális kijelzésű műszerek közelebb állnak az ideális mérőműszerhez, mert kisebb a mérési hibájuk és könnyebb leolvasni őket.
🌊 Áramvezetés folyadékokban
Szigetelők: desztillált víz, alkohol, olaj → nem vezetnek.
Elektrolitok: ionokat tartalmazó oldatok (savak, bázisok, sók vizes oldatai) → vezetik az áramot.
Az áramot az oldatban lévő pozitív és negatív ionok szállítják.
⚡ Áramvezetés elektrolitokban
A rézgálic (CuSO₄) oldatban a só Cu²⁺ és SO₄²⁻ ionokra bomlik. Az ionok rendezetlen hőmozgást végeznek. Ha két elektródra feszültséget kapcsolunk, a folyadékban elektromos tér alakul ki, amely az ionokat rendezett mozgásra kényszeríti:
a kationok (Cu²⁺) a katód felé,
az anionok (SO₄²⁻) az anód felé vándorolnak.
Az ionok állandó sebességgel mozognak, mert a Coulomb‑erőt a folyadéksúrlódás kiegyenlíti. A katódon réz válik ki, az anódon oxigén fejlődik.
🔋 Galvánelemek
Két különböző fém saját ionjait tartalmazó oldatba merítve feszültség jön létre köztük. A galvánelemben a kémiai energia alakul át elektromos energiává: a töltések térben szétválnak, így elektromos mező jön létre.
A rúdelemek (ceruzaelem, góliátelem) felépítése azonos → mindegyik 1,5 V feszültségű. A feszültség az elektródok és az elektrolit anyagától függ, nem a mérettől.
⚗️ Elektrolízis
Az áramforrás pozitív sarkához kötött elektród az anód, a negatívhoz kötött a katód.
A kationok a katódon elektront vesznek fel → semleges atomként kiválnak.
Az anionok az anódon elektront adnak le → semlegesítődnek és kiválnak.
Faraday törvényei:
A kiváló anyag tömege arányos az átáramló töltéssel.
1 mol egységnyi töltésű ion kiválasztásához 96 500 C töltés szükséges.
Gyakorlati alkalmazások: galvanizálás, korrózióvédelem, alumíniumgyártás.
🔌 Akkumulátorok
Az akkumulátor megfordítható galvánelem:
kisütéskor: kémiai → elektromos energia,
töltéskor: elektromos → kémiai energia.
Ólomakkumulátor
Elektrolitja hígított kénsav. Kisütéskor PbSO₄ keletkezik, töltéskor visszaalakul Pb és PbO₂ réteggé.
Lítiumion‑akkumulátorok előnyei
nagy energiasűrűség → kis tömeg
kis belső ellenállás → nagy teljesítmény
kicsi kapocsfeszültség‑csökkenés kisütéskor
alacsony önkisülés
kevés mérgező anyag
egy cella is ~3 V → mobiltelefonokhoz ideális
Az akkumulátor kapacitása: Ah (amperóra).
🔋 Áramforrások belső ellenállása
Az áramforrás kapcsain mérhető feszültség (Uk) terheléskor csökken, mert az áramforrásnak van belső ellenállása (Rb). Az áramforrás modellje:
U₀: üresjárási feszültség (elektromotoros erő)
Rb: belső ellenállás
Terheléskor:
Uk=U0−I⋅Rb
Középszintű érettségi viszgafeladat
Tesztek
Forrás: https://kemfiz.hu/fizika_kozep_egyenaram.html
16, 17, 31, 42, 47, 48, 49, 50, 51, 57, 80, 90, 91
16. Mit ad meg az U/I hányados a kapcsolásban?
B – R₂ értékét.
A voltmérő az R₂-re jutó feszültséget méri, az ampermérő pedig az egész soros áramkör áramát. Mivel ugyanaz az áram folyik át R₂-n, Ohm törvénye szerint R2=U/I. Ezért az U/I hányados pontosan R₂ ellenállását adja.
17. Két különböző vastagságú, sorosan kapcsolt vezetékrészben hol folyik nagyobb áram?
C – Ugyanakkora áram folyik mindkét részben.
Soros áramkörben az áram nem ágazik el, minden elemben ugyanaz az áramerősség halad át. A vastagabb és vékonyabb szakasz ellenállása eltér, de az áram nagysága mindenhol azonos.
31. Mindig nagyobb-e a hosszabb drót ellenállása?
C – A drótok anyagától függ.
Az ellenállás a fajlagos ellenállástól is függ. Ha két drót anyaga különböző, akkor egy rövidebb, de nagy fajlagos ellenállású drót ellenállása is lehet nagyobb, mint egy hosszabb, kis fajlagos ellenállásúé. Ezért nem mindig igaz.
42. Hurok alakú drót A–B pontjai között melyik esetben nagyobb az ellenállás?
A – Ha szigetelt drótból készül.
Szigetelt drótnál a két szár csak fizikailag ér össze, elektromosan nem, így az áram egyetlen úton halad → nagyobb ellenállás. Szigeteletlen drótnál a két szár párhuzamosan kapcsolódik → kisebb eredő ellenállás.
47. Hogyan fejezhető ki az 1 ohm SI-alapegységekkel?
A –
Az ellenállás R=U/I. A volt SI-egysége kg\cdotpm2/s3⋅A, az áramé A. A kettő hányadosa adja az ohmot.
48. R ellenállású huzalból kör alakú hurkot készítünk. Mekkora az ellenállás két átellenes pont között?
C – R/4.
A kör két félkörre oszlik, mindkettő ellenállása R/2. Ezek párhuzamosan kapcsolódnak:
49. Hogyan fejezhető ki az 1 volt SI-alapegységekkel?
B –
A feszültség U=P/I. A watt SI-egysége kg\cdotpm2/s3, az áramé A. A kettő hányadosa a volt.
50. Rézhasáb ellenállása: melyik irányban nagyobb?
A – Az A–B lapok között.
Az ellenállás R=ρlA. Az A–B irányban az áram hosszabb úton és kisebb keresztmetszeten halad, ezért az ellenállás nagyobb, mint a C–D irányban.
51. Félbevágott R ellenállású vezeték két darabját párhuzamosan összefogjuk. Mi lesz az új ellenállás?
D – R/4.
Egy fél darab ellenállása R/2. Két ilyen párhuzamosan:
80. Hogyan változik egy drót ellenállása, ha a hosszát megfelezzük?
A – Csökken.
Az ellenállás:
R=ρlA.Ha a hossz feleződik, az ellenállás is feleződik → kisebb lesz.
90. Hogyan kell bekötni az ideális ampermérőt?
A – Sorba kell kötni, az ideális műszer ellenállása nulla.
Áramot csak soros bekötéssel lehet mérni, mert az áram minden ponton ugyanaz. Az ideális ampermérő ellenállása 0, így nem befolyásolja az áramkört.
91. Két különböző huzal közül melyiknek nagyobb az ellenállása?
D – Nem dönthető el adatok nélkül.