9. Az elektromos áram, áramerősség
9. Az elektromos áram, áramerősség
1. Kísérlet
Van de Graaff-generátorhoz rögzített fapálca, másik vége földelve.
Selyempapír csíkok elhelyezése a pálca mentén.
A csíkok egymás után szétnyílnak → töltésáramlás láthatóvá válik.
Fémpálca esetén a jelenség megváltozik (jobb vezetés, gyorsabb kiegyenlítődés).
2. Tapasztalat
A csíkok mozgása jelzi a töltések rendezett áramlását.
A generátor leállítása után a csíkok összecsukódnak → feszültség szükséges az áram fenntartásához.
3. Következtetés
Elektromos áram = töltések tartós, rendezett mozgása.
Áram létrehozásához potenciálkülönbség kell.
Analógia: víz áramlása szintkülönbség miatt ↔ töltések áramlása feszültség miatt.
4. Áramerősség fogalma
Definíció: I=Qt.
Mértékegység: amper (A).
Ha az áramerősség állandó → egyenáram; ha változik → váltakozó áram.
5. Mi mozgatja a töltéseket?
Fémekben: vezetési elektronok rendezett mozgása.
Elektromos mező hozza létre a vezetékirányú erőt.
Feszültség: U=E⋅s.
Áram oka: a vezetőben létesített elektromos mező.
6. Áramkör részei
Feszültségforrás
Vezeték
Fogyasztó
Kapcsolási rajzok szimbólumai (elem, telep, kapcsoló, ellenállás, izzó, műszerek stb.)
7. Áram iránya
Egyezményes irány: pozitív töltések mozgásának iránya.
Fémekben valójában elektronok mozognak → ellentétes irány.
Elektrolitokban mindkét előjelű töltés mozog.
8. Áram hatásai
Vegyi hatás (vízbontás, akkumulátor).
Hőhatás (melegítők, izzók).
Fényhatás (szikrakisülés, fénycső).
Mágneses hatás (motorok, műszerek).
Biológiai hatás (áramütés, fizioterápia).
9. Áramerősség- és feszültségmérés
Árammérő: soros kapcsolás → az izzón átfolyó áramot méri.
Feszültségmérő: párhuzamos kapcsolás → két pont közti feszültséget méri.
Ampère
Életút, tudományos munkásság, elektrodinamika alapjai.
Gyermekkora és tanulása
André Marie Ampère 1775-ben született Lyonban, művelt, tehetős kereskedő családban.
"Csodagyerek" volt: 10 éves koráig magántanítók tanították, utána mindent önállóan tanult.
Kiolvasta a Nagy Francia Enciklopédiát, majd latinul tanult meg, hogy eredeti matematikai műveket olvashasson.
13 éves korára az akkori teljes matematikai tudást elsajátította.
Első tudományos munkái
1801-ben Bourg városában fizika–kémia professzor lett.
Első tudományos műve mégsem fizikáról szólt, hanem a szerencsejátékok matematikájáról – ez jól mutatja kreatív, sokoldalú gondolkodását.
A párizsi időszak és a nagy felfedezések
1809-ben az École Polytechnique matematikaprofesszora lett.
Kutatásait zseniális ötletek, nem pedig módszeres kísérletezés jellemezte.
A jelenségeket először kísérletileg ellenőrizte, majd matematikai elméletté fejlesztette.
Az elektrodinamika megalkotása
Ampère nemcsak magyarázta az ismert elektromágneses jelenségeket, hanem újakat is előre jelzett.
Fő műve: Értekezés az elektrodinamikus jelenségek matematikai elméletéről (1827).
Ő alkotta meg az elektromágneses kölcsönhatások első teljes matematikai leírását → az elektrodinamika alapjait.
Sokoldalú személyiség
Nemcsak természettudós volt: vallásfilozófiai
műveket, drámákat és verseket is írt. A kor egyik legműveltebb, legszélesebb
látókörű tudósa.
Forrás:
Középszintű érettségi feladatok
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_egyenaram.html
Számolási feladatok
7. Elektrolízis során rézgálic oldatot használunk, ahol a katódon Cu²⁺ ionok válnak ki. Meg kell határozni, hogy öt perc alatt hány rézion válik ki, ha az áram erőssége 1 mA, majd ki kell számítani, mekkora tömegű réz válik ki ez idő alatt, ha a réz moláris tömege 63,55 g/mol.
Forrás:
Középszintű érettségi feladatok
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_egyenaram.html
Tesztek
1, 16, 21, 22, 27, 32
1. Mekkora két különböző ellenállású, párhuzamosan kapcsolt fogyasztó eredő ellenállása?
A – Kisebb mindkét ellenállásnál.
Magyarázat (részletes): Két ellenállás párhuzamos kapcsolásánál az eredő ellenállás képlete:
1Reredo˝=1/R1+1R2
Mivel mindkét tag pozitív, a jobb oldalon lévő összeg nagyobb, mint bármelyik egyes tag, tehát:
1Reredo˝>1R1,1Reredo˝>1R2
Innen következik:
Reredo˝<R1,Reredo˝<R2
Vagyis az eredő ellenállás mindkét egyes ellenállásnál kisebb. Ez a párhuzamos kapcsolás egyik alapvető tulajdonsága: több áramút nyílik, "könnyebb" az áramnak folyni, ezért csökken az eredő ellenállás.
16. Az ábrán a voltmérő U feszültséget, az ampermérő I áramerősséget mutat. Mit ad meg az U/I hányados?
B – R₂ értékét.
Magyarázat (részletes): A feladat egy olyan kapcsolásra utal, ahol:
az ampermérő az áramkör áramát méri (sorosan van bekötve),
a voltmérő pedig csak az R₂ ellenállásra jutó feszültséget méri (párhuzamosan R₂-vel).
Ohm törvénye szerint:
R=UI
Ha a voltmérő az R₂ ellenállás két végére van kötve, akkor az általa mutatott U R₂ feszültsége, az ampermérő által mutatott I pedig az R₂-n átfolyó áram. Így:
UI=R2
Nem az eredő ellenállást kapjuk, és nem R₁-et, hanem pontosan R₂ értékét.
21. Egy zseblámpaizzó U = 10 V-os telepre kapcsolva 2 W-os teljesítménnyel világít. Mekkora lesz ugyanezen izzó teljesítménye, ha a telep polaritását megcseréljük, azaz U = –10 V-os feszültségre kapcsoljuk?
A – Az izzó teljesítménye 2 W marad.
Magyarázat (részletes): Az izzó egy ohmos fogyasztó, amelynek működése nem függ a polaritástól. A teljesítmény:
P=U⋅I
Ha a feszültség előjelét megfordítjuk (U → –U), akkor az áram iránya is megfordul (I → –I). A szorzat viszont:
P=U⋅I⇒P′=(−U)⋅(−I)=U⋅I
Tehát a teljesítmény nagysága nem változik, továbbra is ugyanannyi energiát alakít át időegység alatt hővé és fénnyé. A "negatív feszültség" csak a referenciapont megválasztására utal, nem arra, hogy az izzó "negatív teljesítményt" adna le.
Ezért az izzó ugyanúgy 2 W teljesítménnyel világít, akár +10 V, akár –10 V feszültségre kapcsoljuk.
22. Állandó U feszültség mellett hogyan változik az 1. izzó fényereje (teljesítménye), ha a 2. izzó kiég?
B – Az izzó fényereje nem változik.
Magyarázat (részletes): A feladat egy olyan kapcsolásra utal, ahol a két izzó párhuzamosan van kötve az áramforrásra. Párhuzamos kapcsolásnál:
mindkét izzóra ugyanaz a feszültség jut (U),
az egyes ágak áramai függetlenek egymástól,
ha az egyik ág megszakad (kiég az izzó), a másik ág változatlanul működik.
Az 1. izzó teljesítménye:
P1=U2R1
Mivel U állandó, és R₁ sem változik, ezért P₁ nem változik. A 2. izzó kiégése csak annyit jelent, hogy a teljes áramkörben folyó összes áram csökken, de az 1. izzó feszültsége és árama ugyanaz marad.
Ezért az 1. izzó fényereje nem változik.
27. Azonos nagyságú feszültséggel egy protont vagy egy alfa-részecskét lehet nagyobb sebességre gyorsítani?
A – Egy protont.
Magyarázat (részletes): A gyorsítás során a részecske kinetikus energiája:
Ek=qU
ahol
q a részecske töltése,
U a gyorsító feszültség.
A proton töltése:
qp=+e
Az alfa-részecske töltése:
qα=+2e
Tehát az alfa-részecske kétszer akkora energiát kap, mint a proton. Viszont a sebesség:
v=2Ekm
A proton tömege:
mp
Az alfa-részecske tömege:
mα=4mp
Az alfa-részecske tehát:
kétszer akkora energiát kap,
de négyszer akkora tömege van.
Sebességek:
vp=2eUmp,vα=4eU4mp=eUmp
Így:
vp=2 vα
Vagyis a proton gyorsabb lesz, mert sokkal kisebb a tömege. Ezért azonos feszültséggel a protont lehet nagyobb sebességre gyorsítani.
32. Egy áramkörbe két, különböző ellenállású fogyasztót kötünk egymással párhuzamosan. Melyik állítás igaz?
C – Az áramkörben az áram mindkét fogyasztón folyik.
Magyarázat (részletes): Párhuzamos kapcsolásnál a két fogyasztó ugyanarra a két pontra van kötve, vagyis mindkettő közvetlenül a feszültségforrás kapcsaira csatlakozik. Ez azt jelenti, hogy:
mindkét fogyasztón ugyanaz a feszültség jelenik meg (U),
az áram két ágra oszlik, de mindkét ágon folyik áram.
Az áramok:
I1=UR1,I2=UR2
Ha R1≠R2, akkor az áramok különböznek, de egyik sem nulla, amíg az ellenállás véges. A kisebb ellenállású fogyasztón nagyobb áram, a nagyobb ellenállásún kisebb áram folyik, de mindkettőn folyik áram.
Ezért a helyes állítás:
"Az áramkörben az áram mindkét fogyasztón folyik."