Elektromos áram

Az elektromos áram (vagy régebbi, a műszaki életben használt nevén villamos áram) a töltéssel rendelkező részecskék rendezett áramlása. Az áramlás irányának váltakozása alapján beszélhetünk váltakozó-, vagy áramlás irányának állandósága esetén egyenáramról. Lényegében minden rendezett töltésmozgást elektromos áramnak nevezünk, de mégis különbséget teszünk a fémekben az elektronok által létrehozott konduktív áram és a folyadékokban, gázokban szabad töltéshordozók (ionok) mozgása során létrejövő konvektív áram között.

Elektromos áramerősség

Az áramerősség (jele: I): A keresztmetszeten áthaladó összes töltésmennyiség és a közben eltelt idő hányadosával jellemzett fizikai mennyiség.

Mértékegysége az amper, amelynek jele A, André-Marie Ampère francia fizikus tiszteletére.

A definíció alapján tehát a következő összefüggést írhatjuk fel a vezető keresztmetszetén Δt időtartam alatt átáramló töltések ΔQ nagysága és az elektromos áram erőssége között:

$I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}$

Az áramerősség egységének definíciójáról

1 A az áram erőssége, ha két párhuzamos, egyenes, végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny kör keresztmetszetű és vákuumban, egymástól 1 m távolságban lévő vezető között méterenként $2x10^{-7}$ N erőt hoz létre.

Kiszámítása

Egyszerű áramkör, ahol az áram jele i. Az áramforrás (V) pozitív oldaláról indul az áram az (R) elektromos ellenállásra. Az elektronok a valóságban a nyíllal ellentétesen mozognak.

Általánosan az

$I={Q \over t} = {[\mathrm C] \over [\mathrm s]} = [\mathrm A],$

képlettel számítható, ahol Q az elektromos töltés, t az idő jele, amit C (Coulomb) és s (secundum) egységekben adunk meg.

Áramok számítására használható az Ampére-féle (gerjesztési) törvény is (az áramerősség definíciója alapjául is ez szolgál):

$F=\frac{\mu_0}{2\pi} \cdot \frac{\vert I_1 I_2\vert \cdot l}{d},$

ahol μ₀ a vákuum permeabilitása, I₁ és I₂ a vezetőkben folyó áramok nagysága amperben, l ill. d a vizsgált vezetők hossza ill. a köztük lévő távolság méterben.

Fontos megjegyezni, hogy μ₀ nem természeti állandó, értéke az áramerősség definíciójából következik: $\mu_0=4\pi \cdot 10^{-7} \frac{N}{A^2}.$

Egyenáram és a váltakozóáram különbsége

Egyenáramnál az áramforrásnak pozitív és negatív pólusa van, az áram megszakítás nélkül folyik a vezetékben és az Ohm-törvény segítségével egyszerűen kiszámítható.

A váltakozó áram esetén az áramot létrehozó váltakozófeszültség értéke ismétlődően (periodikusan) ellentétes értékeket vesz fel (vagyis a pólusok váltakoznak). Jellemzője a frekvencia, és a feszültség hullámformája. Az iparban és a háztartásokban jellemzően váltakozó áramot használnak energiaforrásként.

A villamos áram hatásai

Hőhatás

Joule törvénye kimondja, hogy az ellenálláson átfolyó áram villamos teljesítményének megfelelő hőt termel. A fejlődő hő a Joule-hő. Az elektromos áram hatására a zseblámpa világít, mert izzószála felmelegszik, izzásba jön. Az elektromos áramnak tehát hőhatása van.

Vegyi hatás

• folyadékok vezetése:
  • elektrolízis, Faraday törvénye
  • galvánelemek
  • akkumulátorok
  • tüzelőanyag-cellák
  • korrózió

Mágneses hatás

• elektromos mező
• mágneses mező

Fényhatás

• fényforrások (izzólámpák, fénycsövek)
• villámlás

Két fajtája az izzásból származó (az izzókban a vezeték izzik) illetve az úgynevezett hideg világítás: a gázokban ütköznek a töltések. Villámlás: a villám egy hatalmas villamos szikrakisülés a levegőben, tekintélyes kisülési árammal. Az áram legnagyobb erőssége 20-30 000 amper között van, de kivételesen meghaladhatja a 300 000 ampert is. Összehasonlításként egy 100 wattos izzólámpa árama kb. 0,5 amper. Alkalmazási példák: izzólámpa, fénycső (hétköznapi nevén „neonlámpa”) (hideg v.), tévéképernyő (h. v.).

Élettani (fiziológiai) hatás

Az áramütés veszélyére figyelmeztető szimbólum

Az emberi test vezeti a villamos áramot, elektromos ellenállása 200-3000 Ω között változhat a körülményektől függően. A szervezeten áthaladó áram izom-, bőr- és idegi károsodást, illetve halált is okozhat. A károsodás mértékét az áram erőssége és típusa (egyenáram vagy váltakozó áram), a hatás ideje, és az áram testen belüli útja határozza meg. A nagyfrekvenciás váltakozóáram kevésbé veszélyes, mint az egyenáram, mert a nagy frekvencia miatt az áram nem hatol a test belsejébe, hanem inkább a bőrfelület mentén halad, ezzel ott többnyire égési sérülést okoz. Az emberi testbe jutó, szíven áthaladó 0,05 amper (= 50 milliamper) erősségű váltakozó áram már halálos lehet.

A háztartásokban használt 230 V-os, 50 Hz-es váltakozó feszültség már néhány tizedmásodpercen belül fibrillációt okozhat, ami 20-30 másodpercen belül oxigénhiánnyal és eszméletvesztéssel jár. Ha a váltakozó áram közvetlenül a szívbe jut, már 1 mA is veszélyes. Egyenáram esetén hasonló következményhez 500 mA-es érték szükséges. A fibrilláció szempontjából legveszélyesebb frekvenciatartomány a 12 Hz - 60 Hz közötti érték. A háztartásokban használt váltakozó áram háromszor, ötször veszélyesebb, mint az azonos feszültségű vagy áramértékű egyenáram. Egyenáram esetén a szív egyszerűen „megáll”, azonban az áram megszűnésekor magától képes elindulni. Paradox módon a defibrillátorban használt egyenáram képes megszüntetni a szív szabálytalan működését (a fibrillációt).

A villámcsapáskor kialakuló áramütés hatásai még nincsenek teljesen tisztázva. A villámláskor hatalmas feszültség és igen nagy áramerősség alakul ki, mégis lehetséges a villámcsapás hatásait túlélni, de ennek körülményei még további kutatást igényelnek.

Az iparban használatos 10 000 V (röviden: 10 kV) (valamint az ennél is nagyobb feszültség), a feszültség nagysága miatt veszélyes, mert ekkora feszültség alatt lévő vezeték a levegőben villamos ívet húzhat a vezeték és az emberi test között, ami áramütést okozhat akkor is, ha a vezetéktől távol állunk.

Források

• Moldoványi Gyula: Az SI mértékegységekről (Műszaki, 1978) ISBN 963-10-2256-0