Elektromosság

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A villámlás során energia sugárzódik szét fény és hő formájában, a föld felé a kisülésben erős elektromos áram folyik.
Benjamin Franklin sárkányeregetésének helyszínét ez a tábla jelzi (Saint Stephen templom, Philadelphia, USA)

Az elektromosság szó a görög elektron szóból ered (jelentése: gyanta, borostyánkő). Általános fizikai fogalom arra a jelenségre, amelynek során elektromos töltések jelenlétéről, mozgásáról, hatásairól van szó. A mágnesség fogalmával együtt alkotják az egyik alapvető kölcsönhatást, amit elektromágnességnek nevezünk. Számos megnyilvánulási formája létezik, mint a villámlás, az elektromos tér kialakulása, az elektromos áram; valamint számtalan ipari alkalmazás használ elektromosságot, amit villamos erőművek állítanak elő. Magyar szóhasználatban ugyanazt jelentik a villamosság, villamos-, villany- szóösszetételek.

Kapcsolódó fogalmak[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromosság sokféleképpen megnyilvánulhat. A vele kapcsolatos pontosító fogalmak az alábbiak:

  • elektromos töltés: atomon belüli részecskék olyan alapvető tulajdonsága, amely meghatározza az elektromágneses kölcsönhatásaikat. Az elektromosan töltött anyagra hatással van az elektromágneses tér, és ő maga is ilyet állít elő;
  • elektromos potenciál: statikus elektromos töltés által létrehozott elektromos tér potenciális energiája;
  • elektromos feszültség: elektromos potenciálkülönbség;
  • elektromos áram: elektromosan töltött részecskék áramlása;
  • elektromos tér (vagy mező): elektromos töltés hatása a környezetében lévő egyéb elektromos töltésekre;
  • elektromos energia: elektromosan vezető anyagban az elektromos töltések áramlásának energiája;
  • elektromos teljesítmény: más energiaformákból (például: vízi, hő- stb.) átalakítással kapott elektromos energia munkavégző képessége.

Felfedezésének története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ahogy mondani szokták, „már az ókori görögök is” ismerték a statikus elektromosság jelenségét, ami állati szőrme és más tárgyak összedörzsölésekor állt elő. Bár Benjamin Franklin híres kísérlete, amelynek során viharban sárkányt reptetett és ennek elektromos töltését vizsgálta volna, inkább csak anekdota, mégis, az általa felvetett gondolat, miszerint a megdörzsölt állati szőrme által keltett statikus szikrázás és a villámlás fülrepesztő kisülése ugyanannak a dolognak két különböző megnyilvánulási formája, ösztönzőleg hatott a kor tudósaira, akiknek későbbi munkája megvetette az elektromosság vizsgálatának és felhasználásának alapjait. E tudósok között voltak Luigi Galvani (17371798), Alessandro Volta (1745-1827), Michael Faraday (17911867), André-Marie Ampère (17751836), és Georg Simon Ohm (1789-1854). A késői 19. század és a 20. század eleje olyan óriásokat vonultatott fel a villamosmérnöki tudományban, mint Nikola Tesla, Samuel Morse, Galileo Ferraris, Antonio Meucci, Thomas Edison, George Westinghouse, Jedlik Ányos, Ernst Werner von Siemens, Charles Steinmetz, és Alexander Graham Bell.

A jelenség ismertetése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromos töltés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromos töltés bizonyos szubatomi részecskék tulajdonsága (nevezetesen az elektroné és a protoné), amely kapcsolatba lép az elektromágneses térrel, és közöttük vonzó vagy taszító irányú erő lép fel. Az elektromos töltés az anyag olyan tulajdonsága, amelyet nem lehet megsemmisíteni, ám leárnyékolható .

A töltésnek két fajtája van, pozitív és negatív. Az egyforma töltésű anyagok taszítják, az ellenkező töltések vonzzák egymást. A vonzás vagy taszítás során létrejövő erők nagyságát és irányát Coulomb törvénye írja le.

Elektromos erőtér[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromos erőtér fogalmát Michael Faraday vetette fel. Az elektromos erőtér két elektromos töltés között hat, hasonló módon, mint a gravitáció két test között. Lényeges különbség a két dolog között, hogy a gravitáció minden testre hatással van, az elektromos tér pedig csak elektromosan töltött testek között jön létre, másrészt az erőhatás az elektromos töltések esetén taszító irányú is lehet (a gravitáció esetén csak vonzást ismerünk, taszítóerőt még nem sikerült kimutatni). Az erő nagysága fordítottan arányos a két töltés közötti távolság négyzetével, és egyenesen arányos a töltések szorzatának nagyságával.

Elektromos potenciál[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromos potenciált úgy határozzuk meg, mint azt a mechanikai munkát, amit az egységnyi töltés lassú mozgatásakor kell végezni az elektromos teret létrehozó töltés ellenében. Ha nincs megadva, mely két pont között történik a mozgatás, akkor a végtelen távoli pont és a töltés közötti távolságról van szó. Egy önkényesen kiválasztott ponthoz viszonyított potenciálkülönbséget nevezzük elektromos feszültségnek. A feszültséget Volt egységben mérjük.

1 volt = 1 joule / coulomb

Elektromos áram[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromos áram elektromosan töltött részecskék áramlásából adódik. A részecskék lehetnek pozitív vagy negatív töltésűek.

Elektromos áramra példa lehet az elektronok áramlása fémekben (vagy más vezető anyagokban), illetve az elektrolitokban létrejövő áram, amikor töltött ionok áramlanak a folyadékban. Maguk a részecskék fizikailag viszonylag lassan mozognak, azonban a mozgást létrehozó elektromos tér gyakorlatilag fénysebességgel halad.

Azokat az eszközöket, amelyekben áram folyik, elektromos vagy elektronikus berendezésnek nevezzük.

Egyenáram az, amikor a töltött részecskék csak egy adott irányba mozognak, az áramlás iránya nem változik. Ezzel szemben váltakozóáramról beszélünk, ha a részecskék áramlása periodikusan oda-vissza történik.

Történelmi okokból azt mondjuk, hogy az áram a pozitív pontból a negatív pont felé halad, holott ma már tudjuk, hogy az elektronok áramlása ezzel ellentétes.

Az elektromos áram erősségét Amperben fejezzük ki. Egy amper az áram erőssége akkor, ha 1s (secundum) alatt 1C (coulomb) töltés halad át az egységnyi vezető keresztmetszetén. Q/t=I

Elektromos energia[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az energiát úgy határozzuk meg, mint munkavégző képességet. Elektromos energiáról beszélhetünk elektromos térrel kapcsolatban, vagy elektromos árammal kapcsolatban.

Példák az elektromos energiára:

  • A Föld légkörében folyamatosan jelen lévő elektromos töltések energiája, amely elektromos kisülések, azaz villámok formájában fejti ki energiáját.
  • Egy erőmű elektromos generátorainak tekercseiben lévő energia, amelyet fém vezetékeken a fogyasztókhoz szállítanak. A fogyasztó az általa elfogyasztott elektromos energia után fizet.
  • Kondenzátorban tárolt elektromos energia, amelyet egy elektronikus áramkör működtetésére lehet felhasználni.

Elektromos teljesítmény[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Elektromos teljesítmény egy adott időegység alatt felvett vagy leadott elektromos energia mértéke. Az elektromos teljesítmény a fogyasztó kivezetései között mérhető feszültség, és a rajta átfolyó áram erősségének szorzataként számolható ki. Mértékegysége: watt, jele: W. A teljesítmény jele: P. Nagysága egyenáramon: P = U × I (feszültség szorozva áramerősség).

Váltakozóáramon az áram és a feszültség egymással szöget zárhat be. Ekkor csak az áramnak a feszültséggel fázisban lévő vektora hasznosul. Ekkor nagysága P= U × I × cosφ.

Háromfázisú hálózatban a feszültségek egymással 120°-os szöget zárnak be. A fázisfeszültségekhez tartozik egy-egy vonali feszültség, melynek nagysága √3 × fázisfeszültség. Így a háromfázisú teljesítmény P=√3 × U × I × cosφ

Elektromos erőművek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az erőművekben elektromos energiát valamilyen más energiából állítanak elő. Az energia forrása többek között lehet: szén, olaj, víz, szél, hő, árapály, napenergia, atomenergia. Az elektromos energia használata azért célszerű, mert elektromos távvezetékeken nagy távolságra lehet szállítani a fogyasztókhoz. Az elektromos energia szállításakor nagyfeszültséget használnak a veszteségek csökkentése érdekében.

A nagyfeszültség szabványos értékei (Magyarországon) lehetnek: 3, 6, 10, 20, (ma már ritkán) 35, 120, 220, 400 és (a volt Szovjetunió felől) 750 kV.

A fogyasztók által igényelt háztartási feszültséget (Európában 230 V, az Egyesült Államokban 110 V) a nagyfeszültségből transzformátorok segítségével alakítják át.

Meddő teljesítmény[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A meddő teljesítmény csak váltakozóáramú hálózatokban értelmezhető. A gyakorlatban meddő teljesítményről akkor beszélünk, amikor a váltakozó áramú áramkörben a feszültség és az áram hullámai között fáziseltolódás lép fel. A fáziseltolódást a hálózatra kapcsolt induktivitások (villanymotorok és tekercsek) okozzák. Ezek hatására az áram késik a feszültséghez képest, míg kondenzátorok és egyéb kapacitások siettetik az áramot a feszültséghez képest. Ekkor az áramnak csak a feszültséggel fázisban lévő vektora hasznosul. Jellemzően kondenzátorok rákapcsolásával tudják kiküszöbölni a villanymotorok okozta fáziskésést. Ideális esetben a fáziskülönbség nulla, ekkor a betáplált energia hasznos teljesítményként felhasználható, a hatásos teljesítmény megegyezik a látszólagos teljesítménnyel, a meddő teljesítmény értéke nulla.

A meddő teljesítmény jele: Q. Nagysága Q= U × I × sinφ. Háromfázisú hálózatban Q = \sqrt{ 3 \times U \times I \times \sin \varphi  }.

A meddő teljesítmény mértékegysége: VAr (volt-amper-reaktív)

Az energia „színe”[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A médiában hallható osztályozás szerint az erőműveket, illetve az általuk előállított energiát színekkel jelölik attól függően, hogy előállításuk mennyire káros a környezetre nézve. Ez alapján a hagyományos energiaforrások, mint a szén, olaj és gáz, „barna” vagy „fekete” energiák. A nukleáris energia „barna” besorolású. A megújuló energiák előállítása kapta a „zöld energia” elnevezést, ilyenek például a következők: szélenergia, vízenergia, napenergia, geotermikus energia, biogázból előállított energia.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Eszközök[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Biztonság[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Elektromos jelenségek a természetben[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Anyag: az atomok és molekulák elektromos összetartó ereje
  • Villámlás: elektromos kisülés
  • A Föld mágneses terét a Föld magjában áramló elektromos áramok hozzák létre
  • Piezoelektromosság: bizonyos kristályok összenyomásakor jön létre
  • Triboelektromos hatás, dörzselektromosság: két különböző anyag összedörzsölésekor jön létre
  • Bioelektromosság az élő szervezetekben, érzékenység, illetve az előállítás képessége
  • Az idegrendszerben lévő neuronok elektromos impulzusokkal közvetítenek információt.
  • Északi fény

Külső hivatkozások magyar nyelven[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Külső hivatkozások idegen nyelven[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Megjegyzések[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]