Elektromos áram

Az elektromos áram (villamos áram) az elektromos töltéssel rendelkező részecskék (töltéshordozók) sokaságának elektromos mező hatására kialakuló rendezett mozgása. Az áram irányát a pozitív töltéshordozók mozgásának az irányával definiáljuk.

Az áramlás irányának váltakozása alapján beszélhetünk váltakozó, vagy áramlás irányának állandósága esetén egyenáramról.

Ha elektromos töltések egy nyugalomban lévő vezető anyag belsejében az ott fennálló elektromos erőtér hatására mozognak, akkor a létrejött áramot vezetési (vagy konduktív) áramnak nevezik. Ilyen jön létre a fémekben a szabad elektronok mozgása révén.

Abban az esetben, ha a töltések mozgása azért következik be, mert a töltéseket hordozó test vagy közeg mozog, és vele együtt mozognak a töltések is, a létrejött elektromos áramot konvektív áramnak nevezik. A folyadékokban, gázokban az ionok, mint szabad töltéshordozók mozgása konvektív áramot hoz létre.

Elektromos áramerősség

Az elektromos áram mint folyamat mennyiségi jellemzésére az elektromos áramerősséget használjuk fizikai mennyiségként. Az áram erősségét ($I$) az áramvezető teljes keresztmetszetén adott idő alatt áthaladó összes töltésmennyiség ($Q$) és az idő ($t$) hányadosával jellemezzük.

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

Az áramerősség SI-mértékegysége

SI-mértékegysége az amper, amelynek jele A. Nevét André-Marie Ampère francia fizikus tiszteletére kapta.

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 $2\cdot 10^{-7}$ N erőt hoz létre.

Az áramerősség definíciójából következően az elektromos töltés mértékegysége (Coulomb) és az áramerősség mértékegysége (amper) között a következő összefüggés áll fenn: ${\mathrm {C} \over \mathrm {s} }=\mathrm {A}$

Párhuzamos áramvezetékek között ható erő

Két egymással párhuzamos vezetőben folyó áramok hatására a két vezető között erőhatás lép fel. Ez a jelenség szolgál jelenleg az amper definíciójául. Az Ampère-féle gerjesztési törvénynek erre a speciális elrendezésre való alkalmazásával kapjuk a következő összefüggést.

Legyen az egymással párhuzamos, $l$ hosszúságú, egymástól $d$ távolságra lévő vezetőkben folyó áramok nagysága amperben: $I_{1}$ és $I_{2}$. A két vezető között létrejövő erőhatás nagysága:

$F={\frac {\mu _{0}}{2\pi }}\cdot {\frac {\vert I_{1}I_{2}\vert \cdot l}{d}},$

ahol μ₀ a vákuum permeabilitása.

$\mu _{0}=4\pi \cdot 10^{-7}{\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {A} ^{2}}}.$

Időben állandó és változó áram

Egyszerű áramkör, ahol az áram irányát az i-vel jelölt nyíl mutatja. Az áramforrás (V) pozitív oldaláról indul az áram az (R) elektromos ellenállás felé. Az elektronok a nyíllal ellentétesen mozognak

Az áram irányát a pozitív töltéshordozók mozgásának az irányával definiáljuk.

Ha az áram iránya és erőssége időben állandó, akkor stacionárius vagy egyenáramról beszélünk. Egyenáram jön létre egy olyan áramkörben, ahol az áramforrásnak pozitív és negatív pólusa van, így az áram megszakítás nélkül folyik a vezetékben. Az áramot létrehozó feszültségkülönbség és az áramerősség között az Ohm-törvény teremt kapcsolatot.

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

Az elektromos áram hatásai

Mechanikai hatás

Az elektromos áram energiáját az elektromágneses indukció révén a villanymotorok mechanikai energiává, mozgássá alakítják.

Hőhatás

Az elektromos áramban mozgó töltéshordozók az elektromos térből felvett energia egy részét kölcsönhatásokon keresztül átadják a környezetüknek. A fémekben az áramot létrehozó mozgó szabad elektronok a fém ionrácsának adnak át energiát. A fém belső energiája megnő, felmelegszik. Ezt az energianövekedést nevezzük Joule-hőnek.

A Joule–Lenz-törvény szerint egy $R$ ellenállású vezetékszakaszon leadott energia egyenesen arányos a vezetékszakasz ellenállásával, az áramerősség ($I$) négyzetével és az eltelt idővel ($t$):

$W=I^{2}\cdot R\cdot t$.

Az adott vezetékszakaszon leadott teljesítmény:

$P={\frac {W}{t}}=I^{2}\cdot R$.

Az elektromos fűtőtestek az elektromos energiát hőenergiává alakító eszközök. De az elektromos áram hőhatását használják ki az elektromos berendezésekben a túlterhelés elleni védelmet szolgáló biztosítékok. Az olvadóbiztosítóban az olvadószál a túl nagy áram esetén megolvad, és ezzel megszakítja az áramkört.

Kémiai hatás

Az elektrolitokban (savak, sók, lúgok vizes oldataiban) ionok (töltéssel rendelkező részecskék) vezetik az elektromos áramot. Az elektrolitba merülő elektródákra feszültséget kapcsolva áram folyik, aminek hatására az elektrolitban kémiai reakció megy végbe. Ezt a folyamatot nevezik elektrolízisnek. A folyamat mennyiségi összefüggéseit Faraday elektrolízis-törvényei írják le.

Az áram vegyi hatását hasznosító alkalmazások a galvánelemek, az akkumulátorok, a tüzelőanyag-cellák.

A fémeket roncsoló elektrokémiai reakció a korrózió.

Mágneses hatás

Hans Christian Ørsted megfigyelése óta tudjuk, hogy az elektromos áram mágneses teret hoz létre. Az elektromos áram és az általa létrehozott mágneses mező kapcsolatát az Ampère-féle (gerjesztési) törvény írja le. Ennek alkalmazása két párhuzamos vezetőben folyó áramra adja az amper mint mértékegység definícióját a jelenlegi SI-mértékegységrendszerben.

Az elektromos és mágneses tér (elektromágnesség) egységes elméletét a Maxwell-egyenletek írják le.

A vasmaggal ellátott áramjárta tekercs sokféle eszközben használt elektromágnes. Elektromágnes van például a távkapcsolóként, jelfogóként alkalmazott relékben, az elektromos csengőben, az áramkört a rövidzárlattól védő automata biztosítékban. A mágneses mező változása elektromágneses indukció révén elektromos mezőt hoz létre, ez alapján működik több hétköznapi eszközünk, például az áramfejlesztő generátorok (és dinamók), a villanymotorok, a transzformátorok.

Fényhatás

Mesterséges fényforrásainkban elektromos energia alakul át fényenergiává. A volfrám izzólámpákban az izzószál az átfolyó áram hatására felmelegszik, izzásba jön és hőmérsékleti sugárzással világít. A fénycsövekben az elektródákra kapcsolt feszültség hatására a higanyt is tartalmazó gázkeverékben kisülés jön létre, ami fénykibocsátással jár. Az ultraibolya hullámhosszúságú fény gerjeszti az üvegcső belső falán lévő fényport, ami ezután jórészt látható hullámhosszúságú lumineszcenciával világít.

Léteznek egyenletesen sugárzó, elektrolumineszcencia révén világító felületek, melynek nagy teljesítményű változatai a világító diódák - köznapi nevén a LED-ek. Az elektromos jelenségeket fényjelenségek is kísérhetik, ilyen például a szikrakisülés, a villámlás.

Élettani (fiziológiai) hatás

Az emberi test nedvei mint elektrolitok vezetik az elektromos áramot. Az emberi test 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, jellege (egyenáram vagy váltakozó áram) és frekvenciája, a hatás ideje, a testimpedancia és az áram testen belüli útja határozza meg. A nagyfrekvenciás váltakozó áram 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 A (50 mA) erősségű váltakozó áram már halálos lehet, de ez függ a behatás időtartamától is.

A háztartásokban használt 230 V-os, 50 Hz-es váltakozó feszültség okozta áramütés már néhány tizedmásodpercen belül fibrillációt okozhat, ami 20–30 másodpercen belül oxigénhiánnyal és eszméletvesztéssel jár. Ha a váltakozó áram közvetlenül a szíven halad keresztül, már néhány mA is veszélyes lehet. Egyenáram esetén hasonló következményhez 500 mA-es érték szükséges. A fibrilláció szempontjából legveszélyesebb frekvenciatartomány a 12–60 Hz közötti érték. A háztartásokban használt váltakozó áram veszélyesebb, mint az azonos feszültségű vagy áramerősségű 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).

Az elektromos áram fiziológiai hatása az áramerősség és a hatás ideje függvényében (IEC publication 60479-1 alapján)

A 15 és 100 Hz közötti frekvenciájú elektromos áram fiziológiai hatását a jobb oldali grafikon mutatja az áramerősség és a behatási idő függvényében.

• AC1: Általában semmi hatás
• AC2: Általában semmi káros hatás
• AC3: Szervi kár nem keletkezik. Az áram növekedésével és a behatási idő növekedésével visszafordítható szívritmuszavarok, pitvari fibrilláció és ideiglenes szívleállás várható. 2 másodpercnél hosszabb idejű behatások esetén görcsszerű izom összehúzódások és nehézségek léphetnek fel a légzés során.
• AC4: Veszélyes halálos hatások, mint szívmegállás, légzésleállás, és súlyos égések léphetnek fel az AC3 hatásain felül.
• AC4.1 A szívkamra fibrilláció valószínűsége kisebb, mint 5%
• AC4.2 A szívkamra fibrilláció valószínűsége 5% és 50% között
• AC4.3 A szívkamra fibrilláció valószínűsége nagyobb, mint 50%

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 (azaz 10 kV) valamint az ennél is nagyobb 20, 25 kV a vasútnál, 120, 220, 400 kV a távvezetékeknél, 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, illetve égési sérüléseket okozhat akkor is, ha a vezetéktől távol állunk. A távvezetékek körüli elektromágneses mező hosszabb idő alatt szintén ártalmas lehet, nagyban függ a távolságtól és a frekvenciától. A rendelkezésre álló kutatások nem bizonyítják az elektromágneses térerő egészségkárosító hatását a távvezetékek általános telepítési körülményei mellett.

Források

• Bérces Gy., Erostyák J., Klebniczki J., Litz J., Pintér F., Raics P., Skrapits L., Sükösd Cs., Tasnádi P.: A fizika alapjai (Nemzeti Tankönyvkiadó, 2009) ISBN 963-19-3275-3
• Holics László: Fizika 1-2. (Műszaki Könyvkiadó, 1986) ISBN 963-10-7148-0
• Moldoványi Gyula: Az SI-mértékegységekről (Műszaki Könyvkiadó, 1978) ISBN 963-10-2256-0