Coulomb törvénye: a töltésmegmaradás törvénye A töltésmennyiség SI-mértékegysége a Coulomb.
Jele: C Két pontszerű töltés között a taszító- és vonzóerő nagysága egyenes arányos a töltések nagyságával, és fordítottan a töltések közti távolság négyzetével. képlet alakban: , ahol k egy arányossági tényező, ami a töltések közti anyag minősségétől függ. Légüres térben pl: (megközelítőleg levegős térben is ennyi) Coulomb törvénye szerint 1 C-nyi töltés a vele egyenlő nagyságú pontszerű töltésre 1 m távolságból 9*109 N erőt fejt ki légüres térben.
A töltésmegmaradás törvénye szerint: Zárt rendszerben a töltések összege áll.
Az elektromos térerősség, feszültség
Az elektromos töltéssel rendelkező testek az általuk létrehozott elektromos mező közvetítésével hatnak egymásra. A villamos töltések, a villamosan töltött testek környezetében villamos erőtér van jelen, amelynek jellemzésére bevezették a villamos térerősség fogalmát.
A térerősség a töltésre ható erő és a töltés nagyságának hányadosából számítható ki.
Az elektromos térerőség jele: E
Képlete:, mértékegysége:
A villamos erőtér az erővonalakkal szemléltethető. A térerősség vektorára merőleges 1 m2 felületre annyi erővonalat kell rajzolni, amekkora a térerősség. Az erővonalak a + töltés felől a - felé mutatnak.
A sztatikus (nyugvó) villamos mezőt létrehozó nyugvó villamos töltések elhelyezkedési módja szerint lehet:tértöltés: a tér minden irányában elhelyezkedhet, pl. izzó katód környezetében kialakuó elektronfelhő. felületi töltés: pl.: 3 dimenziós testek felületén, elhanyagolható vastagságban helyezkedhetnek el töltések vonalszerű töltések: hosszú, a hosszához képest elhanyagolható keresztmetszetű huzal mentén elhelyezkedő töltések pontszerű töltések: a test méretei elhanyagolhatóan kicsik, a töltés a test középpontjában koncentráltan jelentkezik.
Homogén villamos mezőről akkor beszélünk, ha az erővonalak hossza egyenlő és iránya azonos, tehát az erőtér minden pontjában párhuzamos. Közel homogén villamos tér alakul ki két ellentétes töltésű, egymással párhuzamosan elhelyezett fémlap, -ún. fegyverzet- között akkor, ha a fémlapok felülete jóval nagyobb, mint a távolságuk. pl.: síkkondenzátorok Minden töltés a másiktól függetlenül létrehozza a saját elektromos mezejét. Az egyes mezők térerősségeinek vektori összege az eredő térerősség. Ez a szuperpozíció elve. Az elektromos mező a benne lévő töltésekre mozgásuk közben erőt fejt ki, vagyis a mező munkát végez. Ez a munka az elmozduló töltések nagyságától, és magától a mezőtől is függ. Az elektromos mező által kifejtett erő egyenesen arányos a töltéssel, így a mező két pont között végzett munkája is egyenesen arányos a töltések nagyságával.
Az elektromos mező két pontja közötti feszültség (potenciál-különbség) az a munka, amelyet az erőtér, vagy a töltést mozgató erő végez, miközben egységnyi töltést az egyik pontból a másikba juttat.
Feszültség
Jele: U
képlete:, ahol:
W: a töltés mozgatására fordított munka [Joule - J]
Q: a töltés nagysága [Coulomb - C]
A feszültség mértékegysége [Volt - V], amit az olazs Alessandro Volta fizikusról neveztek el.
Két pont között a mező munkája és a feszültség is független a töltés útvonalától.
Az UAB feszültség pozitív ha az A pontból a térerősség irányába, vagyis B felé haladunk.
Az UAB feszültség az A pont B ponthoz viszonyított feszültségét jelenti. Gyakran egy közös O ponthoz is viszonyíthatunk. A közös ponthoz viszonyított feszültség neve: potenciál, a két pont közti feszültség pedig a potenciálkülönbség: UAB=UA-UB
A voltmérő kapcsolási rajza:
A voltmérőt mindig az áramkör azon két pontjához kell kell kapcsolni, amelyek közt a feszültséget mérni akarjuk. Amennyiben az áramforrás két kivezetésére kapcsoljuk, akkor az áramforrás feszültségét méri.
Az elektromos áram
Elektromos áramnak nevezzük az elektromos tulajdonságú részecskék meghatározott irányú, rendezett áramlását. Fémekben: a szabad elektronok áramlása, folyadékokban az ionok, gázokban pedig az elektronok és ionok áramlása az elektromos áram. Az elektronok a fémrács helyhez kötött ionjaiknak ütköznek, és lelassulnak. A vezető ezen töltésakadályozó mértékét ellenállásnak nevezzük.
Az elektromos áram irányán a + töltéshordozók áramlásának irányát értjük. Vagyis az elektromos áram a - pólus felől a + felé halad. Az elektromos áramot általában kémiai, mágneses, élettani, hő ill. fénytani hatása alapján érzékeljük. Az elektromos áramot áramerősséggel jellemezzük. Az áramerősség a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó töltésmennyiség.
Töltés
, ahol
Q: az átáramló töltésmennyiség [C]
t: idő alatt [s]
Jele: I, mértékegysége: A (amper)
Az ampermérő mindig a rajta áthaladó áram erősségét méri, így a fogyasztóval sorosan kell kapcsolni. Nem szabad fogyasztó nélkül az áramkörbe kapcsolni.
Erősebb elektromos áramról (nagyobb áramerősségről) beszélünk, ha a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt nagyobb töltésmennyiség halad át, vagy egységnyi töltésmennyiség kevesebb idő alatt áramlik át.
Áramsűrűség
A vezető egységnyi keresztmetszetén áthaladó áramerősség, ahol
I: az áramerősség [A]
A: a vezető keresztmetszete [A]
jele: J
[J]:
Az elektromos áram azért veszélyes, mert az emberi test is jó vezető. Ha az áramütés a szív egy bizonyos periódusa alatt éri a szívet, akkor már 1mA erősségű áram is halált okozhat.
Ellenállások, Ohm törvénye
Ohm törvénye szerint a villamos ellenállás a feszültség és az annak hatására kialakuló áramerősség hányadosával meghatározható mennyiség.
U: a feszültség [V]
I: az áramerősség [A]
Jele: R, [R]: Ω (ohm)
Maguk az ellenállások általában kerámiacsőből készülnek, melyek ellenálló bevonattal vannak ellátva (pl. grafit, vagy fém).
Az ellenállások kapcsolási jele:
A változtatható ellenállások (potenciométer) jele: vagy
A termisztor:
A termisztor egy speciális ellenállás, amely ellenállása a hőmérséklettől függ. Attól függően, hogy a termisztor ellenállása melegítésre nő vagy csökken, azt mondjuk, hogy a termisztor hőmérsékleti együtthatója pozitív vagy negatív.
Külsőre a termisztor gyakran hasonlít a kerámiakondenzátorokra. Az ellenállást számok vagy színek jelölik, ahol az első szín a kimenettel ellentétes oldalon van.
Az anyagok ellenállása a hőmérséklet növelésével általában növekszik. Ez nagyon sok esetben káros: pl.: villamos gépek melegedése során a tekercsek ellenállása jelentős mértékben növekedhet. Vannak azonban kivételek
A szén ellenállása pl. a hőmérséklet növelésével csökken. Az ilye anyagot tartalmazó villamos eszközöket, áramköri elemeket NTK-nak (Negatív thermo Koeficiens - negatív hőmérsékleti együttható).
A vezető ellenállása:
ρ: (ró) a vezető anyagának fajlagos ellenállása (Wmm2/m):
l: a vezető hossza (m)
A: a vezető keresztmetszete (mm2)
Mivel a számok hamar lekopnának, ezért az ellenállások értékét színes csíkok jelzik.
Ellenállások:
Tartsuk úgy az ellenállást, hogy a színes csíkok a bal oldalhoz legyenek közelebb, vagy a legszélesebb legyen a jobb oldalon.
Egy ellenálláson 3-5 csík lehet. A csíkokat balról jobbra olvassuk.
Ha 3, vagy 4 csík van, akkor az első kettő megadja az értéket, a 3. az érték utáni nullák számát.
Ha 5 csík van, akkor az első 3 adja meg az értéket, a 4. az érték utáni nullák számát.
A 10 ohm feletti ellenállások jelölésénél a numerikus érték túl nagy. Ilyenkor a számot elosztják 10-zel vagy 100-zal. Az utolsó csík adja meg a pontosságot. A színkódot az alábbi táblázat tartalmazza:
Ha a forgatható potenciométert változtatható ellenállásnak akarjuk használni, akkor egyik szélső végét, és csuszkához kapcsolódó középső kimenetet kell az áramkörbe kapcsolni.
Ha a csuszka közel van a véghez, akkor az ellenállás alacsony, illetve elhanyagolható. Ha a csuszka a másik véghez van közel, akkor az ellenálló réteg az érintkezők közé kerül, és az ellenállás az adott potenciométer maximális értékét veszi föl. Ezt az értéket jelöli a ház.
Egy példa a változtatható ellenállásra a rádió hangerejének állítása.
Vezető és szigetelő anyagok: Az egyes anyagok vezetőképessége atomjaik elektronszerkezetétől függ. A jó vezetők atomjainak elektronszerkezetén a külső héj nem telített, így az elektronok onnan viszonylag könnyen elmozdíthatóak. a félvezetők (Szilícium - Si, Germánium - Ge, Szelén - Se, stb.) vegytiszta állapotban szigetelők, félvezetőkké mestersége szennyezés után válnak.
a jó szigetelő anyagok részecskéinek külső szerkezete telített, zárt, így az elektronok csak igen nagy energia árán mozdulhatnak el, így ezek az anyagok csak igen kis mértékben képesek villamos vezetésre (tökéletesen szigetelő anyag azonban nincs)
Elektromos munka és teljesítmény
Az elektromos munka a feszültség, az áramerősség és az áramlási idő szorzataként is számítható: Megegyezik a már beállt (állandó) hőmérsékletű fogyasztó által leadott hőmennyiséggel.
Az elektromos teljesítmény a fogyasztó kivezetései közt mért feszültség, és a fogyasztón áthaladó áram erősségének szorzata:
Az képlet alapján az elektromos teljesítményre a képlet is felírható.
Kondenzátorok
Az elektromos töltések felhalmozódására szolgáló eszköz.
Részei:
a fémlemezből kialakított - nagy felületű - ún. fegyverzetek
fegyverzet közötti szigetelőanyag (dielektrikum)
kivezetések
elektrolit-kondenzátor esetén fémlemezes tokozás és folyékony elektrolit.
A feltöltött kondenzátor lemezei között homogén tér elektromos tér van.
A kondenzátorok alakja változatos pl.: tabletta
cilinder ill. kocka. (Ezekben a vezető és szigetelő réteg fel van tekerve, hogy minél evesebb helyet foglaljon. A hagyományos kondenzátor kapcsolási jele:
elektrolit kondenzátorok: Felépítésük hasonló a sima papírkondenzátoréhoz, ám itt nem az elektrolittal átitatott papír a fontos, hanem az alumínium fegyverzet felületén kiképzett szigetelő oxid réteg. Ezért nagyon fontos hogy hogyan kötjük be őket. A bevonatukon általában jelzik a - ill. a + oldalt, ill. a maximálisan rákapcsolható feszültséget.
Az elektrolit kondenzátor kapcsolási jele:
A kondenzátorok legjellemzőbb adata a kapacitás, amely a kondenzátor fegyverzetére vitt töltés és a kondenzátor kimenetei között mért feszültség hányadosa.
A kapacitás jele: C
Képlete: ahol:
C: kapacitás [F] (farad "farád")
Q: a fegyverzeten lévő töltésmennyiség [Q]
U: kivezetések között mért feszültség [V]
A Farad igen nagy mértékegység, ezért általában kisebbeket használunk, pl: mikrofarad.
A síkkondenzátor kapacitása
egyenesen arányos a lemezek területével (A),
fordítottan arányos a lemezek közti távolsággal (d),
függ a szigetelőanyagtól is (εr).
Az elektromos mező a benne lévő töltések elmozdítja, mukavégzésre képes, így energiája van.
Az elektromos mezőmunkája a kondenzátorban lévő elektromos mező energiája.
Sorosan: Az eredő kapacitás reciproka egyenlő a részkapacitások reciprokainak összegével.
A két kondenzátoros rendszereken mért feszültség megoszlik a kondenzátorokon:.
Az egyes kondenzátorok fegyverzetei csak a szomszédos kondenzátorral vannak galvanikus kapcsolatban, így a kondenzátorok töltése megegyezik.
A kondenzátorokat általában akkor kapcsolják sorba, ha a kondenzátor üzemi feszültsége kisebb, mint a rákapcsolt hálózaté.
Párhuzamosan: Az eredő kapacitás egyenlő a részkapacitások összegével
A párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok feszültsége megegyezik.
.
Az egyes kondenzátorokat rendszerint a kapacitásuk növelésére kapcsolják párhuzamosan.
Vezetékek, kapcsolások
Az áramkörök részeinek összekapcsolásához vezetékeket használunk. Az áramköri diagrammon (kapcsolási rajzon) a vezetékeket vonalak jelzik. Ha a vezetékek keresztezik egymást, akkor a vonalak is a diagrammon. Ha csatlakoztatva vannak, akkor ezt egy pont jelzi. Ha az összetevőket sorosan kapcsoljuk, akkor a pontok nincsenek berajzolva.
Keresztezésre, csatlakozásra, soros csatlakoztatásra mutat példát az alábbi ábrasor:
Soros kapcsolás:
· A sorosan kapcsolt fogyasztók csak egyszerre működtethetőek.
· A sorosan kapcsolt fogyasztók esetén az áramerőség megegyezik.
· Az feszültségek eredője (a telep feszültsége) a fogyasztók kivezetéseinél mért feszültségek összegével.
· Az eredő ellenállás az ellenállások összegével egyenlő.
· Soros kapcsolásnál a nagyobb ellenállású fogyasztóra nagyobb feszültség jut, így az áramforrás feszültsége az ellenállások arányában oszlik meg.
Párhuzamos kapcsolás:
· A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók a közös áramforrásról egymástól függetlenül is működtethetőek.
· Fogyasztók párhuzamos kapcsolásakor a főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágakban folyó áramok erősségeinek összegével.
· A feszültségek megegyeznek.
· Az eredő ellenállás megegyezik az ellenállások szorzatának és összegének hányadosával:
vagy: az eredő ellenállás reciproka egyenlő részellenállások reciprokinak összegével:
Félvezetők, diódák
A leggyakoribb félvezető a Szilícium, mely vegyérték elektronjainak száma: 4. A Si kristályban minden atom négy másikhoz kapcsolódik, így nincsenek szabad töltéshordozók. ebben az állapotban a Si szigetelő.
A vegyértékelektronok kötődése azonban gyenge, így már alacsony hőre vagy fény hatására egyes elektronok elszakadnak, és szabad elektronokként mozognak tovább.
Minden leszakadt elektron helyén egy pozitív lyuk keletkezik. A szomszédos kötésekben lévő elektronok átugrálnak ebbe a lyukba, így az ő helyükön ismét egy pozitív lyuk keletkezik.
A tiszta Si-kristályban a pozitív lyukak és a szabad elektronok száma megegyezik. Ezt nevezzük saját vezetésnek.
A melegítés vagy az erősebb fény megnöveli az elektronok és lyukak számát, így a vezető ellenállása csökken.
Másik módszer az ellenállás csökkentésére, ha a kristályba szennyezőatomokat építenek be pl.: Foszfort (P). A Foszfornak 5 vegyértékelektronja van, de mivel ebből a kristálybeli kötések csak 4-et igényelnek, a felesleges 1 tehát szabaddá válik. Az 5 vegyértékű szennyezőatomos félvezetőben tehát elektrontöbblet van, így ezt n-típusú félvezetőknek nevezzük.
Ha a Si kristályba egy 3 vegyértékelektronnal rendelkező szennyezőatomot helyezünk pl: Bórt (B), akkor pozitív lyuk többlet alakul ki. Az ilyen félvezetőt p-típusú félvezetőnek nevezzük
· Egyrétegű félvezetők: pl: termisztorok, fotóellenállások
· Kétrétegű félvezetők (diódák): pl: fotodióda (napelem), LED, lézerdióda (CD-lejátszókban)
A dióda egy p és egy n típusú félvezető rétegből áll. A kettő találkozásánál a szabad elektronok és pozitív lyukak semlegesítik egymást, így egy határréteg alakul ki.
A dióda pozitív érintkezőjét anódnak, míg a negatívot katódnak nevezzük. Akkor folyik áram a diódán, ha a katód az áramforrás -, míg az anód az áramforrás + sarkához van kötve. Ha a dióda cilinder alakú, akkor a katódot (-) egy színes csík vagy a dióda rajza jelöli.
LED-ek esetében (világító dióda) a katód érintkezője rövidebb, és a katód oldalán bevágás van a házon.
A fotodióda (napelemek) határrétege megvilágítódik, és az itt elnyelődő fény energiája az elektronok és pozitív lyukak létrehozására, é megsemmisülésére fordítódik. A fotodióda tehát áramforrásnak is használható
A LEDeknél ellenkező energiaátalakulás megy végbe, mint a fotodiódáknál. Itt nyitó kapcsolás esetén a határrétegbe áramló és egymást megsemmisítő elektronok és pozitív lyukak energiája, fény formájában távozik.
Ha a dióda n végét az áramforrás -, míg p végét az áramforrás + kimenetéhez kötjük, akkor az elektromos mező feltölti a határréteget, és a dióda vezetni fog. Ezt nyitó irányú kapcsolásnak nevezzük.
Ha viszont az n végét a +, míg p végét a - kivezetéséhez kötjük, akkor az elektromos mező kivonja a töltéseket a határolórétegből, és a dióda szigetelni fog. Ez a záró irányú kapcsolás.
· Háromrétegű félvezetők:
A tranzisztort az amerikai Bell cégnél dolgozó Walter H. Brattain, John Bardeen és William Shockley fejlesztett ki 1948-ban.
A tranzisztor egy 3 kimenetelű félvezető, melynek tulajdonsága, hogy változik az ellenállása a bázis kimeneten folyó áramtól függően.
Egy tranzisztor 3 érintkezője: kollektor (C), bázis (B), emitter (E). Ezek közül a ház az emittert jelöli. Az érintkezők elhelyezkedésének megállapításhoz nem árt utána járnunk egy katalógusban.
A tranzisztor 3 félvezetőrétegből épül fel, ezek elhelyezkedésük alapján beszélünk PNP ill. NPN tranzisztorokról.
A tranzisztor ábrázolásán a vastag vonal jelzi a bázist. Ennek rézsutas meghosszabbítása a kollektor A harmadik vonalon nyíl van. Ez az emitter. Ha a nyíl az emitter felől a bázis felé mutat, akkor PNP tranzisztorról beszélünk. Amennyiben a bázis felől mutat az emitter felé, akkor NPN transztorról beszélünk.
Egyszerű példa a tranzisztorra: Kis mennyiségű vízzel, nagy víztömegeket mozgatni.
Képzeljünk el egy patakot, egy víztározót, ami a pataknál magasabban van, meg egy szivattyút, aminek nyitószelepje rugós.
Tegyünk egy alulról kilyukasztott hordót a nyitószelep karjára.
Tegyünk egy kis tömlőt a hordóba Ha a hordót feltöltjük vízzel, akkor az elforgatja a nyitószelepet, és a szivattyú kinyílik, és a víz a patakból a tározóba kerül.
Ha a kis tömlőt elzárjuk, a víz az alul fúrt pici lyukon lassan kifolyik, a rugó pedig lassan visszatolja a kart, ezzel zárva a szivattyút.
Mágneses mező
Mivel a mágnes két pólusát nem tudjuk egymástól elkülöníteni, a mágnese mezőt csak dipólussal tudjuk vizsgálni. A mágneses mező erősségén a dipólusra kifejtett forgatónyomatékával jellemzzük.
A mérésekre egy árammal átjárt lapos tekercset, magnetométert használunk. Egy mágnesen mező adott pontjában a magnetométerre ható maximális forgatónyomaték (M) egyenesen arányos a magnetométer menetszámával (N), A magnetométeren átfolyó áram erőségével (i), és a magnetométer területével (A).
Az hányadost mágnesen indukciónak nevezzük. Jle: B
A mágnesen fluxus az egy felületen áthaladó összes indukcióvonal. jele:, képlete:
Tekercsben a mágnesen indukció nagysága (B):
egyenesen arányos az áramerőséggel (I), és a menetszámmal (N)
fordítottan a tekercs hosszával.
ahol egy állandó, a légüres tér permeabilitása. Értéke:
Jobbkéz szabály: Ha jobb kezünket úgy tartjuk, hogy a behajlított ujjaink a tekercs menetvezetésének megfelelően álljanak (átr, akkor a kinyújtott hüvelykujjunk mutatja az indukció irányát.
Egyenes áramvezető mágneses mezőjében az indukció nagysága:
egyenesen arányos a vezetőben folyó áram erősségével (I)
fordítottan a vezetőtől mért távolsággal (r)
Jobbkéz szabály: Ha jobb kezünket úgy tartjuk, hogy a kifeszített hüvelykujjunk az áram irányába mutat, akkor a behajlított ujjak az indukció irányát mutatják.
Indukció
Mozgási elektromágneses indukció: pl.: generátorok
Ha egy vezetőt úgy mozgatunk, hogy az metssze a mágneses mező indukcióvonalait, akkor a vezetőben feszültség, zárt rendszer esetén elektromos áram indukálódik. Az így létrejövő áram indukált áramnak, a feszültséget pedig indukált feszültségnek nevezzük. A jelenség neve: mozgási indukció.
Az indukált feszültség egyenesen arányos a mágneses indukcióval (B), a vezető hosszával (l), és a mozgás sebességével (v).
Lenz törvénye: Az indukált áram iránya mindig olyan, hogy mágneses hatásával akadályozza az indukciót létrehozó folyamatot, változást.
Nyugalmi elektromágneses indukció
A változó mágneses mező körül örvényes elektromos mező alakul ki. Ez a jelenség a nyugalmi indukció.
N menetű tekercs kivezetései között mért feszültség:
Az indukált áram irányára itt is teljesül Lenz törvénye
Önindukció
A tekers áramának változásakor a tekercs belsejében is változik a mágneses fluxus. Emiatt a tekercsben feszültség indukálódik. Ezt a jelenséget önindukciónak nevezzük.
A nyugalmi indukció egy speciális esete
késlelteti az áramot (bekapcsolásnál az áram létrejöttét, kikapcsolásnál a megszűnését).
Az önindukció feszültsége:
A tekercs mágneses energiája egyenesen arányos a tekercs induktivitásával, és az ármerősség négyzetével:
Tekercsek, transzformátorok
A tekercsek egy vasmag köré feltekert vezetékből állnak. Ha elektromos áramot vezetünk a tekercsbe, akkor a vasmag elektromágnesként funkcionál.
A tekercs ellenáll a rajta keresztülfolyó áram változásainak. Olyan, mint egy felcsavart tömlő. Ha leveszzük a tömlő végét a csapról, akkor a víz még kis ideig folyni fog belőle.
A tekercsekre jellemező az induktivitás, melynek jele:, mértékegysége: H (henry)
A transzformátor egy közös vasmagból, és a a rajta lévő két tekercsekből áll. A nyugalmi indukció elvén működik. A két tekercs között a váltakozó áram mágneses mezeje létesít induktív kapcsolatot
Az a tekercs, ami az energiaforráshoz kapcsolódik: bemenetelnek, vagy primernek nevezzük, míg a másik tekercset kimenetlenek vagy szekundernek nevezzük.
A transzformátor primer és szekunder tekercsek kivezetésein mért feszültségek aránya megegyezik a két tekercs menetszámának hányadosával:
Az áramerősségek fordítottan arányosak a menetszámmal:
A transzformátor primer és szekunder oldalán vett teljesítmények egyenlőek:
A transzformátor szerepe:
A nagy távvezetékeknél nem szabad megfeledkezni arról, hogy a távvezetékeknek is van ellenállásuk, és a teljesítményveszteségről (), ami a környezet ill. a távvezeték melegítését okozza. A teljesítményveszteség az áramerősség négyzetével arányos, az áramerősség csökkentése gazdaságosnak tűnik. A összefüggés alapján kis áramerősséghez nagy feszültség szükséges, a fogyasztók által igényelt teljesítmény eléréséhez.
Erre alkalmazzák a transzformátort. A generátor és a távvezeték között feltranszformálják, míg a távvezeték végén letranszformálják.
Az első üzemi transzformátort Bláthy Ottó, Déri Miksa és Zipernowsky Károly építette 1885-ben.
A hatásfok a rendelkezésre álló energia felhasználásának mértéke. A hatásfok számítása:
ahol:
η – a hatásfok,
Eh – a hasznosult energia,
Eb – a befektetett (összes) energia.
A befektetett energia és a hasznosult energia különbsége az EV veszteség (amely hőként, hangként vagy egyéb formában a környezetbe távozik):
Az energiamegmaradás törvényéből következik, hogy a hatásfok 1-nél, vagy százalékban kifejezve 100%-nál nagyobb nem lehet. Gyakorlatilag a hatásfok mindig kisebb 100%-nál. A javítása a veszteség csökkentésével vagy egy részének hasznosításával történik.
A hétköznapi szóhasználatban az energia szó szerepel, de a valóságban többnyire a teljesítmény értékét számítjuk (bevezetett, kinyert teljesítmény és teljesítményveszteség). Ebben az értelemben a következő forma is helyes: ahol P a teljesítmény.
A mértékegységekkel és fizikai mennyiségekkel foglalkozó nemzetközi intézmények (BIPM, NIST, IUPAC) ezzel a kérdéssel nem foglalkoznak, mert a hatásfok az egy mértékegységű és egy dimenziójú mennyiségek közé tartozik. Az IUPAC Green Book harmadik kiadása magyarázat nélkül csupán a nevét említi az egy dimenziójú mennyiségekről szóló fejezetben (97. oldal: 3.10.1. Fractions (relative values, yields, and efficiencies).
Energiafolyam
Kombinált ciklusú erőmű tipikus energiafolyama
Q=A fűtőanyag energiája
GT=gázturbina által szolgáltatott energia
ST=gőzturbina által szolgáltatott energia
V1,V2,V3,V4,V5,V6=különböző veszteségek
A veszteségek több forrásból keletkezhetnek, ezt szemléletesen az energiafolyam diagramban (Sankey-diagram)(wd) szokták ábrázolni. Az energia áramlását százalékos értékével arányos vastagságú nyíllal jelölik, melyből az egyes veszteségek elágaznak, esetleg valamilyen energiahasznosító művelet segítségével visszaáramolnak a rendszerbe. Példaképpen egy kombinált ciklusú erőmű egyszerűsített energiafolyam ábrája látható, ahol az erőműbe bevezetett energiából a gázturbina által hajtott generátor szolgáltatta elektromos energia (GT) és a gőzturbina generátorának elektromos energiája a hasznos energia. Az erőmű összhatásfoka az ábra jelöléseivel:
{\displaystyle \eta ={\frac {GT+ST}{Q}}} {\displaystyle \eta ={\frac {GT+ST}{Q}}}
Összhatásfok
Az egyes veszteségek hatását részhatásfokkal lehet figyelembe venni. Az ilyen módon számolt hatásfokokkal az összhatásfok a részhatásfokok szorzatával egyenlő:
{\displaystyle \eta _{\ddot {o}}=\eta _{1}*\eta _{2}*...\eta _{n}\,} {\displaystyle \eta _{\ddot {o}}=\eta _{1}*\eta _{2}*...\eta _{n}\,}
Termikus hatásfok
Az ideális Carnot-ciklus hatásfoka : {\displaystyle \eta _{C}={\frac {W}{Q_{H}}}=1-{\frac {T_{0}}{T}}} {\displaystyle \eta _{C}={\frac {W}{Q_{H}}}=1-{\frac {T_{0}}{T}}}, ahol
{\displaystyle W} W a ciklusból nyert munka;
{\displaystyle Q_{H}} {\displaystyle Q_{H}} a hőenergia;
{\displaystyle T_{0}} T_{0} az alacsonyabb hőmérsékletű hőtartály
{\displaystyle T} T a magasabb hőmérsékletű hőtartály hőmérséklete
Carnot tétele szerint semmilyen termikus folyamat hatásfoka nem lépheti túl ezt az értéket.
Ha a ciklusok számának mértékegysége {\displaystyle 1} 1, akkor a munka és a hőmennyiség mértékegysége {\displaystyle {\rm {\frac {J}{1}}}} {\displaystyle {\rm {\frac {J}{1}}}}.
Ugyanezt a hatásfokot kapjuk, ha a munkavégző közeg tömegére vonatkoztatjuk a munkát és a hőmennyiséget, tehát mértékegységeik: {\displaystyle {\rm {\frac {J}{kg}}}} {\displaystyle {\rm {\frac {J}{kg}}}}
Részteljesítmény
Egy adott berendezés (erőgép vagy munkagép) hatásfokát több tényező befolyásolhatja, így környezeti tényezők (például légnyomás, külső hőmérséklet), de jelentősen változhat a hatásfok a terhelés függvényében. Sok veszteség nem, vagy csak kis mértékben függ a berendezés pillanatnyi teljesítményétől, vagyis a bevezetett energiától. Egy forgó villanymotor súrlódási vesztesége független attól, hogy teljes teljesítménnyel dolgozik vagy éppen üresjáratban forog. Az első esetben a hatásfoka a legnagyobb, a másodikban értéke zéró. A műszaki adatok között közölt hatásfok értékek általában a legkedvezőbb esetre értendők. Egy olyan gép értékelésénél, mely gyakran jár részterhelésen, tehát nemcsak a katalógusban megadott hatásfokot kell mérlegelni.
Alkalmazott képletek
Jele: C Két pontszerű töltés között a taszító- és vonzóerő nagysága egyenes arányos a töltések nagyságával, és fordítottan a töltések közti távolság négyzetével. képlet alakban: , ahol k egy arányossági tényező, ami a töltések közti anyag minősségétől függ. Légüres térben pl: (megközelítőleg levegős térben is ennyi) Coulomb törvénye szerint 1 C-nyi töltés a vele egyenlő nagyságú pontszerű töltésre 1 m távolságból 9*109 N erőt fejt ki légüres térben.
A töltésmegmaradás törvénye szerint: Zárt rendszerben a töltések összege áll.
Az elektromos térerősség, feszültség
Az elektromos töltéssel rendelkező testek az általuk létrehozott elektromos mező közvetítésével hatnak egymásra. A villamos töltések, a villamosan töltött testek környezetében villamos erőtér van jelen, amelynek jellemzésére bevezették a villamos térerősség fogalmát.
A térerősség a töltésre ható erő és a töltés nagyságának hányadosából számítható ki.
Az elektromos térerőség jele: E
Képlete:, mértékegysége:
A villamos erőtér az erővonalakkal szemléltethető. A térerősség vektorára merőleges 1 m2 felületre annyi erővonalat kell rajzolni, amekkora a térerősség. Az erővonalak a + töltés felől a - felé mutatnak.
A sztatikus (nyugvó) villamos mezőt létrehozó nyugvó villamos töltések elhelyezkedési módja szerint lehet:tértöltés: a tér minden irányában elhelyezkedhet, pl. izzó katód környezetében kialakuó elektronfelhő. felületi töltés: pl.: 3 dimenziós testek felületén, elhanyagolható vastagságban helyezkedhetnek el töltések vonalszerű töltések: hosszú, a hosszához képest elhanyagolható keresztmetszetű huzal mentén elhelyezkedő töltések pontszerű töltések: a test méretei elhanyagolhatóan kicsik, a töltés a test középpontjában koncentráltan jelentkezik.
Homogén villamos mezőről akkor beszélünk, ha az erővonalak hossza egyenlő és iránya azonos, tehát az erőtér minden pontjában párhuzamos. Közel homogén villamos tér alakul ki két ellentétes töltésű, egymással párhuzamosan elhelyezett fémlap, -ún. fegyverzet- között akkor, ha a fémlapok felülete jóval nagyobb, mint a távolságuk. pl.: síkkondenzátorok Minden töltés a másiktól függetlenül létrehozza a saját elektromos mezejét. Az egyes mezők térerősségeinek vektori összege az eredő térerősség. Ez a szuperpozíció elve. Az elektromos mező a benne lévő töltésekre mozgásuk közben erőt fejt ki, vagyis a mező munkát végez. Ez a munka az elmozduló töltések nagyságától, és magától a mezőtől is függ. Az elektromos mező által kifejtett erő egyenesen arányos a töltéssel, így a mező két pont között végzett munkája is egyenesen arányos a töltések nagyságával.
Az elektromos mező két pontja közötti feszültség (potenciál-különbség) az a munka, amelyet az erőtér, vagy a töltést mozgató erő végez, miközben egységnyi töltést az egyik pontból a másikba juttat.
Feszültség
Jele: U
képlete:, ahol:
W: a töltés mozgatására fordított munka [Joule - J]
Q: a töltés nagysága [Coulomb - C]
A feszültség mértékegysége [Volt - V], amit az olazs Alessandro Volta fizikusról neveztek el.
Két pont között a mező munkája és a feszültség is független a töltés útvonalától.
Az UAB feszültség pozitív ha az A pontból a térerősség irányába, vagyis B felé haladunk.
Az UAB feszültség az A pont B ponthoz viszonyított feszültségét jelenti. Gyakran egy közös O ponthoz is viszonyíthatunk. A közös ponthoz viszonyított feszültség neve: potenciál, a két pont közti feszültség pedig a potenciálkülönbség: UAB=UA-UB
A voltmérő kapcsolási rajza:
A voltmérőt mindig az áramkör azon két pontjához kell kell kapcsolni, amelyek közt a feszültséget mérni akarjuk. Amennyiben az áramforrás két kivezetésére kapcsoljuk, akkor az áramforrás feszültségét méri.
Az elektromos áram
Elektromos áramnak nevezzük az elektromos tulajdonságú részecskék meghatározott irányú, rendezett áramlását. Fémekben: a szabad elektronok áramlása, folyadékokban az ionok, gázokban pedig az elektronok és ionok áramlása az elektromos áram. Az elektronok a fémrács helyhez kötött ionjaiknak ütköznek, és lelassulnak. A vezető ezen töltésakadályozó mértékét ellenállásnak nevezzük.
Az elektromos áram irányán a + töltéshordozók áramlásának irányát értjük. Vagyis az elektromos áram a - pólus felől a + felé halad. Az elektromos áramot általában kémiai, mágneses, élettani, hő ill. fénytani hatása alapján érzékeljük. Az elektromos áramot áramerősséggel jellemezzük. Az áramerősség a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó töltésmennyiség.
Töltés
, ahol
Q: az átáramló töltésmennyiség [C]
t: idő alatt [s]
Jele: I, mértékegysége: A (amper)
Az ampermérő mindig a rajta áthaladó áram erősségét méri, így a fogyasztóval sorosan kell kapcsolni. Nem szabad fogyasztó nélkül az áramkörbe kapcsolni.
Erősebb elektromos áramról (nagyobb áramerősségről) beszélünk, ha a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt nagyobb töltésmennyiség halad át, vagy egységnyi töltésmennyiség kevesebb idő alatt áramlik át.
Áramsűrűség
A vezető egységnyi keresztmetszetén áthaladó áramerősség, ahol
I: az áramerősség [A]
A: a vezető keresztmetszete [A]
jele: J
[J]:
Az elektromos áram azért veszélyes, mert az emberi test is jó vezető. Ha az áramütés a szív egy bizonyos periódusa alatt éri a szívet, akkor már 1mA erősségű áram is halált okozhat.
Ellenállások, Ohm törvénye
Ohm törvénye szerint a villamos ellenállás a feszültség és az annak hatására kialakuló áramerősség hányadosával meghatározható mennyiség.
U: a feszültség [V]
I: az áramerősség [A]
Jele: R, [R]: Ω (ohm)
Maguk az ellenállások általában kerámiacsőből készülnek, melyek ellenálló bevonattal vannak ellátva (pl. grafit, vagy fém).
Az ellenállások kapcsolási jele:
A változtatható ellenállások (potenciométer) jele: vagy
A termisztor:
A termisztor egy speciális ellenállás, amely ellenállása a hőmérséklettől függ. Attól függően, hogy a termisztor ellenállása melegítésre nő vagy csökken, azt mondjuk, hogy a termisztor hőmérsékleti együtthatója pozitív vagy negatív.
Külsőre a termisztor gyakran hasonlít a kerámiakondenzátorokra. Az ellenállást számok vagy színek jelölik, ahol az első szín a kimenettel ellentétes oldalon van.
Az anyagok ellenállása a hőmérséklet növelésével általában növekszik. Ez nagyon sok esetben káros: pl.: villamos gépek melegedése során a tekercsek ellenállása jelentős mértékben növekedhet. Vannak azonban kivételek
A szén ellenállása pl. a hőmérséklet növelésével csökken. Az ilye anyagot tartalmazó villamos eszközöket, áramköri elemeket NTK-nak (Negatív thermo Koeficiens - negatív hőmérsékleti együttható).
A vezető ellenállása:
ρ: (ró) a vezető anyagának fajlagos ellenállása (Wmm2/m):
l: a vezető hossza (m)
A: a vezető keresztmetszete (mm2)
Mivel a számok hamar lekopnának, ezért az ellenállások értékét színes csíkok jelzik.
Ellenállások:
Tartsuk úgy az ellenállást, hogy a színes csíkok a bal oldalhoz legyenek közelebb, vagy a legszélesebb legyen a jobb oldalon.
Egy ellenálláson 3-5 csík lehet. A csíkokat balról jobbra olvassuk.
Ha 3, vagy 4 csík van, akkor az első kettő megadja az értéket, a 3. az érték utáni nullák számát.
Ha 5 csík van, akkor az első 3 adja meg az értéket, a 4. az érték utáni nullák számát.
A 10 ohm feletti ellenállások jelölésénél a numerikus érték túl nagy. Ilyenkor a számot elosztják 10-zel vagy 100-zal. Az utolsó csík adja meg a pontosságot. A színkódot az alábbi táblázat tartalmazza:
Ha a forgatható potenciométert változtatható ellenállásnak akarjuk használni, akkor egyik szélső végét, és csuszkához kapcsolódó középső kimenetet kell az áramkörbe kapcsolni.
Ha a csuszka közel van a véghez, akkor az ellenállás alacsony, illetve elhanyagolható. Ha a csuszka a másik véghez van közel, akkor az ellenálló réteg az érintkezők közé kerül, és az ellenállás az adott potenciométer maximális értékét veszi föl. Ezt az értéket jelöli a ház.
Egy példa a változtatható ellenállásra a rádió hangerejének állítása.
Vezető és szigetelő anyagok: Az egyes anyagok vezetőképessége atomjaik elektronszerkezetétől függ. A jó vezetők atomjainak elektronszerkezetén a külső héj nem telített, így az elektronok onnan viszonylag könnyen elmozdíthatóak. a félvezetők (Szilícium - Si, Germánium - Ge, Szelén - Se, stb.) vegytiszta állapotban szigetelők, félvezetőkké mestersége szennyezés után válnak.
a jó szigetelő anyagok részecskéinek külső szerkezete telített, zárt, így az elektronok csak igen nagy energia árán mozdulhatnak el, így ezek az anyagok csak igen kis mértékben képesek villamos vezetésre (tökéletesen szigetelő anyag azonban nincs)
Elektromos munka és teljesítmény
Az elektromos munka a feszültség, az áramerősség és az áramlási idő szorzataként is számítható: Megegyezik a már beállt (állandó) hőmérsékletű fogyasztó által leadott hőmennyiséggel.
Az elektromos teljesítmény a fogyasztó kivezetései közt mért feszültség, és a fogyasztón áthaladó áram erősségének szorzata:
Az képlet alapján az elektromos teljesítményre a képlet is felírható.
Kondenzátorok
Az elektromos töltések felhalmozódására szolgáló eszköz.
Részei:
a fémlemezből kialakított - nagy felületű - ún. fegyverzetek
fegyverzet közötti szigetelőanyag (dielektrikum)
kivezetések
elektrolit-kondenzátor esetén fémlemezes tokozás és folyékony elektrolit.
A feltöltött kondenzátor lemezei között homogén tér elektromos tér van.
A kondenzátorok alakja változatos pl.: tabletta
cilinder ill. kocka. (Ezekben a vezető és szigetelő réteg fel van tekerve, hogy minél evesebb helyet foglaljon. A hagyományos kondenzátor kapcsolási jele:
elektrolit kondenzátorok: Felépítésük hasonló a sima papírkondenzátoréhoz, ám itt nem az elektrolittal átitatott papír a fontos, hanem az alumínium fegyverzet felületén kiképzett szigetelő oxid réteg. Ezért nagyon fontos hogy hogyan kötjük be őket. A bevonatukon általában jelzik a - ill. a + oldalt, ill. a maximálisan rákapcsolható feszültséget.
Az elektrolit kondenzátor kapcsolási jele:
A kondenzátorok legjellemzőbb adata a kapacitás, amely a kondenzátor fegyverzetére vitt töltés és a kondenzátor kimenetei között mért feszültség hányadosa.
A kapacitás jele: C
Képlete: ahol:
C: kapacitás [F] (farad "farád")
Q: a fegyverzeten lévő töltésmennyiség [Q]
U: kivezetések között mért feszültség [V]
A Farad igen nagy mértékegység, ezért általában kisebbeket használunk, pl: mikrofarad.
A síkkondenzátor kapacitása
egyenesen arányos a lemezek területével (A),
fordítottan arányos a lemezek közti távolsággal (d),
függ a szigetelőanyagtól is (εr).
Az elektromos mező a benne lévő töltések elmozdítja, mukavégzésre képes, így energiája van.
Az elektromos mezőmunkája a kondenzátorban lévő elektromos mező energiája.
Sorosan: Az eredő kapacitás reciproka egyenlő a részkapacitások reciprokainak összegével.
A két kondenzátoros rendszereken mért feszültség megoszlik a kondenzátorokon:.
Az egyes kondenzátorok fegyverzetei csak a szomszédos kondenzátorral vannak galvanikus kapcsolatban, így a kondenzátorok töltése megegyezik.
A kondenzátorokat általában akkor kapcsolják sorba, ha a kondenzátor üzemi feszültsége kisebb, mint a rákapcsolt hálózaté.
Párhuzamosan: Az eredő kapacitás egyenlő a részkapacitások összegével
A párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok feszültsége megegyezik.
.
Az egyes kondenzátorokat rendszerint a kapacitásuk növelésére kapcsolják párhuzamosan.
Vezetékek, kapcsolások
Az áramkörök részeinek összekapcsolásához vezetékeket használunk. Az áramköri diagrammon (kapcsolási rajzon) a vezetékeket vonalak jelzik. Ha a vezetékek keresztezik egymást, akkor a vonalak is a diagrammon. Ha csatlakoztatva vannak, akkor ezt egy pont jelzi. Ha az összetevőket sorosan kapcsoljuk, akkor a pontok nincsenek berajzolva.
Keresztezésre, csatlakozásra, soros csatlakoztatásra mutat példát az alábbi ábrasor:
Soros kapcsolás:
· A sorosan kapcsolt fogyasztók csak egyszerre működtethetőek.
· A sorosan kapcsolt fogyasztók esetén az áramerőség megegyezik.
· Az feszültségek eredője (a telep feszültsége) a fogyasztók kivezetéseinél mért feszültségek összegével.
· Az eredő ellenállás az ellenállások összegével egyenlő.
· Soros kapcsolásnál a nagyobb ellenállású fogyasztóra nagyobb feszültség jut, így az áramforrás feszültsége az ellenállások arányában oszlik meg.
Párhuzamos kapcsolás:
· A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók a közös áramforrásról egymástól függetlenül is működtethetőek.
· Fogyasztók párhuzamos kapcsolásakor a főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágakban folyó áramok erősségeinek összegével.
· A feszültségek megegyeznek.
· Az eredő ellenállás megegyezik az ellenállások szorzatának és összegének hányadosával:
vagy: az eredő ellenállás reciproka egyenlő részellenállások reciprokinak összegével:
Félvezetők, diódák
A leggyakoribb félvezető a Szilícium, mely vegyérték elektronjainak száma: 4. A Si kristályban minden atom négy másikhoz kapcsolódik, így nincsenek szabad töltéshordozók. ebben az állapotban a Si szigetelő.
A vegyértékelektronok kötődése azonban gyenge, így már alacsony hőre vagy fény hatására egyes elektronok elszakadnak, és szabad elektronokként mozognak tovább.
Minden leszakadt elektron helyén egy pozitív lyuk keletkezik. A szomszédos kötésekben lévő elektronok átugrálnak ebbe a lyukba, így az ő helyükön ismét egy pozitív lyuk keletkezik.
A tiszta Si-kristályban a pozitív lyukak és a szabad elektronok száma megegyezik. Ezt nevezzük saját vezetésnek.
A melegítés vagy az erősebb fény megnöveli az elektronok és lyukak számát, így a vezető ellenállása csökken.
Másik módszer az ellenállás csökkentésére, ha a kristályba szennyezőatomokat építenek be pl.: Foszfort (P). A Foszfornak 5 vegyértékelektronja van, de mivel ebből a kristálybeli kötések csak 4-et igényelnek, a felesleges 1 tehát szabaddá válik. Az 5 vegyértékű szennyezőatomos félvezetőben tehát elektrontöbblet van, így ezt n-típusú félvezetőknek nevezzük.
Ha a Si kristályba egy 3 vegyértékelektronnal rendelkező szennyezőatomot helyezünk pl: Bórt (B), akkor pozitív lyuk többlet alakul ki. Az ilyen félvezetőt p-típusú félvezetőnek nevezzük
· Egyrétegű félvezetők: pl: termisztorok, fotóellenállások
· Kétrétegű félvezetők (diódák): pl: fotodióda (napelem), LED, lézerdióda (CD-lejátszókban)
A dióda egy p és egy n típusú félvezető rétegből áll. A kettő találkozásánál a szabad elektronok és pozitív lyukak semlegesítik egymást, így egy határréteg alakul ki.
A dióda pozitív érintkezőjét anódnak, míg a negatívot katódnak nevezzük. Akkor folyik áram a diódán, ha a katód az áramforrás -, míg az anód az áramforrás + sarkához van kötve. Ha a dióda cilinder alakú, akkor a katódot (-) egy színes csík vagy a dióda rajza jelöli.
LED-ek esetében (világító dióda) a katód érintkezője rövidebb, és a katód oldalán bevágás van a házon.
A fotodióda (napelemek) határrétege megvilágítódik, és az itt elnyelődő fény energiája az elektronok és pozitív lyukak létrehozására, é megsemmisülésére fordítódik. A fotodióda tehát áramforrásnak is használható
A LEDeknél ellenkező energiaátalakulás megy végbe, mint a fotodiódáknál. Itt nyitó kapcsolás esetén a határrétegbe áramló és egymást megsemmisítő elektronok és pozitív lyukak energiája, fény formájában távozik.
Ha a dióda n végét az áramforrás -, míg p végét az áramforrás + kimenetéhez kötjük, akkor az elektromos mező feltölti a határréteget, és a dióda vezetni fog. Ezt nyitó irányú kapcsolásnak nevezzük.
Ha viszont az n végét a +, míg p végét a - kivezetéséhez kötjük, akkor az elektromos mező kivonja a töltéseket a határolórétegből, és a dióda szigetelni fog. Ez a záró irányú kapcsolás.
· Háromrétegű félvezetők:
A tranzisztort az amerikai Bell cégnél dolgozó Walter H. Brattain, John Bardeen és William Shockley fejlesztett ki 1948-ban.
A tranzisztor egy 3 kimenetelű félvezető, melynek tulajdonsága, hogy változik az ellenállása a bázis kimeneten folyó áramtól függően.
Egy tranzisztor 3 érintkezője: kollektor (C), bázis (B), emitter (E). Ezek közül a ház az emittert jelöli. Az érintkezők elhelyezkedésének megállapításhoz nem árt utána járnunk egy katalógusban.
A tranzisztor 3 félvezetőrétegből épül fel, ezek elhelyezkedésük alapján beszélünk PNP ill. NPN tranzisztorokról.
A tranzisztor ábrázolásán a vastag vonal jelzi a bázist. Ennek rézsutas meghosszabbítása a kollektor A harmadik vonalon nyíl van. Ez az emitter. Ha a nyíl az emitter felől a bázis felé mutat, akkor PNP tranzisztorról beszélünk. Amennyiben a bázis felől mutat az emitter felé, akkor NPN transztorról beszélünk.
Egyszerű példa a tranzisztorra: Kis mennyiségű vízzel, nagy víztömegeket mozgatni.
Képzeljünk el egy patakot, egy víztározót, ami a pataknál magasabban van, meg egy szivattyút, aminek nyitószelepje rugós.
Tegyünk egy alulról kilyukasztott hordót a nyitószelep karjára.
Tegyünk egy kis tömlőt a hordóba Ha a hordót feltöltjük vízzel, akkor az elforgatja a nyitószelepet, és a szivattyú kinyílik, és a víz a patakból a tározóba kerül.
Ha a kis tömlőt elzárjuk, a víz az alul fúrt pici lyukon lassan kifolyik, a rugó pedig lassan visszatolja a kart, ezzel zárva a szivattyút.
Mágneses mező
Mivel a mágnes két pólusát nem tudjuk egymástól elkülöníteni, a mágnese mezőt csak dipólussal tudjuk vizsgálni. A mágneses mező erősségén a dipólusra kifejtett forgatónyomatékával jellemzzük.
A mérésekre egy árammal átjárt lapos tekercset, magnetométert használunk. Egy mágnesen mező adott pontjában a magnetométerre ható maximális forgatónyomaték (M) egyenesen arányos a magnetométer menetszámával (N), A magnetométeren átfolyó áram erőségével (i), és a magnetométer területével (A).
Az hányadost mágnesen indukciónak nevezzük. Jle: B
A mágnesen fluxus az egy felületen áthaladó összes indukcióvonal. jele:, képlete:
Tekercsben a mágnesen indukció nagysága (B):
egyenesen arányos az áramerőséggel (I), és a menetszámmal (N)
fordítottan a tekercs hosszával.
ahol egy állandó, a légüres tér permeabilitása. Értéke:
Jobbkéz szabály: Ha jobb kezünket úgy tartjuk, hogy a behajlított ujjaink a tekercs menetvezetésének megfelelően álljanak (átr, akkor a kinyújtott hüvelykujjunk mutatja az indukció irányát.
Egyenes áramvezető mágneses mezőjében az indukció nagysága:
egyenesen arányos a vezetőben folyó áram erősségével (I)
fordítottan a vezetőtől mért távolsággal (r)
Jobbkéz szabály: Ha jobb kezünket úgy tartjuk, hogy a kifeszített hüvelykujjunk az áram irányába mutat, akkor a behajlított ujjak az indukció irányát mutatják.
Indukció
Mozgási elektromágneses indukció: pl.: generátorok
Ha egy vezetőt úgy mozgatunk, hogy az metssze a mágneses mező indukcióvonalait, akkor a vezetőben feszültség, zárt rendszer esetén elektromos áram indukálódik. Az így létrejövő áram indukált áramnak, a feszültséget pedig indukált feszültségnek nevezzük. A jelenség neve: mozgási indukció.
Az indukált feszültség egyenesen arányos a mágneses indukcióval (B), a vezető hosszával (l), és a mozgás sebességével (v).
Lenz törvénye: Az indukált áram iránya mindig olyan, hogy mágneses hatásával akadályozza az indukciót létrehozó folyamatot, változást.
Nyugalmi elektromágneses indukció
A változó mágneses mező körül örvényes elektromos mező alakul ki. Ez a jelenség a nyugalmi indukció.
N menetű tekercs kivezetései között mért feszültség:
Az indukált áram irányára itt is teljesül Lenz törvénye
Önindukció
A tekers áramának változásakor a tekercs belsejében is változik a mágneses fluxus. Emiatt a tekercsben feszültség indukálódik. Ezt a jelenséget önindukciónak nevezzük.
A nyugalmi indukció egy speciális esete
késlelteti az áramot (bekapcsolásnál az áram létrejöttét, kikapcsolásnál a megszűnését).
Az önindukció feszültsége:
A tekercs mágneses energiája egyenesen arányos a tekercs induktivitásával, és az ármerősség négyzetével:
Tekercsek, transzformátorok
A tekercsek egy vasmag köré feltekert vezetékből állnak. Ha elektromos áramot vezetünk a tekercsbe, akkor a vasmag elektromágnesként funkcionál.
A tekercs ellenáll a rajta keresztülfolyó áram változásainak. Olyan, mint egy felcsavart tömlő. Ha leveszzük a tömlő végét a csapról, akkor a víz még kis ideig folyni fog belőle.
A tekercsekre jellemező az induktivitás, melynek jele:, mértékegysége: H (henry)
A transzformátor egy közös vasmagból, és a a rajta lévő két tekercsekből áll. A nyugalmi indukció elvén működik. A két tekercs között a váltakozó áram mágneses mezeje létesít induktív kapcsolatot
Az a tekercs, ami az energiaforráshoz kapcsolódik: bemenetelnek, vagy primernek nevezzük, míg a másik tekercset kimenetlenek vagy szekundernek nevezzük.
A transzformátor primer és szekunder tekercsek kivezetésein mért feszültségek aránya megegyezik a két tekercs menetszámának hányadosával:
Az áramerősségek fordítottan arányosak a menetszámmal:
A transzformátor primer és szekunder oldalán vett teljesítmények egyenlőek:
A transzformátor szerepe:
A nagy távvezetékeknél nem szabad megfeledkezni arról, hogy a távvezetékeknek is van ellenállásuk, és a teljesítményveszteségről (), ami a környezet ill. a távvezeték melegítését okozza. A teljesítményveszteség az áramerősség négyzetével arányos, az áramerősség csökkentése gazdaságosnak tűnik. A összefüggés alapján kis áramerősséghez nagy feszültség szükséges, a fogyasztók által igényelt teljesítmény eléréséhez.
Erre alkalmazzák a transzformátort. A generátor és a távvezeték között feltranszformálják, míg a távvezeték végén letranszformálják.
Az első üzemi transzformátort Bláthy Ottó, Déri Miksa és Zipernowsky Károly építette 1885-ben.
A hatásfok a rendelkezésre álló energia felhasználásának mértéke. A hatásfok számítása:
ahol:
η – a hatásfok,
Eh – a hasznosult energia,
Eb – a befektetett (összes) energia.
A befektetett energia és a hasznosult energia különbsége az EV veszteség (amely hőként, hangként vagy egyéb formában a környezetbe távozik):
Az energiamegmaradás törvényéből következik, hogy a hatásfok 1-nél, vagy százalékban kifejezve 100%-nál nagyobb nem lehet. Gyakorlatilag a hatásfok mindig kisebb 100%-nál. A javítása a veszteség csökkentésével vagy egy részének hasznosításával történik.
A hétköznapi szóhasználatban az energia szó szerepel, de a valóságban többnyire a teljesítmény értékét számítjuk (bevezetett, kinyert teljesítmény és teljesítményveszteség). Ebben az értelemben a következő forma is helyes: ahol P a teljesítmény.
A mértékegységekkel és fizikai mennyiségekkel foglalkozó nemzetközi intézmények (BIPM, NIST, IUPAC) ezzel a kérdéssel nem foglalkoznak, mert a hatásfok az egy mértékegységű és egy dimenziójú mennyiségek közé tartozik. Az IUPAC Green Book harmadik kiadása magyarázat nélkül csupán a nevét említi az egy dimenziójú mennyiségekről szóló fejezetben (97. oldal: 3.10.1. Fractions (relative values, yields, and efficiencies).
Energiafolyam
Kombinált ciklusú erőmű tipikus energiafolyama
Q=A fűtőanyag energiája
GT=gázturbina által szolgáltatott energia
ST=gőzturbina által szolgáltatott energia
V1,V2,V3,V4,V5,V6=különböző veszteségek
A veszteségek több forrásból keletkezhetnek, ezt szemléletesen az energiafolyam diagramban (Sankey-diagram)(wd) szokták ábrázolni. Az energia áramlását százalékos értékével arányos vastagságú nyíllal jelölik, melyből az egyes veszteségek elágaznak, esetleg valamilyen energiahasznosító művelet segítségével visszaáramolnak a rendszerbe. Példaképpen egy kombinált ciklusú erőmű egyszerűsített energiafolyam ábrája látható, ahol az erőműbe bevezetett energiából a gázturbina által hajtott generátor szolgáltatta elektromos energia (GT) és a gőzturbina generátorának elektromos energiája a hasznos energia. Az erőmű összhatásfoka az ábra jelöléseivel:
{\displaystyle \eta ={\frac {GT+ST}{Q}}} {\displaystyle \eta ={\frac {GT+ST}{Q}}}
Összhatásfok
Az egyes veszteségek hatását részhatásfokkal lehet figyelembe venni. Az ilyen módon számolt hatásfokokkal az összhatásfok a részhatásfokok szorzatával egyenlő:
{\displaystyle \eta _{\ddot {o}}=\eta _{1}*\eta _{2}*...\eta _{n}\,} {\displaystyle \eta _{\ddot {o}}=\eta _{1}*\eta _{2}*...\eta _{n}\,}
Termikus hatásfok
Az ideális Carnot-ciklus hatásfoka : {\displaystyle \eta _{C}={\frac {W}{Q_{H}}}=1-{\frac {T_{0}}{T}}} {\displaystyle \eta _{C}={\frac {W}{Q_{H}}}=1-{\frac {T_{0}}{T}}}, ahol
{\displaystyle W} W a ciklusból nyert munka;
{\displaystyle Q_{H}} {\displaystyle Q_{H}} a hőenergia;
{\displaystyle T_{0}} T_{0} az alacsonyabb hőmérsékletű hőtartály
{\displaystyle T} T a magasabb hőmérsékletű hőtartály hőmérséklete
Carnot tétele szerint semmilyen termikus folyamat hatásfoka nem lépheti túl ezt az értéket.
Ha a ciklusok számának mértékegysége {\displaystyle 1} 1, akkor a munka és a hőmennyiség mértékegysége {\displaystyle {\rm {\frac {J}{1}}}} {\displaystyle {\rm {\frac {J}{1}}}}.
Ugyanezt a hatásfokot kapjuk, ha a munkavégző közeg tömegére vonatkoztatjuk a munkát és a hőmennyiséget, tehát mértékegységeik: {\displaystyle {\rm {\frac {J}{kg}}}} {\displaystyle {\rm {\frac {J}{kg}}}}
Részteljesítmény
Egy adott berendezés (erőgép vagy munkagép) hatásfokát több tényező befolyásolhatja, így környezeti tényezők (például légnyomás, külső hőmérséklet), de jelentősen változhat a hatásfok a terhelés függvényében. Sok veszteség nem, vagy csak kis mértékben függ a berendezés pillanatnyi teljesítményétől, vagyis a bevezetett energiától. Egy forgó villanymotor súrlódási vesztesége független attól, hogy teljes teljesítménnyel dolgozik vagy éppen üresjáratban forog. Az első esetben a hatásfoka a legnagyobb, a másodikban értéke zéró. A műszaki adatok között közölt hatásfok értékek általában a legkedvezőbb esetre értendők. Egy olyan gép értékelésénél, mely gyakran jár részterhelésen, tehát nemcsak a katalógusban megadott hatásfokot kell mérlegelni.
Alkalmazott képletek
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése