📚 Elmélet: Alapfogalmak, ellenállás-kondenzátor-tekercs

Utoljára frissítve: 2023. 11. 08. 19:45:13

Eben a fejezetben bemutatjuk az elektromos áram alapfogalmait, milyen egyszerű lehetőségeink vannak előállítani, tárolni és átalakítani.

Alapfogalmak

Elektromos áram és feszültség

Az elektromos eszközök elektromos árammal működnek. Az elektromos áram olyan mint egy folyó, áramol, tehát folyamatosan egyik helyről a másikra - csak itt nem vízről, hanem elektromos töltéshordozókról, elektronokról van szó.Az áram jele I és amperban mérjük.

A víz nem folyik önmagától sehova - nem fog kifolyni a pohárból, hanem állni fog. Ezen akkor tudunk változtatni, ha olyan állapotba hozzuk/lehetőséget adunk neki/ösztönözzük hogy tudjon folyni, pl. egy üvegből, ami magasabban van mint a pohár ahova kitöltenénk. Ezt a lehetőséget nevezzük az elektromosságtanban potenciálnak. A potenciált voltban mérjük.

Ugyanakkor a potenciál egy adott helyre vonatkozik, kifejezetten fix helye nincs. Adott helyen a föld potenciálját szokás nullának venni. Ezzel viszont vigyázni kell - Budapesten például közel sem biztos, hogy ugyanannyi a föld potenciálja, mint Debrecenben.

Ahhoz, hogy valami folyni tudjon, ahhoz kell egy kiindulópont és egy megérkezési hely. Két ilyen hely potenciáljának a különbségét nevezzük elektromos feszültségnek, aminek U a jele és szintén volt a mértékegysége. Fontos észrevenni, hogy nem mindegy, hogy a két pont melyike a kezdőpont és melyike a végpont. Ettől függően a feszültség lehet pozitív és negatív is! Ahogy a tárgyak is mindig magasabbról esnek alacsonyabb helyekre, úgy az elektromos áram is a nagyobb potenciál (pozitív pólus) fog a kisebb potenciál (negatív pólus) felé áramolni.

Ellenállás

Egy tökéletes világban minden ami árammal menne nem melegedne, nem fogyasztana sok energiát, nem kéne sosem tölteni, és nem menne tönkre. Sajnos ettől még egy kicsit messze vagyunk.

Az első és legnagyobb probléma, amit meg kell oldani, hogy minden anyag ami le tudunk gyártani egy kissé érdes, és a rajtuk áthaladni akaró elektronok beleütköznek, lelassulnak. Ez nevezzük elektromos ellenállásnak. Másik oldalról viszont nagyon jó, hogy az ellenállás létezik, hiszen így tudunk olyan anyagokat is gyártani amikben egyáltalán nem képes haladni az elektromos áram és így biztonságosan megfoghatunk elektromos árammal működő eszközöket.

Attól függően, hogy mekkora az ellenállása egy anyagnak úgy általában - ezt nevezzük fajlagos ellenállásnak - három kategóriába lehet sorolni:

1. vezető
2. szigetelő
3. félvezető

A vezető alapvetően elég egyértelmű - olyan anyag amiben aránylag gond nélkül tud áram folyni. Ide tartozik a legtöbb fém, de pl. a csapvíz is.

A szigetelő ezzel szemben olyan anyag amiben nagyon rosszul vagy egyáltalán nem tud folyni az áram. Ilyen a gumi, száraz fa, legtöbb műanyag, üveg, vagy a porcelán.

Az ellenállást ohmban mérjük.

Az ellenállás (az elektronikai alkatrész) egy olyan rosszul vezető anyag, aminek pontosan ki van számítva az ellenállása. Általában ezt úgy érik el, hogy egy ellenálláshuzalból adott átmérőjű és hosszú darabot levágnak. Egy huzalnak az ellenállása arányos a hoisszával és fordítva arányos az átmérőjével. Azaz minél hosszabb és/vagy vékonyabb egy huzal annál nagyobb az ellenállása.

Ohm törvénye

Az egyik legfontosabb elektromos összefüggés az áram, a feszültség és az ellenállás összefüggése.

Ugye az áram akkor tud folyni, ha van egy ösztönző erő, ami a feszültség. Az ellenállás egy ellenerő, tehát minél nagyobb az ellenállás annál kevésbé tud folyni az áram. Ezt úgy lehet összegezni, hogy két pont között az átfolyó áram arányos a pontok közötti feszültséggel és fordítottan arányos az ellenállással, azaz I = U / R.

Az alábbi interaktív bemutatón ki is tudod próbálni az ohm-törvényt - ahogy növeled a feszültséget, úgy fog nőni az átfolyó áram nagysága. Ha pedig az ellenállást változtatod szintén, de itt pont fordított az arányosság.

Elektromos energia tárolása

Az elem

Az elektromos áram egy vezetékben nem jön létre csak úgy. Kell egy valamilyen eszköz, ami feszültséget hoz létre, és ezáltal áramoltatni tud elektronokat. Az egyik ilyen eszköz az elem.

Az elem egy olyan eszköz, amely vegyi úton tárol elektromos energiát.

Amikor elemben tároljuk az elektromosságot nem beszélünk elektromos áramról, mert ahhoz az elektromosságnak egyik helyről a másik helyre kell eljutnia. Helyette egy elemben töltés van tárolva. Ha kellően sok töltés van egy elemben akkor az elem két pólusán feszültség jön létre.

Minden elem két különböző fémből, egy tartóból, és egy savból áll, amibe a két fémet belelógatják. A legelső elem sós vízbe rakott réz és cink darabok voltak. Modern elemeknél az egyik fém csatlakozó maga a tartály, amibe a savat öntik.

Az elemekhez nagyon hasonló eszköz az akkumulátor, ez abban különbözik az elemektől, hogy újratölthetőek.

A kondenzátor

Az elemhez nagyon hasonló mégis teljesen más elven működő eszköz a kondenzátor. Itt is két fémlemez van, de nem savba mártjuk őket hanem levegőt vagy egyéb anyagot rakunk közé ami nem vezeti az áramot. Tehát egy kondenzátor két vezető réteg között egy szigetelő. De ez miért jó és egyáltalán hogyan működhet? Az elektromosságnak van egy olyan tulajdonsága, hogy maga körül egy erőteret hoz létre. Azáltal, hogy a két vezető között egy szigetelő van nem tud áram folyni - ezért az egyik oldalon elektronok halmozódnak fel, azaz töltés jön létre. Azt, hogy egy kondenzátor mekkora töltést tud tárolni, kapacitásnak nevezzük és ez a kondenzátorok meghatározójellemzője, mértékegysége a farad.

A fő különbség egy elem és egy kondenzátor között az idő. Egy elem sokkal tovább képes a töltését tárolni, míg egy kondenzátor akár órák vagy percek alatt önmagában "lemerül", még csak terhelés sem kell hozzá. Máshogyan megközelítve egy kondenzátor sokkal koncentráltabban tudja leadni (kisütni) a töltését (sok elektron - nagy áramerősség!) és sokkal gyorsabban. Akkumulátorok esetén pedig a töltési idő is különböző: egy akkumulátort akár órákig is eltart biztonságosan feltölteni, míg egy kondenzátor akár a másodperc töredéke alatt feltöltődik. Mindezeknél is fontosabb talán, hogy minden töltéssel és kisütéssel mind az akkumulátorok mind a kondenzátorok kicsit elhasználódnak, egy kondenzátor nagyságrendekkel többször tölthető fel és süthető ki.

Kondenzátorból rengeteg fajta létezik, ez elsősorban a felhasznált anyagok miatt van így. Mindegyik egy kicsivel más mint a többi, de igazából ugyanúgy működnek, a különbségek a részletekben vannak, ezek pedig csak érzékeny kapcsolásoknál számítanak igazán. Egy nagyon fontos kivétel van, ez pedig az elektrolit kondenzátor, amit mi a szakkörben gyakran rövidítünk elkónak. Ennek különlegessége, hogy a szigetelő réteg egy papírlap, amit átitatnak egy speciális folyadékkal, az elektrolittal. Ennek hatása, hogy méretéhez képest sokkal nagyobb tud lenni a kapacitása, de a két lábának polaritása lesz, nem lehet akárhogy bekötni, mint egy sima kondenzátort, ami ugye csak két vezető és egy szigetelő.

A tekercs

A tekercs egy darab vezeték körkörösen - nos, feltekercselve. A kondenzátornál már volt szó róla, hogy az elektromos áram egy erőteret hoz létre maga körül. Tekerccsel ezt az erőteret lehet felerősíteni. Ellentétben viszont a kondenzátorral, a tekercs egyfajta katapultként gyorsítja a rajta áthaladó elektronokat, nem pedig megakadályozza a továbbfolyásukat. A tekercsek elektromos hatását (azt, hogy milyen nagy elektromos teret tud létrehozni) indukciónak nevezzük, mértékegysége a henry.

Szintén használható energia ideiglenes tárolására, és simítására, de mivel az energiát nem a vezetékben/lapokon tárolja, hanem az erőtérben, ezért a tekercseknek van egy sokkal fontosabb felhasználása is, ez nem más mint a (váltakozó) áram átalakítása.

Az elektromos energia átalakítása

A transzformátor

A transzformátorok (vagy trafók) célja, hogy mágneses úton alakítsuk át a feszültséget és az áramerősséget. Három fő része van: primer tekercs, szekunder tekercs és közös vasmag.  A primer tekercsen áramot folyatva felépül egy időben változó mágneses tér, ami a vasmagon keresztül záródik. Mivel közös a vasmag (mindkét tekercs ugyanarra a vasra van feltekerve) ezért a primer tekercs által keltett mágneses indukcióvonalak átmennek a szekunder tekercsen is, ahol feszültség fog indukálódni. A szekunder tekercsen mérhető feszültséget a transzformátor áttétele határozza meg, ami a tekercsek menetszámainak aránya (n1:n2).

Ezt az adatlapon is lehet látni, amire pl: 230/40 V van írva. Azaz a transzformátor primer tekercsére 230V-ot kötve a szekunder tekercsen 40V mérhető. Mindig oda kell figyelni melyik tekercsre mit kötünk rá, mert fordítva is működik a trafó. Azaz ha a 40 voltos tekercsre kötöm a 230 voltot, akkor a másik tekercselésen nagyobb (lehet hogy életveszélyes) feszültséget kapunk!

A transzformátornak van egy második, talán még fontosabb tulajdonsága is - mivel a primer és a szekunder tekercsek között nincsen fizikai összeköttetés, ezért bizonyos értelemben két külön áramkörről is beszélhetünk. Ennek legfontosabb következménye, hogy ha bármi okból a transzformátor vagy a eszköz amibe beépítették megsérül, a primer oldal feszültsége nem tud a szekunder oldalra kerülni átalakítás nélkül. Kisfeszültségnél ez nem tűnik fontosnak, de a konnektorban lévő 230 V életveszélyes! Éppen ezért azoknál az eszközöknél, amelyek amúgyis 5-12-24 volttal működnek, a transzformátor egyben biztonsági funkciók is ellát!