Alapfogalmak: elektromos töltés, áram, feszültség

A fejezet tartalma:

Elektromos jelenségek

Az elektromos jelenség felfedezői az ókori görögök voltak, akik észrevették, hogy a szórmével megdörzsölt borostyán gombok magukhoz vonzanak könnyű anyagokat, mint például a szőrszálakat. A jelenség tudományos vizsgálatára és értelmezésére azonban bő két évezredet kellett várni.

A Wikipedia "Elektromos töltés" című szócikkében ez olvasható a felfedezés folyamatáról:

Hosszú szünet után 1600-ban az angol William Gilbert kezdett ezzel a jelenséggel foglalkozni, a De Magnete c. munkájában használta a görög ηλεκτρον (elektron, „borostyán”) szóból eredeztethető modern latin electricus szót, ami hamarosan az angol „electric, electricity” szavak megszületéséhez vezetett.

1660-ban Otto von Guericke feltalálta az elektrosztatikus generátort.

1675-ben Robert Boyle kijelentette, hogy az elektromos vonzás és taszítás vákuumon keresztül is hat.

1729-ben Stephen Grey  osztályozta az anyagokat, mint vezetőket és szigetelőket.

1733-ban Charles François de Cisternay du Fay  észrevette, hogy az elektromosságnak két fajtája van, amik kioltják egymást. A pozitív és negatív töltések létét folyadékmodellben képzelte, ezért elméletét „kétfolyadék-elméletnek” nevezte. Akkori szóhasználattal élve, Du Fay megfogalmazása szerint, az üveget selyemmel dörzsölve, az üveg „üveges” elektromossággal töltődik, és a borostyánt pedig szőrmével dörzsölve, a borostyán „gyantás” elektromossággal töltődik.

A 18. században Benjamin Franklin volt az elektromosság egyik legjobb szakértője, aki az „egyfolyadék-elmélet” mellett érvelt. Franklin olyan folyadéknak képzelte az elektromosságot, ami minden anyagban jelen van, mint a gáz a leideni palackban. Úgy gondolta, hogy a szigetelő felületek összedörzsölése ezt a folyadékot helyváltoztatásra kényszeríti és a folyadék áramlása elektromos áramot hoz létre, ha egy anyagban túl kevés a folyadék, akkor a töltése negatív, ha pedig túl sok, akkor pozitív. Önkényesen vagy fel nem jegyzett okból a „pozitív” kifejezést az „üveges” elektromossággal, a „negatívot” pedig a „gyantás” elektromossággal azonosította. William Watson nagyjából ugyanebben az időben ugyanerre a magyarázatra jutott.

Bár nagyon leegyszerűsítve, de a Franklin-Watson modell közel van a mai felfogásunkhoz. Az anyag sokféle töltött részecskéből áll, zömében a pozitív töltésű protonból és a negatív töltésű elektronból. Egyféle elektromos áram helyett sokféle van: elektronok árama, „elektronlyukak” árama, amelyek pozitív „részecskeként” viselkednek, vagy elektrolitikus oldatokban mind negatív, mind pozitív ionok ellentétes irányú árama. Az elektromos áram irányát azonban - Franklin konvencióját követve – ma is a pozitív töltések áramlásának irányával definiáljuk. Ez a megegyezés egyértelművé teszi az összefüggésekben, számolásokban az előjeleket, annak ellenére, hogy természetesen az egyes vezetőkben (elektrolitokban, félvezetőkben, plazmában akár két- vagy többféle elektromos töltés áramlik ellentétes irányban. De nem szabad megfeledkezni arról sem, hogy az elektronok tényleges áramlásának iránya a fémekben – ami a tipikus áramvezetés esete – éppen ellentétes az így definiált áramiránnyal.

Foglaljuk össze:

Mai ismereteink szerint az elektromos jelenségek oka az atomon belül található egyes részecskék elektromos tulajdonsága. Az atom fő alkotóelemei közül az atommagban található proton pozitív, míg, az atommag körül keringő elektronok pontosan ugyanakkora értékű, de ellentétes előjelű (negatív) töltéssel rendelkeznek.

Az atomon belül általában ugyanannyi proton van, mint elektron. A kétféle, ellentétesen töltött részecskék villamosan egymást semlegesítik. Ugyanez mondható el anyagaink nagyobb térfogatú részeiről is. Ha a semleges állapotot megbontjuk azzal, hogy töltött részeket, például elektronokat szakítunk ki és távolítunk el (ez történik például, ha az üvegrudat selyemmel dörzsüljük), akkor a visszamaradó anyag pozitív töltéstöbblettel fog rendelkezni, röviden pozitív töltésű lesz. Ha pedig a dörzsőlő anyagról szakítunk ki elektronokat, és viszünk át a megdörzsölt anyagra (pl. szőrmével dörzsölünk borostyánkő ékszert, vagy ebonitrudat), akkor a megdörzsölt test elektrontöbblettel rendelkezik, azaz negatív töltésű lesz.

Ha két, ellentétes töltésű tárgyat összeérintünk, akkor az ellenetétes töltések kiegyenlítik egymást.

Az elektromos töltés

Az elektron (vagy a proton) elektromos töltése a gyakorlatban előforduló legkisebb töltésmennyiség, az úgynevezett "elemi töltés".

Az elektromos töltés jele: Q vagy q.

Az elektromos töltés SI mértékegysége: a coulomb, amely az elemi töltés 6,24 x 1018-szorosa, a jele: C. 
Megfordítva: az elektron töltése, az elemi töltés:  −1,603⋅10−19 C.

Az elektrosztatikus kölcsönhatás

Az elektromos töltések egymásra erővel hatnak. Az azonos töltések taszítják, a különneműek pedig vonzzák egymást. Egy Q1 és egy Q2 nagyságú, pontszerű töltés között ható elektrosztatikus erő nagysága Coulomb törvénye szerint:





Az elektromos feszültség

A két, pontszerű töltés között ható eletrosztatikus erő fenti képletét úgy is értelmezhetjük, hogy a Q1 töltés maga körül egy E = k*q1/r2 nagyságú elektromos erőteret kelt, amellyel a Q2 töltés kölcsönhat. Ez az erőtér centrális és konzervatív, tehát ha a Q2 töltés egy rögzített A pontból egy rögzített B pontba kerül, az erőtér rajta végzett munkája csak a Q2 töltés nagyságától függ (WAB/q2 = állandó).

Ez az állandó – amely független attól, hogy milyen úton került az A pontból a B pontba a Q2 töltés – jellemző az elektromos tér AB pontpárjára. Ezt a mozgatott töltéstől független, csak a mező két pontjára jellemző skalármennyiséget az elektromos tér A pontjának B pontjához viszonyított feszültségének nevezzük. Jele: UAB.

A feszültség mértékegysége a volt = joule/coulomb, jele: V.

A feszültség számértéke egyenlő azzal a munkával, amit az elektromos mező végez az egységnyi, pozitív töltésen, míg az A pontból a B pontba jut. A mező két pontja között akkor 1 V a feszültség, ha a mező +1 C töltés átvitelekor 1 J munkát végez. Ha negatív töltés mozog A-tól B-ig, vagy pozitív töltést mozgatunk a mező ellenében B-től A-ig, akkor negatív munkavégzés történik. Ezt előjellel fejezzük ki, tehát a feszültség előjeles mennyiség. (Ahogy a munka is előjeles skalár.)

Az elektromos potenciál

A feszültség az elektromos tér AB pontpárjához tartozik. Az elektromos tér bármely A pontjának egy rögzített O hivatkozási ponthoz viszonyított feszültsége az elektromos tér A pontbeli potenciálja.

UA = UAO

A munkavégzés úttól való függetlensége, az elektrosztatikus mező konzervatív tulajdonsága azt is megengedi, hogy bármely pontot választhatjuk viszonyítási pontnak, azaz 0 potenciálú pontnak. Elektrosztatikai kísérletekben, feladatokban gyakran a végtelen távoli pontot vagy a föld potenciálját választjuk 0-nak.

Két, tetszőleges pont közötti feszültség kifejezhető a két pont potenciáljának a különbségével:

UAB = UA - UB

Az elektromos áram

Ahogy fentebb láttuk, az elektromos erőtér a töltésekre erőt fejt ki: F = E * Q. Ha a töltött test szabadon mozoghat, akkor ennek az erőnek a hatására a test mozgásba jön. A mozgásállapot-változás oka az, hogy a töltés tartózkodási helyén a térerősség nem nulla. Így történik ez egy fémes vezető belsejében is, ha a vezető két végére feszültséget kapcsolunk. A pozitív töltések abba az irányba mozdulnak el, amerre a térerősség mutat, míg a negatív töltések esetén az elmozdulás iránya a térerősség irányával ellentétes.

A töltött részecskék rendezett áramlását elektromos áramnak nevezzük. Az elektromos áram egyik legfontosabb jellemzője az áramerősség, jele: I.

I = Q/t

ahol Q jelenti a t idő alatt az adott felületen átáramlott töltésmennyiséget.

Az áramerősség mértékegysége a definíció alapján 1 (C/s) , amit Andre Marie Ampére (1775-1836) francia fizikus tiszteletére 1 A-nek (1 amper) nevezünk Egy amper tehát az áramerősség akkor, ha a vezető bármely keresztmetszetén egy coulomb töltés halad át egy másodperc alatt. Gyakran használjuk ennek ezred illetve milliomod részét, a mA és μA (mikroamper) egységeket is.

Az egyenáram

Abban az esetben, ha az áramerősség értéke időben állandó, akkor egyenáramról (stacionárius áramról) beszélünk.

Az elektromos tér a különböző előjelű töltéseket különböző irányba mozgatja. Megállapodás szerint az áram irányának a pozitív töltések mozgási irányát, vagyis a térerősség irányát választjuk. Fémes vezetők esetében az elektromos áram az elektronok mozgásából származik, ezért itt a töltött részecskék mozgási iránya az áram irányával ellentétes. Elektrolitok esetében a pozitív és negatív töltésű ionok egyszerre mozognak. Az ellentétesen mozgó különnemű töltések ugyanolyan irányú áramot jelentenek, tehát az áramerősséget a pozitív töltések alkotta áram erősségének és a negatív töltések alkotta áram erősségének az összege adja.

Felhasznált anyagok: