Amint korábban említettük, nem csak egy folyamatos útvonalra (azaz áramkörre) van szükségünk ahhoz, hogy a töltés folyamatos áramlása létrejöjjön: szükségünk van arra is, hogy ezeket a töltéshordozókat az áramkörben továbbítsuk. Akárcsak a golyók a csőben vagy a víz a csőben, valamilyen befolyásoló erőre van szükség az áramlás beindításához. Az elektronok esetében ez az erő ugyanaz az erő, amely a statikus elektromosságban is működik: az elektromos töltés kiegyensúlyozatlansága által létrehozott erő. Ha az egymáshoz dörzsölt viasz és gyapjú példáját vesszük, azt tapasztaljuk, hogy a viaszban lévő elektronok többlete (negatív töltés) és a gyapjúban lévő elektronok hiánya (pozitív töltés) a töltés egyensúlytalanságát hozza létre közöttük. Ez az egyensúlyhiány a két tárgy közötti vonzóerőben nyilvánul meg:
Ha a töltött viasz és a gyapjú közé egy vezető drótot helyezünk, az elektronok átáramlanak rajta, mivel a viaszban lévő elektronfelesleg egy része a dróton keresztül visszasiet a gyapjúba, és kitölti az ott lévő elektronhiányt:
A viaszban lévő atomok és a gyapjúban lévő atomok közötti elektronegyenlőtlenség erőhatást hoz létre a két anyag között. Mivel az elektronoknak nincs útja a viaszból a gyapjúba, ez az erő csak arra képes, hogy a két tárgyat egymáshoz vonzza. Most azonban, hogy egy vezető áthidalja a szigetelőrést, az erő arra készteti az elektronokat, hogy egyenletes irányban áramoljanak a vezetéken keresztül, ha csak pillanatnyilag is, amíg az adott területen a töltés semlegesül, és a viasz és a gyapjú közötti erő csökken. A két anyag között az egymáshoz dörzsölődéssel kialakuló elektromos töltés bizonyos mennyiségű energia tárolására szolgál. Ez az energia nem különbözik attól az energiától, amelyet egy magasan fekvő víztározóban tárolnak, amelyet egy alacsonyabban fekvő tóból szivattyúztak ki:
A gravitáció hatása a tározóban lévő vízre olyan erőt hoz létre, amely megpróbálja a vizet ismét lefelé, az alacsonyabb szintre mozgatni. Ha a tározóból egy megfelelő csövet vezetünk vissza a tóba, a víz a gravitáció hatására a tározóból a csövön keresztül lefelé áramlik:
Az alacsony szintű tóból a magas szintű tározóba való szivattyúzáshoz energia kell, és a víznek a csövön keresztül az eredeti szintre való visszamozgása a korábbi szivattyúzás során tárolt energia felszabadulását jelenti. Ha a vizet még magasabb szintre szivattyúzzuk, akkor ehhez még több energiára van szükség, tehát még több energia tárolódik, és még több energia szabadul fel, ha a víz egy csövön keresztül ismét lefelé áramlik:
Az elektronok nem sokban különböznek. Ha viaszt és gyapjút dörzsölünk egymáshoz, akkor elektronokat “pumpálunk” el a normális “szintjeikről”, olyan állapotot teremtve, ahol a viasz és a gyapjú között egy erő áll fenn, mivel az elektronok igyekeznek visszaállítani korábbi helyzetüket (és egyensúlyukat a saját atomjaikon belül). Az az erő, amely az elektronokat visszahúzza eredeti helyzetükbe az atomjaik pozitív magjai körül, analóg azzal az erővel, amelyet a gravitáció gyakorol a víztározóban lévő vízre, és megpróbálja azt a korábbi szintjére lehúzni. Ahogy a víz magasabb szintre szivattyúzása energiát tárol, úgy az elektronok “szivattyúzása” az elektromos töltésegyenlőtlenség létrehozása érdekében bizonyos mennyiségű energia tárolását eredményezi ebben az egyensúlyhiányban. És ahogy a víznek a víztározó magasságából való visszaáramlásához hasonlóan a tárolt energia felszabadulását eredményezi, úgy az elektronoknak az eredeti “szintjükre” való visszaáramlásához hasonlóan a tárolt energia felszabadulását eredményezi. Amikor a töltéshordozók ebben a statikus állapotban vannak (akárcsak a víz, amely mozdulatlanul, magasan ül a víztározóban), az ott tárolt energiát potenciális energiának nevezzük, mert a felszabadulás lehetősége (potenciálja) még nem valósult meg teljesen.
A feszültség fogalmának megértése
Amikor a töltéshordozók ebben a statikus állapotban vannak (akárcsak a víz, amely mozdulatlanul, magasan ül a víztározóban), az ott tárolt energiát potenciális energiának nevezzük, mert a felszabadulás lehetősége (potenciálja) még nem valósult meg teljesen. Amikor egy száraz napon gumitalpú cipődet egy szövetszőnyeghez dörzsölöd, elektromos töltésegyenlőtlenséget hozol létre magad és a szőnyeg között. A lábad csikorgatásának művelete energiát tárol az eredeti helyükről kiszorított töltések kiegyensúlyozatlansága formájában. Ez a töltés (statikus elektromosság) helyhez kötött, és Ön nem veszi észre, hogy egyáltalán energia tárolódik. Azonban, amint a kezedet egy fém kilincsre helyezed (ahol sok elektron mozgékonysága van az elektromos töltés semlegesítésére), ez a tárolt energia hirtelen töltésáramlás formájában felszabadul a kezeden keresztül, és ezt áramütésként fogod érzékelni! Ezt az elektromos töltésegyenlőtlenség formájában tárolt potenciális energiát, amely képes arra, hogy a töltéshordozókat egy vezetőn keresztüláramlásra késztesse, a feszültség nevű kifejezéssel lehet kifejezni, amely technikailag az egységnyi töltésre jutó potenciális energia mértéke, vagy amit a fizikusok fajlagos potenciális energiának neveznének.
A feszültség meghatározása
A statikus elektromossággal összefüggésben definiálva a feszültség az egységnyi töltésnek az egyik helyről a másikra történő mozgatásához szükséges munka mértéke, szemben az elektromos töltéseket egyensúlyban tartani próbáló erővel. Az elektromos áramforrásokkal összefüggésben a feszültség az egységnyi töltésenként rendelkezésre álló potenciális energia (elvégzendő munka) mennyisége, amely a töltéseknek a vezetőn keresztül történő mozgatásához szükséges.Mivel a feszültség a potenciális energia kifejezése, amely a töltés egyik “szintről” a másikra történő mozgatása során az energia felszabadulásának lehetőségét vagy potenciálját jelenti, mindig két pont között van megadva. Vegyük a víztározó analógiáját:
A csepp magasságának különbsége miatt sokkal több energia szabadulhat fel a víztározóból a csővezetéken keresztül a 2. helyre, mint az 1. helyre. Az elv intuitívan megérthető egy kő leejtésénél: melyik eredményez hevesebb becsapódást, az egy láb magasságból leejtett kő, vagy ugyanaz a kő egy mérföld magasságból leejtve? Nyilvánvaló, hogy a nagyobb magasságból történő leejtés nagyobb felszabaduló energiát eredményez (hevesebb becsapódás). Egy víztározóban tárolt energia mennyiségét nem tudjuk megbecsülni pusztán a víz térfogatának mérésével, mint ahogy egy lezuhanó szikla becsapódásának erősségét sem tudjuk megjósolni pusztán a szikla súlyának ismeretében: mindkét esetben figyelembe kell vennünk azt is, hogy ezek a tömegek milyen messzire fognak zuhanni a kezdeti magasságuktól. Az energia mennyisége, amely felszabadul, ha hagyjuk, hogy egy tömeg lezuhanjon, a kiindulási és a végpontja közötti távolsághoz viszonyítva van. Hasonlóképpen, a töltéshordozók egyik pontból a másikba történő mozgatásához rendelkezésre álló potenciális energia is e két ponthoz viszonyítva van. Ezért a feszültséget mindig két pont közötti mennyiségként fejezzük ki. Érdekes módon a potenciálisan egyik magasságból a másikba “leeső” tömeg analógiája annyira találó modell, hogy a két pont közötti feszültséget néha feszültségesésnek nevezik.
Feszültség előállítása
Feszültséget bizonyos anyagtípusok egymáshoz dörzsölésén kívül más módon is lehet előállítani. A kémiai reakciók, a sugárzási energia és a mágnesességnek a vezetőkre gyakorolt hatása csak néhány módja a feszültség előállításának. E három feszültségforrás megfelelő példái az akkumulátorok, a napelemek és a generátorok (például a gépkocsi motorházteteje alatti “generátor”). Egyelőre nem részletezzük, hogyan működnek ezek a feszültségforrások – fontosabb, hogy megértsük, hogyan lehet a feszültségforrások segítségével töltésáramlást létrehozni egy elektromos áramkörben. Vegyük egy kémiai akkumulátor szimbólumát, és lépésről lépésre építsünk fel egy áramkört:
Hogyan működnek a feszültségforrások?
Minden feszültségforrás, így az akkumulátorok is, két elektromos érintkezési ponttal rendelkeznek. Ebben az esetben a fenti ábrán az 1. és a 2. pont van. A különböző hosszúságú vízszintes vonalak jelzik, hogy ez egy akkumulátor, és jelzik továbbá, hogy ez az akkumulátor feszültsége milyen irányban próbál töltéshordozókat tolni az áramkörön keresztül. Az a tény, hogy a vízszintes vonalak az akkumulátor szimbólumban elválasztottnak tűnnek (és így nem tudnak a töltésáramlás útjaként szolgálni), nem ad okot aggodalomra: a valóságban ezek a vízszintes vonalak olyan fémlemezeket jelképeznek, amelyek folyékony vagy félig szilárd anyagba vannak merítve, amely nemcsak vezeti a töltéseket, hanem a lemezekkel kölcsönhatásba lépve feszültséget is generál, hogy továbblökje azokat. Figyelje meg az akkumulátor szimbólumtól közvetlenül balra lévő kis “+” és “-” jeleket. Az akkumulátor negatív (-) vége mindig a legrövidebb kötőjellel ellátott vége, a pozitív (+) vége pedig mindig a leghosszabb kötőjellel ellátott vége. Az akkumulátor pozitív vége az a vége, amelyik megpróbálja kiszorítani belőle a töltéshordozókat (ne feledjük, hogy a konvenció szerint a töltéshordozókat pozitív töltésűnek gondoljuk, annak ellenére, hogy az elektronok negatív töltésűek). Hasonlóképpen, a negatív vég az a vég, amelyik megpróbálja magához vonzani a töltéshordozókat. Ha az akkumulátor “+” és “-” vége nincs összekötve semmivel, akkor e két pont között feszültség lesz, de nem lesz töltésáramlás az akkumulátoron keresztül, mert nincs folyamatos útvonal, amelyen keresztül a töltéshordozók mozoghatnának.
Ugyanez az elv érvényes a víztározó és a szivattyú analógiájára is: a tóba visszavezető cső nélkül a tározóban tárolt energia nem szabadulhat fel vízáramlás formájában. Ha a tározó teljesen feltöltődött, nem tud áramlás létrejönni, függetlenül attól, hogy a szivattyú mekkora nyomást állít elő. A folyamatos áramlás érdekében a víznek teljes útvonalra (áramkörre) van szüksége a tóból a tározóba és vissza a tóba történő áramláshoz. Ilyen utat biztosíthatunk az akkumulátor számára, ha az akkumulátor egyik végétől a másikig összekötünk egy darab drótot. A huzalhurokkal áramkört alkotva folyamatos töltésáramlást indítunk el az óramutató járásával megegyező irányban:
Az elektromos áram fogalmának megértése
Mindaddig, amíg az akkumulátor feszültséget termel, és az elektromos út folytonossága nem szakad meg, a töltéshordozók továbbra is áramlani fognak az áramkörben. A csőben mozgó víz metaforáját követve ezt a folyamatos, egyenletes töltésáramlást az áramkörön keresztül áramnak nevezzük. Mindaddig, amíg a feszültségforrás ugyanabba az irányba “nyomja”, a töltéshordozók továbbra is ugyanabban az irányban fognak mozogni az áramkörben. Ezt az egyirányú áramlást egyenáramnak vagy egyenáramnak nevezzük. A könyvsorozat második kötetében olyan elektromos áramköröket vizsgálunk, ahol az áram iránya oda-vissza változik: Váltakozó áram, vagy AC. Most azonban csak az egyenáramú áramkörökkel foglalkozunk. Mivel az elektromos áram olyan egyedi töltéshordozókból áll, amelyek egy vezetőn keresztül együttesen áramlanak a vezető mentén haladva és az előttük lévő töltéshordozókra nyomást gyakorolva, mint a golyók egy csőben vagy a víz egy csőben, az áram mennyisége egy áramkörben minden ponton azonos lesz. Ha egyetlen áramkörben megfigyelnénk a vezeték egy keresztmetszetét, és megszámolnánk az átáramló töltéshordozókat, pontosan ugyanazt a mennyiséget észlelnénk időegységenként, mint az áramkör bármely más részén, függetlenül a vezeték hosszától vagy a vezeték átmérőjétől. Ha az áramkör folytonosságát bármelyik ponton megszakítjuk, az elektromos áram az egész hurokban megszűnik, és az akkumulátor által termelt teljes feszültség a megszakításon keresztül, a korábban összekötött vezetékvégek között jelentkezik:
Mi a feszültségesés polaritása?
Figyeljük meg az áramkör szünetének végeire rajzolt “+” és “-” jeleket, és azt, hogy ezek hogyan felelnek meg az akkumulátor pólusai mellett lévő “+” és “-” jeleknek. Ezek a jelek jelzik, hogy a feszültség milyen irányba próbálja tolni az áramot, ezt a potenciális irányt általában polaritásnak nevezik. Ne feledje, hogy a feszültség mindig relatív két pont között. Emiatt a feszültségesés polaritása is relatív két pont között: az, hogy egy áramkör egy pontját “+” vagy “-” jelzéssel jelöljük, attól függ, hogy melyik másik ponthoz viszonyítjuk. Nézzük meg a következő áramkört, ahol a hurok minden egyes sarka egy számmal van jelölve a hivatkozás érdekében:
Az áramkör folytonossága a 2. és 3. pont között megszakad, a 2. és 3. pont között leeső feszültség polaritása a 2. pont esetében “+”, a 3. pont esetében “-“. Az akkumulátor polaritása (1 “+” és 4 “-“) az óramutató járásával megegyező irányban próbálja az áramot a hurokon keresztül az 1-től a 2-ig a 3-tól a 4-ig és vissza az 1-ig tolni. Most nézzük meg, mi történik, ha a 2. és 3. pontot ismét összekötjük, de a 3. és 4. pont között egy szünetet helyezünk az áramkörbe:
A 3. és 4. pont közötti szünettel a két pont közötti feszültségesés polaritása a 4. pont esetében “-“, a 3. pont esetében “+”. Különös tekintettel arra, hogy a 3. pont “előjele” ellentétes az első példában szereplővel, ahol a törés a 2. és a 3. pont között volt (ahol a 3. pont “-” feliratú volt). Nem mondhatjuk, hogy a 3. pont ebben az áramkörben mindig “+” vagy “-” lesz, mert a polaritás, akárcsak maga a feszültség, nem egyetlen pontra jellemző, hanem mindig relatív két pont között!
REVIEW:
- A töltéshordozókat ugyanazzal az erővel lehet a vezetéken való áramlásra késztetni, mint ami a statikus elektromosságban nyilvánul meg.
- A feszültség a két hely közötti fajlagos potenciális energia (egységnyi töltésre jutó potenciális energia) mértéke. Laikus nyelven szólva, ez a töltés motiválására rendelkezésre álló “lökés” mértéke.
- A feszültség, mint a potenciális energia kifejezése, mindig relatív két hely vagy pont között. Néha “feszültségesésnek” is nevezik.”
- Amikor egy feszültségforrást egy áramkörhöz kapcsolunk, a feszültség a töltéshordozók egyenletes áramlását okozza az áramkörön keresztül, amit áramnak nevezünk.
- Egyetlen (egyhurkos) áramkörben az áram mennyisége bármelyik pontban megegyezik az áram mennyiségével bármelyik másik pontban.
- Ha egy feszültségforrást tartalmazó áramkör megszakad, akkor a megszakítás pontjain a forrás teljes feszültsége megjelenik.
- A feszültségesés +/- irányát polaritásnak nevezzük. Ez is relatív két pont között.
Kapcsolódó munkalapok:
- Feszültség, áram és ellenállás munkalap
Munkalap