Rövid bevezető az elektronikába #1 2023-08-02

Rövid bevezető az elektronikába #1

Mottó: Néha rosszul írom, hogy jól értsd.

42

          Az elektromosság rendkívül praktikus dolog.
● Különböző energiák, például vegyi, mozgási, hő, fényenergia többé-kevésbé könnyen elektromos energiává alakítható. Egy ilyen átalakítás mérésre, érzékelésre is kiváló.
● Az elektromos energia szabályozása, átalakítása és szállítása jól kidolgozott.
● Tárolására még nincs hatékony megoldás.
● Sokféle hatása van, például hő, vegyi, mágneses, fény és élettani.
          Ezekkel foglalkozik az elektronika.
          Mértékegységek használatakor az 1991. évi XLV. törvény a mérésügyről

[ html: 1991. évi XLV. törvény a mérésügyről https://njt.hu/jogszabaly/1991-45-00-00 ]

és a magyar helyesírás szabályai, 12. kiadás

[ html: A magyar helyesírás szabályai, 12. kiadás https://helyesiras.mta.hu/helyesiras/default/akh12 ]

előírásait követem.

Töltés

Volt idő, amikor az elektromosságot láthatatlan folyadéknak tekintették. Be kell látnom, első közelítésben nem rossz leírás. Azóta sokat okosodtunk és már tudjuk, hogy az atomok magjában nehéz protonok ( és neutronok ), körülöttük könnyű elektronok vannak, valamint, hogy a proton és az elektron elektromos tulajdonságú, töltésű. Szóval, a töltés is jellemzi az anyagot, hasonlóan, mint például a tömege.

Megjegyzésem:
A tömeg gravitációs mezőt hoz létre maga körül.	A töltés elektromos mezőt hoz létre maga körül.
Két tömeg vonzza egymást, az erő egyenesen arányos a két tömeg szorzatával és fordítottan a közöttük lévő távolság négyzetével. (1)	Két töltés hat egymásra, az erő egyenesen arányos a két töltés szorzatával és fordítottan a közöttük lévő távolság négyzetével.

Van azonban egy nagy különbség: kétfajta töltés van. Pozitív és negatív. Tömeg csak egyfajta. A tömegek gravitációsan mindig vonzzák egymást, míg az elektromos töltések elektromosan vagy taszítják vagy vonzzák.
Csak a rend kedvéért, az elektromos töltés jele a Q, mértékegysége a coulomb, mértékegységének jele a C.
● coulomb - elektromos töltés mértékegysége
● Charles-Augustin de Coulomb [1736..1806=70] - enyhén kopaszodó francia fizikus bácsi volt

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Charles_Augustin_de_Coulomb ]

● Coulomb - a bácsi vezetékneve

          Egy elektron igen kicsi és negatív töltésű: Q_e = -0,00000000000000000016 coulomb. Viszont sok van belőlük. Egy liter vízben 334200000000000000000000000 darab; tömegük 0,3045 gramm, töltésük -53472000 coulomb.
          Az azonos előjelű töltések taszítják egymást. Tehát két pozitív előjelű töltés taszítja egymást, ugyanúgy, ahogy két negatív előjelű is.
          Különböző előjelűek pedig vonzzák egymást. Pozitív előjelű vonzza a negatívot és viszont.

Na jó, de miért pozitív és negatív a töltés? Két okból is kényelmes.
Először is a különböző előjelű töltések semlegesítik egymás hatását. Úgy semlegesítik, ahogy messziről nézve a sakktáblán már nem látod az egyes fekete és fehér mezőket, csak a szürke átlagot. Nos, pont ilyenek az atomok. A 42-es rendszámú molibdén atom magjában gubbaszt 42 pozitív töltésű proton, körülötte lebzsel 42 éppen akkora, de negatív töltésű elektron. Ha elég messziről mérem, akkor már nem tudom külön mérni a pozitív és negatív töltések erőterét, csak az összegüket, ami éppen nulla. Röviden: \( +42 \left| Q_e \right| + -42 \left| Q_e \right| = 0 \text{ coulomb}\) .

Ha azt mondom, ennek a gömbnek a töltése -0,63 colulomb, csak annyit jelent, hogy 0,63 colulombnyival több elektron van rajta, mint proton. Nyilván az anyagában rengeteg proton és elektron van még, de azok semlegesítik egymás elektromos erőterét, és csak a többlet mérhető.
Másodszor azért praktikus a pozitív és negatív előjel használata, mert a töltések összege megmarad. Például egy ( nulla elektromos töltésű ) szabad neutron negyedórás felezési idővel elbomlik. Protonra, ami +Q_e töltésű, elektronra, ami -Q_e, és egy anti-elektronneutrínóra, ami nulla töltésű. Ez keveseket érdekel, de a töltések összegének megmaradása nem sérült.

Áramforrás

Ha az atom kap egy kis energiát, néhány elektronja könnyen megszökhet tőle. Különválnak a töltések, egyik helyen a pozitívok lesznek túlsúlyban, a másikon a negatívok. Máris kész az áramforrás.
Na jó, azért egy kis mérnöki furfang nem árt...

Az az érzésem, néha talán túl könnyű is áramforrást csinálni. Amikor műszálas pulóvert veszek le, gyakran van megrázó élményben részem. Alumínium antennát és réz vezetéket egyszerűen összekötök, hozzáadok esőt, párát, és máris tökéletes galvánelemet kaptam a gyors korrodáláshoz.

Elektromos áram

Az elektromos áram a töltéshordozók, jelen esetben az elektronok rendezett áramlása.

          Nevezetesen az áramforrással szétválasztott töltések vonzzák egymást, és ha tehetik, úgy mozognak, hogy semlegesítsék egymást.
          Ez az áram nem olyan, hogy egy elektron rohan mint egy futó a futópályán egyedül körbe-körbe. Sokkal inkább az ereidben keringő vérre hasonlít. Azaz mindenhol ott vannak körben az elektronok és egyszerre mozognak.
          Egy-egy elektron alig vánszorog. Amikor bekapcsolod a lámpát, egyszerre indulnak meg az elektronok, azonnal világítani kezd a lámpa. Kikapcsoláskor egyszerre, azonnal áll meg mozgásuk. Miért, a fénysebesség nem elég gyors neked?
          Még egy fontos dolgot kell tisztázni, az áram irányát. Az áram arra folyik, amerre a pozitív töltések mennek, vagy amerről a negatív töltések jönnek.
          Gyakorlatban a negatív töltésű elektronok mászkálnak. Ha láttad Michael Jackson Moonwalking

[ youtube: Michael Jackson - Moonwalk Evolution (1983 - 2009) HD https://www.youtube.com/watch?v=NkeEEk2VOAM ]

[ youtube: HOW TO: LEARN TO MOONWALK IN 5 MINUTES! 3 EASY STEPS! https://www.youtube.com/watch?v=eYT48mu-TIc ]

menését, tipikus elektronos.

Miért kell megkavarni? Miért nem az elektronok mozgása az áramirány, vagy miért nem az elektron a pozitív töltésű? Sajnos, amikor Benjamin Franklin [1706..1790=84]

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin ]

találomra bevezette, hogy melyik legyen a pozitív és melyik a negatív, még száz évig senki nem ismerte az atom szerkezetét. Talán jóvátesz valamit hibájából, hogy közben feltalálta a villámkár-csillapítót és olyan okosakat mondott, mint "A társadalom, amely feladja szabadságát a biztonságáért, egyiket sem érdemli meg, és mindkettőt elveszíti". Nem úszta meg, hogy róla is elnevezzenek mértékegységet: az elektromos töltés egy manapság nem használatos mértékegysége a franklin, jele Fr.

Az alkatrészeknek azokat a kivezetése(i)t, ahol az alkatrészből elektronok távoznak, anódnak nevezik. Ahol pedig elektronok folynak be, az a katód.

Egyenáram

Szép lassan, de egy irányba sétálnak az elektronok. Mint a vér az ereidben.

Váltóáram

          Táncikálnak az elektronok: egyet balra, egyet jobbra. Légcsövedben a levegő tesz ilyent.
          Ha szabályosan táncol, akkor egy oda egy vissza lesz egy periódus. A periódusnak van ideje, nem fogod kitalálni: periódusidőnek hívják. Azt pedig, hogy egy másodperc alatt hány periódus van, frekvenciának.
          Az idő jele a t, mértékegysége a másodperc, mértékegységének jele a s. A periódusidőt T-vel jelölik. ( Sok mértékegység névadójáról maradt fenn fénykép vagy legalább festmény, Másodpercről még rajz sem :(. )
          A frekvenciának f a jele, mértékegysége a hertz, mértékegységének jele a Hz. Hz = 1 / s.
● hertz - frekvencia mértékegysége
● Heinrich Rudolf Hertz [1857..1894=36] - szikrázó egyéniségű szakállas német fizikus, az első rádiós

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz ]

● Hertz - a bácsi vezetékneve

Frekvenciából számolhatsz periódusidőt és fordítva. \[ T = \frac{1}{f} \text{, illetve } f = \frac{1}{T} \] A konnektorból váltóáram jön, a frekvenciája Magyarországon 50 hertz. Könnyű kiszámolni a periódusidejét: \[ T = \frac{1}{f} = \frac{1}{50 \text{ Hz}} = 0,02 \text{ s} \] 50 Hz, mint hang, hallható:

.
Számolók:

	f	T
f =	f
T =		T

Áramerősség

Folydogál az áram a vezetőben. Jegyzetfüzettel és stopperrel a kezedben megszámolod, mennyi elektron ( töltés ) halad át egy keresztmetszetén egy másodperc alatt. Láttál már autóban pillanatnyi fogyasztás mérőt? Az a benzinnel csinálja ugyanezt.
Az áramerősség jele az I ( nagy Ilona ), mértékegysége az amper, mértékegységének jele A.
● amper - áramerősség mértékegysége
● André-Marie Ampère [1775..1836=61] - dús hajú ( vagy parókás ) okos francia bácsi volt, akit sajnálatos mód kivégeztek

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re ]

● Amper - bizonyíték arra, hogy leírója nem tanulta meg, mi a különbség az előző kettő között

          Tehát az áramerősség az áthaladt töltés és az eltelt idő hányadosa. \[ I = \frac{Q}{t} \]           Egy képlet arra való, hogy számolj vele. Nosza. Mekkora az áramerősség abban a vezetékben, amin 9000 coulomb töltés 10 óra alatt halad át egyenletesen?
          - I.
          - Helyes. Konkrétan?
          - Konkrétan Q / t.
          - Helyes. Konkrétabban?
          - A töltés, azaz Q = 9000 coulomb.
          - Eddig jó.
          - Az idő t = 10 óra.
          - De?
          - De másodperc kell.
          - Pontosan.
          - Jó. 10 óra = 36000 másodperc.
          - Tehát?
          - \( I = \frac{Q}{t} = \frac{ 9000 \text{ coulomb}}{36000 \text{ s}} = 0,25 \text{ amper.} \) Az sok?
          - Embernek igen. Zseblámpának jó, helikoptermodellnek kevés.
          Számolók:

	I Q	I t	Q t
I =	I	I
Q =	Q		Q
t =		t	t

▲ A keretben olvasható mondat a nyugalmad megzavarására alkalmas!
A grafikon azt jelenti, hogy az áramerősség a töltésváltozásnak idő szerinti deriváltja.

▲ A keretben olvasható mondat a nyugalmad megzavarására alkalmas!
Ez a grafikon pedig azt, hogy a töltés az áramerősség idő szerinti integrálja.

Néha mérni kell a vezetékben folyó áramerősséget. Egyszerűen meg kell szakítani és be kell iktatni a műszert, hogy azon keresztül folyjon át az áram. Az ideális áramerősség mérő nem befolyásolja az áramkört, tehát olyannak látszik, mint egy nagyon jó vezető. Rajzjele egy kör, mutatót szimbolizáló nyíllal és benne az áramerősség I jelével.

Áram hatása rád

Az egyenáramnak elsősorban vegyi hatása van rád. A kisfrekvenciás váltóáram az izmaidat húzza össze, a nagyfrekvenciás a bőröd főzi. Veszélyesebb, ha az áram útjában van a szíved, légzőközpontod. Fontos, hogy adott idő alatt mennyi töltés halad át rajtad, azaz az áramerősség. János, HA5LQ írja rádióamatőr tananyagában: Az érzetküszöb átlagos esetben, egyenáram esetén 0,005-0,006 amper. 0,015-0,025 amper áram hatására az izmok már összerándulnak, a testen áthaladó 0,025-0,1 amper már veszélyes, a 0,1 amper feletti áram halált okozhat. A megadott áramértékek hozzávetőlegesek, és erősen függenek az áram útjától és az emberi szervezet pillanatnyi állapotától.

Még egyszer a töltésről

          A vezetéken átfolyt töltés az áramerősségnek és az időnek a szorzata. \[ Q = I \cdot t \] Azt mondtam, a töltés mértékegysége a coulomb. Is. És az előbbi képlet alapján lehet áramerősség mértékegysége szorozva idő mértékegységével is. Gyakorlatban az amperóra használatos, aminek a jele az Ah.
          1 amperóra = 3600 coulomb.
          Az előbbi 9000 coulomb 2,5 amperóra, azaz 2500 mAh töltésnek felel meg. Kitalálod, mekkora kapacitású ceruza-akkumulátorokat töltöttem éppen? :)
          Töltéskor az akkumulátor '+' kivezetése az anód, kisütéskor a '-'.

Feszültség

          Energiabefektetéssel feljebb emelhetek egy tömeget. Mondjuk A pontból B pontba. Mekkora munkát kell befektetnem? Ez függ valahogyan a két ponttól és egyenesen arányos a tömeggel. Az arányossági tényező függeni fog a bolygó tömegétől és a két pont magasságától, de ez most lényegtelen. Másrészt amikor a tömeg visszafelé B-ből A-ba mozog, a helyzeti, avagy potenciális energiáját képes leadni.
          Áramforrás töltéseket választ szét, a befektetett energia árán. A töltések mennyisége hasonlít a tömeghez, az elektromos erőtér a gravitációshoz, az áramforrás kapcsai között mérhető feszültségkülönbség pedig a magasságkülönbséghez. A feszültségkülönbség egyenesen arányos a leadható energiával és fordítottan a töltés mennyiségével; nemes egyszerűséggel az energiának és a töltésnek a hányadosa.
          Az energia jele az E, a munkáé a W, mértékegységük a joule, mértékegységük jele a J.
● joule - az energia és a munka mértékegysége
● James Prescott Joule [1818..1889=70] - szakállas angol fizikus

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/James_Prescott_Joule ]

● Joule - a bácsi vezetékneve

Az elektromos feszültség jele az U, mértékegysége a volt, mértékegységének jele a V.
● volt - feszültség mértékegysége
● Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta [1745..1827=82] - olasz fizikus

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta ]

● Volt - bizonyíték arra, hogy leírója nem tanulta meg, mi a különbség az előző kettő között

A feszültségkülönbség az energia ( munka ) és a töltés hányadosa, azaz \[ U_{AB} = \frac{W_{AB}}{Q}. \] Gondolom feltűnt, hogy mindig feszültségkülönbséget írtam. Nem véletlen, hiszen önmagában sosincs feszültség, mindig csak valamihez képest. Röviden csak annyit mondok, hogy Kékestető 1014 méter magas, de erősen hozzágondolom, hogy a tengerszinthez képest. Ugyanígy az áramkörökben szokott lenni egy földnek kinevezett vezeték, és ha nem mondom, akkor ahhoz képest mérem a feszültséget: az egyik pont a föld. Zseblámpában persze semmi köze a Föld bolygóhoz, hacsak el nem ásod.
Ahol a pozitív töltések vannak többen, annak nagyobb a feszültsége ahhoz képest, mint ahol a negatív töltések vannak többen. Ceruzaelemnél + és - jelzi, melyik érintkezőnek nagyobb illetve kisebb a feszültsége.

          Legyen először az A a föld. Ekkor az A feszültsége 0 volt, a B +1,5 volt, a C +3 volt.
          Ha a föld a B pont, akkor U_A = -1,5 volt, U_B = 0 volt, U_C = +1,5 volt.
          Míg ha a C a föld, akkor U_A = -3 volt, U_B = -1,5 volt, U_C = 0 volt.
          Van egy hatékony kapcsolásirajz-technikai trükk: a "földre" ( GND ) kötendő kivezetéseket nem kötik össze vonalakkal, hanem csak egy rövid vastag vízszintes szakasszal jelölik. A rajz így sokkal jobban átlátható, de a kapcsolás megépítésekor persze ténylegesen össze kell huzaloznod az így jelölt pontokat.
          Ha feszültségeket akarsz összegezni, itt:

[ html: számoló https://hg9ieg.hu/szamolo/_sz/Us_U04.html ]

megteheted. Ilyen számolások miatt tanítják a negatív számokat az iskolában.
Amikor feszültséget kell mérned, akkor azt az áramkör két pontjára kell csatlakoztatnod. Az ideális feszültségmérő nem befolyásolja az áramkört, tehát nem folyik át rajta áram. A feszültségmérő rajzjelében a feszültség U jele van.

          Ha egy töltéses dolgot, például elektront feszültségkülönbséggel vákuumban felgyorsítod, akkor mozgási energiára tesz szert. Pont annyira, amennyit a gyorsítására fordítottál: \[ W = Q \cdot U. \] Az atomfizikusok joule helyett gyakran használják azt az energiaegységet, amire egy elektronnyi töltésű dolog egy volt feszültségkülönbség hatására tesz szert. Ennek a neve elektronvolt, jele eV. 1 elektronvolt 0,00000000000000000016 joule.
          A régi, képcsöves televíziókban az elektronok 20000 volt feszültséggel 20000 elektronvolt energiára gyorsultak. A Higgs bozon 126000000000 elektronvolt energiájú, ami sokkal szebbnek látszik ( és több pénzt lehet rá szerezni ), mint az ugyanakkora 0,00000002019 joule. De mindez csak nagyon keveseket érdekel.
          A vörös színű foton ( fény ) energiája 1,9 elektronvolt, a kéké 2,6 elektronvolt körül van. Az jó, hogy a fénykibocsátó egyenirányítók ( LED-ek ) körülbelül ekkora feszültségről már működnek, de sajnos a napelemek sem adnak többet.

U-I munkapont, karakterisztika

Van egy alkatrészem, aminek két kivezetése van. Igazándiból nagyon sok alkatrésznek csak két kivezetése van ( vagy, ha több, akkor ki tudok választani kettőt ). Mit tudhatsz meg a működéséről, hogyan lehetne jellemezni? Meg kell mérni. Meg kell mérned, mekkora a feszültségkülönbség a kivezetései között és mekkora áramerősség folyik át rajta.

Ez két adat: adja magát, hogy koordináta-rendszerben ábrázold. Vízszintesen szokás a feszültséget, függőlegesen az áramerősséget. Amikor a kocsimban éppen világít az irányjelző izzó, akkor 12 volt van a kivezetései között és 1,75 amper folyik át rajta. Ez egy pont lesz a koordináta-rendszerben, a [12 volt, 1,75 amper], ez az index izzó egyik munkapontja. Másik munkapont is van, amikor nem világít: [0 volt, 0 amper].

Szakadás

Az alkatrész két kivezetése között nem folyik áram. Ugyanakkor a két kivezetés között bármekkora feszültségkülönbség lehet.
Munkapontjai, karakterisztikája tehát a [bármekkora volt, 0 amper] pontok. Igen, a vízszintes tengely a munkaegyenese.

A szigetelő tipikus szakadás. Szigetelőnek műanyagot, gumit, porcelánt, levegőt, vákuumot szokás használni.

Vezeték

Éppen ellentéte a szakadásnak. Az alkatrész két kivezetése között nincs feszültségkülönbség, bármekkora áram folyjon is át rajta. Rövidzárnak, zárlatnak is mondják.
Munkapontjai tehát a [0 volt, bármekkora amper] pontok. Munkaegyenese a függőleges tengely.

Gyakori vezetékek a fémek: ezüst, réz, alumínium, higany, valamint grafit.
Vizes oldatok is vezetik az áramot. Az emberi test 50-70 % vizet tartalmaz, ezért vezeti az áramot.

Kapcsoló

Az a dolga, hogy néha szakadás, néha vezeték legyen. Ha ábrázolni kell, akkor két munkaegyenese van.
Kapcsolóval hasonlóan lehet engedni vagy elzárni a töltések mozgását, azaz az áramot, mint vízcsappal a vízét. Megjegyzem, hogy a kapcsoló két állapota kínálja magát, hogy az egyiket nullával, a másikat eggyel jelöld. Innen tekintve a kapcsoló nem más, mint egy mechanikusan programozható egy bites memória. Munkaegyenesei és nyugalmi rajzjelei:

Gyakorlatban a kapcsoló lelke két fém, amiket vagy eltávolítasz egymástól, vagy összenyomod azokat. Azonban csupán attól, hogy összenyomod az érintkezőket, az elektronok még nem tudnának átugrani egyik fémből a másikba - hiszen a fémek felületén szigetelő oxidrétegek vannak. Szerencsére működik a kvantumfizikából ismert alagúthatás. Csatlakozóban ( aljzat+dugó ) ugyanez a helyzet.

Olvadóbiztosító

Amíg a biztosítón a névleges áramánál kisebb áramerősség folyik át bármelyik irányban, vezetékként működik. Az első alkalommal, amikor az áramerősség eléri a gyártáskor meghatározott értéket, végérvényesen megváltozik szakadássá. A biztosító saját élete árán védi meg az áramköröd többi részét, vagy akadályozza meg, hogy a bankkölcsönödre biztosítéknak adott lakásod leégjen.
I_MAX áramú biztosító karakterisztikájának első része egy szakasz [0 volt, -I_MAX] és [0 volt, +I_MAX] pontok között. Amikor kiégett, [bármekkora volt, 0 amper] egyenes. Karakterisztikája és rajzjele:

Két állapota van az olvadóbiztosítónak is, mint a kapcsolónak, de a váltás áramerősségre történik és egyszeri. Úgy is fogalmazhatok, hogy árammal programozható egyszer írható egy bites memória.

Áramgenerátor

Olyan áramforrás, ami állandó áramot ad. Közben a kivezetései között bármekkora feszültségkülönbség lehet.
Egy 2 amperes áramgenerátor munkaegyenese és rajzjele:

Az áramgenerátor két kivezetése nem felcserélhető. Ha megfordítod, az áram iránya is megfordul.
Áramgenerátoros jellegű áramforrás a napelem. Áramgenerátorról szeret működni a gázkisülési cső ( fénycső ) és a világító egyenirányító ( LED ) és minden más öngyilkos hajlamú alkatrész. A nulla áramú áramgenerátor munkaegyenesét már láttad a szakadásnál :)

Feszültséggenerátor

Szintén áramforrás, de a kapcsai között állandó feszültségkülönbség van, míg a rajta áthaladó áramerősség bármekkora.
Egy 2 voltos feszültséggenerátor munkaegyenese és rajzjele:

A feszültséggenerátor két kivezetése nem felcserélhető. Ha megfordítod, a két kivezetés közötti feszültségkülönbség előjele, iránya is megfordul.
Feszültséggenerátort szeretik az erősítők, és általában a bonyolultabb áramkörök. Ezért a mérnökök minél feszültséggenerátorosabb jellegű áramforrásokat kísérleteznek ki. Ilyenek az elemek, akkumulátorok, generátorok és a világítási hálózat. A nulla feszültségű feszültséggenerátor munkaegyenesét már láttad a vezetéknél :)

Vezetés, ellenállás

          Valós anyagból ( például réz, grafit ) készült alkatrész korlátozza a rákapcsolt feszültségkülönbség miatt rajta átfolyó áramerősséget. Vannak az anyag atomjai, a szabad elektronok pedig el kezdenek gyorsulni a pozitívabb rész felé. És összeütköznek az atomokkal. Egyrészt meglökik kicsit az atomokat, másrészt lefékeződnek. Ebben a gyorsulás - ütközés játékban beáll egy egyensúly.
          Minél nagyobb a feszültségkülönbség, annál nagyobb az áramerősség. Az arányossági tényező az elektromos vezetés.
          Az elektromos vezetés jele a G, mértékegysége a siemens, mértékegységének jele S.
          siemens = amper / volt.
● siemens - elektromos vezetés mértékegysége
● Ernst Werner Siemens, von Siemens [1816..1892=75] - szemüveges német feltaláló, aki ügyesebb volt Jedlik Ányosnál dinamóügyben

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Ernst_Werner_von_Siemens ]

● Siemens - a bácsi vezetékneve

A vezetés az áramerősség és a feszültségkülönbség hányadosa: \[ G = \frac{I}{U}. \] Az előbbi index izzó ( világító ellenállás ) üzem közbeni vezetését így tudod kiszámolni: \[ G = \frac{I}{U} = \frac{ 1,75 \text{ amper}}{12 \text{ volt}} = 0,1458 \text{ siemens}. \] Számolók:

	G I	G U	I U
G =	G	G
I =	I		I
U =		U	U

          Ugyanilyen jellemző a vezetés reciproka: a feszültségkülönbség és az áramerősség hányadosa.
          Ezt elektromos ellenállásnak nevezik, jele R, mértékegysége az ohm, mértékegységének jele Ω ( nagy görög omega ).
          ohm = volt / amper. \[ R = \frac{U}{I}. \] ● ohm - elektromos ellenállás mértékegysége
● Georg Simon Ohm [1789..1854=65] - törvényalkotó német fizikus és matekos bácsi

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm ]

● Ohm - a bácsi vezetékneve

Gyártanak és vásárolhatsz olyan alkatrészt, aminek a leglényegesebb tulajdonsága az elektromos ellenállása. Szerencsésebb nyelveken az elektromos ellenállásra és az ellenállás alkatrészre két külön szó van ( resistivity, resistor ).
A világító index izzó elektromos ellenállása \[ R = \frac{U}{I} = \frac{ 12 \text{ volt}}{ 1,75 \text{ amper}} = 6,857 \text{ ohm}. \] Számolók:

	I R	I U	R U
I =	I	I
R =	R		R
U =		U	U

          Ohm bácsinak nincs túl nagy szerencséje a nevével. Arra gondolok, hogy az ellenállás róla elnevezett mértékegysége jele logikusan O ( nagy Olga ) kellene legyen. Például 50 ohm = 50 O, 50O. És ez túlzottan hasonlít az 500-ra. Az O helyett jobb az Ω.
          Azt, hogy egy ellenállás alkatrész kivezetésein mérhető feszültségkülönbség és a rajta átfolyó áramerősség egyenesen arányos egymással és az arányossági tényező az ellenállás elektromos ellenállása, Ohm-törvénynek mondják.
          Ha ábrázolni kell annak az ellenállásnak U-I karakterisztikáját, aminek G a vezetése avagy R az ellenállása ( G*R = 1 ), akkor a [U, G*U] vagy, ami ugyanaz, az [I*R, I] lesznek a munkapontok, ahol U és I bármekkora lehet. Rajzban ez nem más, mint az origón átmenő G meredekségű ( R laposságú ) egyenes. Karakterisztika és az alkatrész rajzjele:

          Mit jelent a gyakorlatban az egyenesnek a bal alsó ( U < 0 volt; I < 0 amper ) szakasza? Ha megfordítod a kivezetésinek polaritását, akkor az áram iránya is megfordul. Az ellenállás két kivezetése felcserélhető.
          Volt már szó a szakadásról, most már vezetéssel is leírhatod: G_szakadás = 0 siemens. Persze, hiszen nem vezeti az áramot. Pont, ahogy az ideális szigetelő és a feszültségmérő sem.
          Nem nehéz a vezeték leírása sem, neki az ellenállása nulla: R_vezeték = 0 ohm. Ahogy az ideális áramerősség-mérőé is.
          A kapcsoló - beállítástól függően - hol egyik, hol másik.
          A vezetés és az ellenállás egymás reciprokai.
          Számolók:

	G	R
G =	G
R =		R

Egyszerű áramkör

Az egyik legegyszerűbb értelmes áramkörben van egy feszültséggenerátor és egy ellenállás. Legyen a feszültség U = 12 volt, az ellenállás pedig R = 3 ohm ( = 3 volt/amper ). Az Ohm-törvény képletének átrendezésével könnyen ki tudod számolni az áramerősséget, de most inkább felrajzolom neked a két alkatrész munkaegyenesét egy közös U-I koordináta rendszerbe.
A feszültséggenerátor rajzjele és munkaegyenese véletlenül lett piros, az ellenállás zöld. A két egyenes a [ 12 volt, 4 amper ] munkapontban metszi egymást. Könnyen leolvashatod, hogy az áramkörben 4 amper áramerősség folyik.

Még egyszer arról, hogyan hat rád az áram

Az előbb írtam, mekkora áramerősségnek milyen hatása van rád. A tested elektromos ellenállásával együtt kiszámolhatod, mekkora feszültség kell annak az áramnak a létrehozásához. Így adódik olyan feszültség, ami biztonságosnak tekinthető, nem okoz halált. Ezt törpefeszültségnek nevezik és váltóáramnál konkrétan 50 volt, egyenáramnál 120 volt.
Bővebben: Biztonságtechnikai ismeretek

Dióda

          Folyadékok, gázok áramlását néha visszacsapó szelep szabályozza. Egyik irányba engedi az anyag áramlását, de visszafelé nem. Az irányt onnan tudja, hogy melyik oldalon nagyobb a nyomás. Például a kerékpár gumi szelepe nem engedi ki a levegőt a nagyobb nyomású belsőből a kisebb nyomású légtérbe. Viszont beengedi a kisebb nyomású belsőbe a nagyobb nyomású pumpából.
          Elektronikában is van ilyen alkatrész. A két kivezetése közötti feszültségkülönbség iránya, előjele szerint vezet vagy sem. Röviden, feszültségkülönbség vezérelt kapcsoló.
          Mivel csak az egyik irányban folyik át rajta az áram, ezért tudható és ténylegesen tudni is kell, melyik kivezetése az anód és melyik a katód. Ha az anód negatívabb a katódnál, akkor szakadás, kikapcsolt kapcsoló. Ha pozitívabb, akkor rövidzár, bekapcsolt kapcsoló.
          Karakterisztika most nem pont vagy egyenes, hanem két félegyenes. A kikapcsolt állapot az U < 0 volt, I = 0 amper félegyenes ( vízszintes tengely balra ); a bekapcsolt pedig a U = 0 volt, I > 0 amper ( függőleges tengely felfelé ). Karakterisztikája és rajzjele:

Izgalmas alkatrész, Rodolfó rengeteg trükköt csinált volna vele, ha Leo Graetz [1856..1841=85]

[ html: wiki http://de.wikipedia.org/wiki/Leo_Graetz ]

meg nem előzi. Például, ha váltóáramod van, de egyenáram kell, akkor már meg is találtad az egyenirányítót. Egyik irányba engedi folyni az áramot, a másikba nem. Csodás.

Azt hinnéd, hogy egy ilyen elborult alkatrészt nagyon nehéz csinálni. Jó minőségűt valóban nem konyhaasztal sarkán faragnak. De ha két különböző anyagú vezetőt érintkezésbe hozol, akkor jó eséllyel jobban átengedi az áramot az egyik irányba, mint a másikba. Nem lesz tökéletes, de gyakran a kis különbség is elegendő. Rókalyuk detektoros rádióban ( Foxhole radio

[ html: Google https://www.google.com/search?q=foxhole%20radio ]

) pörkölt borotvapengére nyomott grafitceruza az egyenirányító. Primitív, de működik!

Teljesítmény

          A teljesítmény nem más, mint az egységnyi idő alatt elvégzett munka. Azaz a munkának ( W ) és az időnek ( t ) a hányadosa.
          A teljesítmény jele P, mértékegysége az watt, mértékegységének jele W.
          watt = joule / másodperc. \[ P = \frac{W}{t}. \] ● watt - teljesítmény mértékegysége
● James Watt [1736..1819=83] - hatékony skót mérnök

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/James_Watt ]

● Watt - a bácsi vezetékneve

          A feszültség fejezetnél mondtam a munka, töltés és feszültség közötti összefüggést. Ebből a munkát a \[ W = Q \cdot U \] képlettel számolhatod.
          Az áramerősség résznél volt szó az áramerősség, töltés és idő kapcsolatáról. A töltést ez alapján a \[ Q = I \cdot t \] formulával számolhatod.
          A teljesítmény képletében először a munkát ( W ) helyettesítem a töltés és a feszültség szorzatával, majd a töltést ( Q ) is helyettesítem az áramerősség és az idő szorzatával. Utána egyszerűsítek idővel ( t ):
\[ P = \frac{W}{t} = \frac{Q \cdot U}{t} = \frac{I \cdot t \cdot U}{t} = I \cdot U. \]           watt = amper * volt.
          U-I koordináta rendszerben ábrázolva az alkatrész munkapontját, a teljesítmény nem más, mint a U és I oldalú téglalap területe.

Azok a munkapontok, amikhez azonos teljesítmény tartozik, egy hiperbola-párt alkotnak.

Az index izzó teljesítményét könnyen ki tudod számolni: \[ P = I \cdot U = 1,75 \text{ amper} \cdot 12 \text{ volt} = 21 \text{ watt}. \] Számolók:

	I P	I U	P U
I =	I	I
P =	P		P
U =		U	U

Még egyszer az ellenállásról

          Amikor az ellenállás működik, azaz kivezetései között feszültségkülönbség van ( és ) áram folyik át rajta, akkor \[ P = I \cdot U \] teljesítményt vesz fel az áramforrásból. Ezt nem tárolja, tehát át kell alakítania valamilyen más formába. Egyszerűen felmelegszik, az elektromos energiát hőenergiává alakítja. Ez az eldisszipált ( szétszórt, eltékozolt ) energia vagy teljesítmény. Egyébként igen, a villanyrezsó, vasaló, bojler, forrasztópáka legfontosabb alkatrésze egy-egy jól méretezett ellenállás.
          Amikor a boltban 680 ohmos ellenállás alkatrészt kérsz, a képzett eladó visszakérdez: milyen teljesítményűt? Hogy, hogy? Hiszen az Ohm-törvényben nincs szó teljesítményről. Valóban, de az áramkörben az ellenállás melegedni fog. Ha ahhoz képest fizikailag túl kicsire gyártják, akkor nagyon felmelegszik. Fordítva, minden szélességű-hosszúságú-anyagú ellenálláshoz tartozik egy teljesítmény, aminél még nem melegszik fel annyira, hogy tönkremenjen vagy kigyulladjon. Rendben, kiszámoltad, hogy 0,4 watt teljesítmény fog melegedni az ellenálláson. Milyen ellenállást választasz? Ha csak addig kell működnie a berendezésnek, amíg el nem adod, és minél nagyobb nyereséget akarsz, akkor az olcsóbb 0,5 wattosat. Ha magadnak csinálod és évtizedekig használni akarod, akkor 1 wattosat.
          Az ellenállás felmelegedhet olyan nagyon is, hogy már izzani, világítani kezd. Thomas Alva Edison [1847..1931=84]

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Thomas_Alva_Edison ]

bácsi sok ezer kísérletének eredménye a használható világító ellenállás, más néven izzólámpa. Az izzó szerkezetének nem szabad lehűtenie az ellenállás, azaz izzószál anyagát, tehát legyen önhordó. Ugyanakkor ki kell zárni a levegő oxigénjét, mert rövid úton elégne: dobozba kell tenni, amiben nincs oxigén. Viszont a fénynek ki kell jönnie: a burának üvegből kell lennie. Az izzószálnak vezetnie kell az áramot és bírnia kell a magas hőmérsékletet: szénszál után volfrám lett a nyertes. Mindez tulajdonképpen egy egyszerű ellenállás, de tisztes mérnöki munka fényforrássá varázsolja.

          Edison megúszta, hogy mértékegységet nevezzenek el róla. Hagyományosan zsinórmenetesek a lámpák, ennek jelzésében az E betű Edisonra, az utána lévő szám az átmérőre utal, például E 10, E 14, E 27.
          Egy ellenállásra érvényes Ohm törvénye ( \[ I = \frac{U}{R} \] ) és a rajta eldisszipált teljesítményt számoló képlet ( \[ P = I \cdot U \] ) is. Miért jó ez? Mert az iskolában tanult képletkezeléssel ha a négy adat ( I, P, R, U ) közül bármelyik kettőt ismered, az ismeretleneket ki tudod számolni.
          Valóban? Például U = 12 voltos feszültséggenerátorra R = 51 ohmos ellenállást kötsz. Mekkora lesz a felvett illetve eldisszipált teljesítmény?
          A teljesítmény meghatározásra a \[ P = I \cdot U \] képletet mutattam. A feszültséget ismered belőle, de az áramerősséget nem. Kell olyan képlet, amivel ki tudod számolni az áramerősséget, de lehetőleg csak a feszültség és az ellenállás felhasználásával. Pont ilyen az Ohm-törvény: \[ I = \frac{U}{R} \] A teljesítményes képletben az áramerősség helyére az \[ \frac{U}{R} \] kifejezést helyettesítem: \[ P = I \cdot U = \left( \frac{U}{R} \right) \cdot U = \frac{U^2}{R}. \] A példa értékeivel \[ P = \frac{ (12 \text{ volt} )^2}{51 \text{ ohm}} = \frac{ 12 \text{ volt} \cdot 12 \text{ volt}}{51 \frac{\text{volt}}{\text{amper}}} = 2,824 \text{ watt}. \]           Számolók:

	I P	I R	I U	P R	P U	R U
I =	I	I	I
P =	P			P	P
R =		R		R		R
U =			U		U	U

A Masat-1

[ html: Masat-1 http://cubesat.bme.hu/ ]

mérőszalagból készült 17 centiméteres antennájának kieresztése is egy ellenállással történt. Ellenálláshuzal 2 amperes árammal történt felizzítása vágta el a lefogó damilt.

Végszó

          Bevezetőnek ennyi elég.
          Elmondtam az Ohm-törvényt, és azt hiszed, mindent tudsz az ellenállás alkatrészről. Az ideális ellenállásról igen, csak olyan éppeg nincs. A valós ellenállásnak van gyári pontossága, induktivitása, kapacitása, értéke függ a hőmérséklettől, hőmérséklete függ a légnyomástól... Az igazi művészet abban áll, hogy tudd: mikor melyik tényezőt milyen súllyal vedd figyelembe.
          Ügyes mérnök talált olyan anyagot, amiből készült ellenállás a hőmérsékletre vagy fényre érzékeny ( termisztor, fotoellenállás ). Nyúlására változtatja értékét a mérlegbe szerelt ellenállás ( nyúlásmérő bélyeg ). Remek iránytűt lehet csinálni olyan ellenállásból, ami a Föld mágneses terét méri ( Hall-effektus ). Szénmikrofon? Ellenállás az is, csak hangrezgésre változik. Amikor orvosnál a tüdőkapacitásodat, vagy autódban a motorodba szívott légtömeget méred, a levegő egy hevített ellenálláshuzalt hűt, abból számolja a gép a sebességét, térfogatot.
          A Magyar Ellenállás :(

Tudásod egy sziget az ismeretlen óceánjában. Minél nagyobbra nő tudásod szigete, annál hosszabb partvonala érintkezik az ismeretlennel. Victor Frederick Weisskopf [1908..2002=93]

[ html: wiki http://hu.wikipedia.org/wiki/Victor_Frederick_Weisskopf ]

.
Ha még mindig érdekel az elektronika, töltsd le majd nézd meg ezt

[ html: Semmi varázslat, csak fizika! 2009. BME Kutatók Éjszakája, Härtlein Károly, Jeszenszky Sándor, 48 perc http://archive.galileowebcast.hu/20090925_BME_Kutatok_Ejszakaja_2009/20090925_BME_Kutej2009_D--Semmi_varazslat_csak_fizika_2.html ]

a mozit, utána folytasd a tanulást itt.

Rövid bevezető az elektronikába #2

(1) Igen, 1915-től tudhatod, hogy a tömeg a nyugvó anyag energiája és görbíti a téridőt.

Experiment is the sole judge of scientific “truth”. A (természet)tudományos igazság kizárólagos kritériuma a kísérlet.
Feynman Richard

⌂ Index
Verzió: 2023-08-02 ( 2012-06-23 .. 2023-07-23 13:51:54 UTC )
gg630504

Creative Commons License: by-nc-sa Nevezd meg!-Ne add el!-Így add tovább!

HG9IEG Visszajelzés: