Villamosság - amit tudni illik

Mindenféle elektromos eszközt használunk szinte állandóan. Ha csak néhány percig "áramszünet" van már komoly problémákat okoz.
Ugyanakkor nagyon keveset tudunk az egészről, a legtöbb ember ismerete addig terjed, hogy az áram a konnektorban található. Nemrég egy kereskedelmi rádió reggeli műsorában azon poénkodtak, miért kell nekünk 230 volt, ha Amerikában jó a 110 is. A műsorvezető döbbenetes tájékozatlanságot árult el.

Nézzük meg egész egyszerűen miről is van szó.

Mi a(z) villamosság (elektromosság)

Ezt a teljesen kézenfekvő kérdést utólag tettem hozzá ehhez a leíráshoz, mert úgy tűnik, vannak azért értelmezési problémák.
A két elnevezésből is látható, hogy érdemes tisztázni az elméleti kérdéseket.
A magyar villamosság elnevezés Jedlik Ányostól származik, aki a villám szóból vezette le a(z) villamossággal (elektromossággal) kapcsolatos elnevezéseket.
Más nyelvterületen (és mostanában egyre inkább nálunk is) görög elektron (gyanta, borostyánkő) szóból eredő elnevezésű elektronból alkotott elektromosságra épülő szavakat használják.

Nézzük akkor mi is az elektromosság, mi köze hozzá a borostyánnak és az elektronnak.

Mondhatnánk a világ "attól kerek", hogy az anyagokat felépítő atomok kifelé semlegesek. Ezeket az atomokat és a belőlük felépülő molekulákat a négy alapvető kölcsönhatás egyike, az elektromágneses kölcsönhatás "tartja össze".

Az animáció egy hidrogénatom esetén mutatja be az ionképződést. A pozitív protonból és negatív elektronból álló, kifelé semleges atomról (az animációban fotonok hatására) "leszakadó" elektron után egy pozitív töltésű ion, jelen esetben egyetlen proton marad. A folyamat a képre kattintva megy végbe. A a képre újra rákattintva visszáll az alaphelyzetbe .

Maga az elektromos töltés egyes elemi részecskék alapvető tulajdonsága, amely az egymásra kifejtett speciális erőhatásban nyilvánul meg.
Az azonos nemű töltések taszítják, az ellentétes neműek vonzzák egymást.
Ezek az alapvető tulajdonságok okozzák mindazokat, amiket elektromos jelenségeknek nevezünk.

Vagyis az atomot alkotó pozitív töltésű protonok és a negatív töltésű elektronok vonzzák egymást az atomban. Töltésük nagysága megegyezik, de ellentétes előjelű.
Az atom ezért kifelé nem mutat töltést, amíg egy elektron valamilyen külső hatásra el nem távozik belőle.

A borostyán dörzsölés hatására elkezd vonzani papírdarabokat. Ezt már a görögök megfigyelték több mint 2000 évvel ezelőtt. Ennek az azóta sztatikus elektromosságnak nevezett jelenségnek köszönhetjük a fentebb említett elektromosság elnevezést.

Az itt látható animáció a sztatikus töltések keletkezésnek egy lehetséges módját mutatja be. (Ez a jelenség játszódik le a borostyán megdörzsölésekor.)

A sztatikus elektromosság nem áramló elektromos töltés.
Szigetelő anyagból álló tárgyak (pl. borostyán) dörzsölés révén tehetnek szert sztatikus töltésre: a dörzsölés elektronokat visz át egyik helyről a másikra. Akár egészen nagy feszültség keletkezhet ilyen módon.

Amikor az elektromos töltések (az elektromosan töltött részecskék) valamilyen módon elmozdulnak, akkor beszélünk elektromos áramról (vagy röviden csak áramról).
Azért az elektronról nevezték el, mert a gyakorlatban fémes vezetőket használunk és a fémekben az elektronok mozognak. Elektromos áramot hoznak létre ugyanakkor például az akkumulátorokban (vagy az emberi testben) mozgó pozitív vagy negatív töltésű ionok is. (A baloldali animáció a fémes és az elektrolitos vezetést egyaránt bemutatja egy galvánelem esetén. A kis piros pontok az elektronok - a vezetékben ezek áramlanak, a nagyobb pontok a különböző ionok áramlását - rózsaszínű = Cu²⁺; szürke = Zn²⁺; kék = SO₄^2- - az oldatban ezek áramlanak).

Alapok

Ha van mondjuk egy 1 kilowattos teljesítményű vasalónk az 110 voltos vagy 230 voltos feszültségű hálózat estén is ugyanolyan teljesítményű. (Persze a két vasaló azért "nem egyforma". A 110 voltos vasaló hamar tönkremenne 230 volton, a 230 voltos pedig nem melegítene annyira. Viszont a 110 voltra méretezett 1 kilowattos vasaló is 1 kilowatt hőt termel és a 230 voltra tervezett 1 kilowattos vasaló is 1 kilowatt hőt termel és mindkettő 1 kilowattóra áramot fogyaszt 1 óra alatt.)
A különbség abban jelentkezik, hogy kétszer olyan keresztmetszetű (csaknem másfélszer olyan vastag) vezetékre van szükség a 110 volt esetén mint a 220 volt esetén az ugyanolyan teljesítményű vasaló áramellátásához.
Ennek oka nagyon egyszerű a teljesítmény a feszültség és az áramerősség szorzatával egyenlő.

A legegyszerűbben talán egy magasra helyezett víztartállyal szemléltetjük, amelyből egy csövön folyhat le a víz.
A feszültségnek (potenciálkülönbségnek) a tartály magassága felel meg. Ha kétszer olyan magasra helyezzük a tartályt kétszer akkora lesz a potenciálkülönbség, kétszer akkora erővel akar lefolyni a víz.
Az áramerősség az említett példában a csőben átáramló víz mennyiségével szemléltethető. Ha kétszer akkora mennyiségű víz folyhat le ugyanannyi idő alatt, kétszer akkora teljesítménnyel forgathat mondjuk egy lapátkereket.
Nyílvánvaló, hogy magasabban elhelyezett tartály illetve nagyobb lefolyó vízmennyiség esetén nagyobb teljesítménnyel forog a lapátkerék.

Ha kétszer olyan magasra helyezzük a tartályt, kétszer akkora nyomás lesz a csőben, kétszer annyi víz próbál átfolyni ugyanazon csövön. Ha nagyobb a feszültség nagyobb mennyiségű elektront képes áthajtani ugyanazon a vezetőn.
Ha azonban nem elég vastag a cső, nagy nyomás esetén is nehezen folyik át rajta nagyobb víz mennyiség, melegszik a cső, nagy lesz a veszteség. Ez az áram esetén is melegedésben nyilvánul meg. Ha egy vékony vezetékkel próbálunk nagy áramerősséget vezetni a vezeték erősen felmelegszik, el is éghet.
(Nem javaslom például, hogy valaki megkísérelje a gépkocsi akkumulátorát egy vékony vezetékkel rövidrezárni. A vezeték azonnal elégne, az átfolyó igen nagy (akár száz ampert) meghaladó áram miatt és égési sérülést is okozhatna.)

A nagyobb feszültség esetén (egyáltalán nem mellesleg) kisebb lesz a veszteség, mert kevésbé melegszik a vezeték, a melegedés ugyanis arányos az áramerősséggel (ugyanolyan ellenállású vezeték esetén). Nem véletlenül továbbítják igen magas feszültségen az áramot az elektromos távvezetékeken!
Ugyanakkor a nagyobb feszültségek esetén "komolyabb" szigetelésekre van szükség, ezért sem lenne praktikus "házi használatra" túlzottan nagy feszültséget használni.

Miért pont az elektromos áram használata terjedt el leginkább a lehetséges energiafajták közül?
Több okból:
Nagyon egyszerű eljuttatni nagyobb távolságra is. (Elég "két szál drót".)
Viszonylag könnyen átalakítható bármilyen más energiafajtává.
A felhasználás helyén mindíg rendelkezésre áll, és "tiszta".

Hatásai és azok alkalmazása

Nézzük az elektromos áram hatásait és azok gyakorlati alkalmazásait.

Kezdjük azzal, hogy mi is az elektromos áram. Elektromos töltésű részecskék áramlása. Ezek lehetnek ionok (pl. az akkumulátorokban) vagy elektronok (pl. a fém vezetékekben).

Hogyan vezetik az áramot a fémek:

	- +
A fémionok között az elektronok egy része szabadon mozog a fémrácsban rendezetlenül ("össze-vissza").	Ha áramot kapcsolunk a fém vezeték két végére akkor az elektronok meghatározott irányba mozognak.

Az elektromos áram hatásait kezdjük a hőhatással, amit már említettem.

A hőhatást az okozza, hogy a vezető közegben, a fémrácsban nem csak az elektronok mozognak, hanem a fémionok is rezegnek a hőmérséklettől függően kisebb-nagyobb mértékben a tér minden irányában a rácsban elfoglalt helyükhöz viszonyítva. Ezért az elektronok nem tudnak szabadon mozogni, hanem beleütközgetnek a fémionokba. Az ütközés energiájától függően előbb infravörös sugárzás, azután már látható fény is keletkezik, a drótszál felizzik.

Az elektromos áram hőhatását használják a különböző elektromos melegítő eszközök, pl. a már említett vasaló.

Az áramnak ez a hőhatása lehet "hasznos" pl. a melegítő eszközökben. Ilyen esetben szándékosan nagy ellenállású ötvözeteket használnak vezetékként.
Az elektromos áram továbbításakor azonban kifejezetten káros, veszteséget, sőt akár tűzveszélyt is okozhat.

Öveges tanár úr szemléletesen foglakozik az áram hőhatásával a Fizika blokk Az elektromos áram hatásai A hőhatás című részében.

Az elektromos árammal keltett fényhatás részben összefügg a hőhatással.
A hagyományos izzólámpákban úgy keletkezik fény, hogy az üvegbúrában ritka nemesgázban elhelyezett volfrám szálat izzásig hevítik. Tehát az áram hőhatása kelti a fényt.

Az ilyen fényforrásokat nemrég kivonták a forgalomból (először a nagyobb teljesítményűeket 2013. szeptember 1-ig a 25 wattosakat is). Jelenleg már csak a valamivel energiatakarékosabb változataik, a halogénizzók kaphatók.

Az elektromos áramnak mágneses hatása is létezik.

A mágneses hatás egyszerűen bemutatható. Ha egy nagyobb vasszegre kb. 60 menet szigetelt rézhuzalt tekerünk és annak két végét egy elemre kapcsoljuk.
Az így létrejött elektromágnest bekapcsolva a vasból készült gemkapcsot, rajzszeget magához vonzza.

Az elektromos áram mágneses hatását számtalan eszköz használja.
Elektromágneses szelepek, kapcsolók, villanymotorok, stb. Ilyen módon az elektromos energiát mechanikai munkává alakíthatjuk.

A baloldali animáció a villanymotor működési elvét mutatja be egyszerűen. Bárki elkészíthet egy ilyen "kísérleti motort" a leírtak szerint. Mindössze két mágnes, két gémkapocs, egy darab szigetelt egyszálas vezeték, egy 6 voltos áramforrás és két összekötő vezeték kell hozzá.

Az elektromos áram vegyi hatást is kelt.

Már említettem az elektromos áramról, hogy elektromos töltésű részecskék áramlása és ezek lehetnek ionok is.
Tehát elektromos áram nem csak fémekben, hanem elektrolitokban (ionokat tartalmazó oldatokban) is létrejön.
Környezetünkben leginkább az akkumulátorokban, szárazelemekben találkozhatunk olyan kémiai folyamatokkal, amelyek eredményeképpen elektromos energia jön létre. Az akkumulátor feltöltése során az elektromos energiát töltések szétválasztására (vegyi folyamatra) használjuk és utána az áramkör zárásakor egy fordított vegyi folyamat játszódik le, miközben a vegyileg megkötött energia elektromos energiává alakul.

Élettani hatásai

Egyszer olvastam valahol, hogy a konnektorra vonatkozik Kirchoff III. törvénye, miszerint "Az áram, ha megfogjuk ráz". A Kirchoff-törvények között ilyen persze ne szerepel, de az kétségtelen, hogy a 230 voltos feszültség már "megrázó élményt" okoz. Ha valaki már kipróbálta nem igen felejti el.

Villamos áramütéses baleset akkor következik be, ha az emberi test a villamos áramkörbe kapcsolódik. A konnektoros példánál maradva akkor következhet be, ha mondjuk két szeget bedugunk kézzel tartva, vagy szigeteletlen cipőben, illetve mezítláb a földön állva egyet a fázisba.

A villamos áram vegyi, hő- és sokkhatása miatt káros az élő szervezetre.
- Vegyi hatása miatt az emberi szervezetben gázképződés jöhet létre, amely embóliához vezethet.
Az emberi testben is vannak elektrolitok (a testnedvek), ezek is különböző ionokat tartalmazó oldatok. Az élő szövetekben ezek az elektrolitok vezetik az áramot. Ezért különösen veszélyes az egyenáramú áramütés, mert annak biokémiai hatásai is vannak. Ilyenkor előfordulhat, hogy látszólag semmi baja a sérültnek, de néhány nap múlva meghal, a testében bekövetkezett elektrokémiai/biokémiai változások miatt.
- Hőhatása égési sérüléseket okoz, amelyet előidézhet a testen átfolyó áram által kifejtett és az ellenállás mértékétől függő hőhatás, valamint a villamos ívet kísérő hőmérséklet.
Ha valakin jelentős áram folyik át, pl. nagyfeszültségű áramütés, vagy villámcsapás miatt, súlyos égési sérülések keletkezhetnek, leginkább ott ahol az áram "bement" illetve "kijött".
- A villamos áram sokkhatása a váratlan áramütés következménye. Ez a hatás nagymértékben függ az egyén egészségétől.
Akár rövid ideig tartó áramütés is okozhat szívleállást.

A villamos áramütés súlyosságát az áramerősség, a behatás időtartama, az áram útja, fajtája, frekvenciája, az emberi test ellenállása és az áthidalt feszültség nagysága befolyásolja.
Az áramütéskor további tényezők is számottevőek: az egyén testi, lelki, egészségi állapota, számít-e az áramütésre.

Az ember életfunkcióit, mozgásait belső, úgynevezett bioáramok vezérlik. Ha ebbe a jól szervezett, összehangolt rendszerbe valamilyen külső hatás következtében idegen áramingerek, impulzusok hatolnak be, akkor az életműködésben zavarok keletkeznek és nem kívánt, sokszor szabályozhatatlan funkciók jönnek létre.
Emberen, valamint állatokon végzett vizsgálatok alapján az emberi szervezetnek a villamos árammal szembeni érzékenységére, férfiak esetében, 50 Hz-es frekvencia esetén az alábbi átlagos értékeket állapították meg:
- érzetküszöb 0,5 - 1 mA
- erős rázásérzet 6 - 14 mA
- izomgörcs 14 - 25 mA
- szabálytalan szívműködés 25 - 80 mA
- szívkamralebegés 80 - 100 mA
- pillanatos halál 100 mA felett.

Ahhoz, hogy ekkora áramerősség áthaladjon az emberi testen egy bizonyos feszültség szükséges. E miatt az érintési feszültség tartósan megengedett határértéke 100 Hz-nél nem nagyobb frekvenciájú, szinuszosan váltakozó áram esetén 50 V, állandó értékű egyenáram esetén 120 V. Ennél kisebb feszültség esetén nem alakulhat ki veszélyes áramütés.

Az elektromos áram előállítása , továbbítása a fogyasztókhoz

Előállítása

Elektromos áram sokféle módon előállítható. A legelterjedtebb előállítása forma a különböző hőerőművekkel történő termelés.

A hő előállítási módjától függően vannak szén(tüzeléses) erőművek, gáz(tüzeléses), fatüzeléses erőművek, atomerőművek stb., de a működési elv midegyiknél a baloldali ábra szerinti. Ide sorolható a naperőművek egy része is, ahol a napsugárzással vizet melegítenek.
A keletkező hőenergiát víz forralására használják. A magas hőmérsékletű (hőerőművekben 500 °C fölé hevített) gőzzel turbinát forgatnak. A turbinák hajtják meg a generátorokat, amelyek az elektromos áramot előállítják.
(Víz- vagy szélerőművek esetén a generátort vízturbina illetve szélkerék hajtja.)

A napelemek (fényelektromos cellák) viszont teljesen más módon állítanak elő villamos áramot. Az így keletkező egyenáramot inverterekkel alakítják váltóárammá, amit aztán már a hálózatba lehet táplálni.

Továbbítása

Az erőművek 11.000 voltos váltóáramú feszültséget állítanak elő, ezt hatalmas transzformátorokkal 200.000 - 750.000 volttá alakítják (attól függően milyen messzire kell továbbítani az elektromos áramot).

Ennek okait már láthattuk:
a teljesítmény a feszültség és az áramerősség szorzatával egyenlő.
a vezeték melegedése viszont az áramerősség négyzetével arányos

A két fenti összefüggésből logikusan következik, hogy akkor a legkisebb a veszteség a vezetéken, ha a lehető legnagyobb feszültséggel visszük át ugyanazt a teljesítményt.
Az ilyen magas feszültség azonban már egy kisebb közösség ellátásához nem lenne praktikus. Ezért egy nagyobb város mellet található azután egy vagy több transzformátor állomás, ahol ezt a nagyon magas feszültséget 10.000 volttá alakítják. Ez már akár kábelen is viszonylag kisebb költséggel továbbítható a kisebb közösségekhez (egy lakóegységhez, kisebb faluhoz).
Ott egy újabb transzformátor alakítja 400 volttá, ami már az utcai földkábeleken, légvezetékeken vagy légkábeleken eljut minden egyes háztartásba, fázisokra bontva.

Az ábrán nagyon leegyszerűsítve látható, hogyan lesz a 200 kilovoltos háromfázisú nagyfeszültségű rendszerből a lakásokban 230 voltos feszültségű egyfázisú rendszer a konnektorokban.
(A zöld, sárga és piros vonalak az egyes fázisokat a zöld-sárga szaggatott vonal a nulla vezetéket jelzi.)

Ha megnézünk egy ilyen légvezeték oszlopot azon általában 4 vezetékszál látható. A három fázisvezeték és a nulla vezeték (amit összekötnek a földeléssel). Az is látható, hogy egy-egy házba a nulla és a három fázis valamelyike van bekötve. Ez 230 voltos feszültséget ad. (Ha van utcai világítás akkor még egy ötödik szál is látható, ez az utcai világítást kapcsoló vezeték.)

Az utóbbi időben sok helyen már szigetelt kábeleken továbbítják ezt a 400 voltos feszültséget. Összesodort, fekete műanyag, szigetelt kábelek láthatók az oszlopokon. Így nem veri össze az erősebb szél a fázisok vezetékeit és a fák ágai sem okoznak rövidzárlatot.

A gyakorlatban ez így néz ki:
Csupasz és szigetelt légkábelek nem messze tőlem.
A csupasz vezetékek hozzák a helyi trafóhoz a 20 kilovoltos hálózati váltófeszültséget. Alattuk a szigetelt légkábelen a trafóól érkezik a 400 voltos háromfázisú váltófeszültség.

Maga az áramtermelés, és a továbbítás is jelentős veszteséggel jár.
Az alábbi ábrán látható, hogy az erőműben a tüzelőanyagból megtermelt energiának alig egy harmada jut el a háztartásokba. Vagyis az 1 kilowattos vasalónk használatához több mint 3 kilovattnyi energiát kell termelni az erőműben.

Az árammal kapcsolatos fizikai törvények a gyakorlatban

Az árammal kapcsolatban meglehetősen sok hiedelem él az emberekben, amit részben a minél látványosabb (és lehetetlenebb) filmeket készítők is tovább táplálnak. Nézzünk néhány törvényszerűséget, illetve azok gyakorlati jelentkezését.

Az áramkör - mint a neve is mutatja - mindíg egy "zárt" folyamatot jelent, egyetlen vezetéken nem folyik áram, ha annak csak az egyik vége csatlakozik! (Persze ha valahol csak úgy lóg egy feszültség alatti vezeték és megfogjuk, akkor már létrejön az áramkör - rajtunk keresztül a föld felé, ha nem szigetelt a cipőnk!)

(Ha szigetelt talpú cipőben fogjuk meg a fázist semmi nem történik. Mezitláb, nedves helyen csak a fázist megfogva is komoly áramütés érhet, mivel a föld felé záródik az áramkör. Persze azért sem célszerű áram alatti rendszerben piszkálni, mert egy zárlat esetén szétrepülő izzó fémhuzal darabok kiverhetik a szemét a "szakembernek". Az sem mindegy, hogy mennyire szigetel az a szigetelés. Egy 200.000 voltos vezeték esetén már nem bíznék meg a gumitalpú cipőmben. Viszont speciális szigetelő kötelekkel és megfelelő védőöltözetben akár ennél nagyobb feszültségű "élő" vezetéken is dolgozhatnak!)

A fémek ellenállása az adott fémre jellemző.
A nagyon tiszta réz például nagyon jó vezető, ha azonban egész kis mértékben szennyezett már jelentősen romlik a vezetőképessége.

Egy adott fém esetén a geometriai méretei határozzák meg a vezetőképességét. Kétszer akkora keresztmetszet (kb. máfélszeres vastagság) esetén kétszer akkora lesz a vezetőképessége (fele akkora az ellenállása).

Már említettem, hogy a teljesítmény a feszültség és az áramerősség szorzatával egyenlő. Ebből viszonylag egyszerűen (fejben) ki lehet sokmindent számolni.
Ha például egy autórádióra azt írták, hogy "kétszer 100 watt" és 1 amperes biztosítékot adnak hozzá, akkor nyugodtan kezdhetünk gyanakodni. A gépkocsi akkumulátora 12 voltos. Ez 1 amperrel beszorozva 12 watt. Mivel azonban "elég ritkák" a 100%-os hatásfokú eszközök, és a biztosítéknak a kisebb "lökéseket" is ki kell bírnia, nagyon valószínű, hogy valami ványadt teljesítményű, "gagyi" készüléket akarnak ránk sózni.

A gépkocsis példából az is kiderül miért nem lenne praktikus a háztartásokban (mondjuk életvédelmi szempontból) nagyon alacsony feszültséget használni. A háztartásokban bizony nem ritkák a 1 kilowattnál is nagyobb teljesítményű eszközök. Ehhez 12 volton már 100 amper körüli áramok kellenének, ujjnyi vastag vezetéket kellene alkalmazni!

Az is könnyen kiszámítható, hogy egy átlagos egyfázisú bekötésnél a rendelkezésre álló 16 amperes biztosíték nem tesz lehetővé túl nagy fogyasztást. A 230 voltos hálózati feszültség mellett ez a 16 amperes áramerősség maximum 3680 wattos teljesítményt enged.
Ha éppen működik az automata mosógép 2 kilowattos fűtése meg még néhány kisebb fogyasztó, akkor mondjuk egy nagyobb teljesítményű porszívó bekapcsolása már "kiverheti" a biztosítékot. Annál is inkább, mert a villanymotorok induló árama elég nagy lehet.

Felhasznált irodalom