A soros kapcsolás és párhuzamos kapcsolás a klasszikus elektromosságtan részei. Mindenki találkozik vele, amikor OHM törvényére kerül sor az iskolában, vagy az érettségi vizsgán - mit érdemes tudni a témáról, mi annak a gyakorlati, valamint elméleti háttere? Íme, cikkünk A-Z összefoglalója következik!
Történelmi összefoglaló
Az elektromos kapcsolások (soros kapcsolások, párhuzamos kapcsolások) tárgyalása előtt érdemes egy kicsit elgondolkodni az elektromosságról, illetve tüzetesen elemezni egy fogyasztó áramkörbe kapcsolását. Nézzük először az elektromosságot.
Ha azt szeretnénk megtudni, hogy ki fedezte fel az elektromosságot, akkor ebben csalódnunk kell. Már az ókori görögök is ismerték, hogy ha állati szőrmét dörzsölnek bizonyos tárgyakhoz, akkor un. elektromos állapotba kerülnek, amelyek sajátos módon viselkednek. (Ilyen, amikor a szőrmével megdörzsölt műanyagrúd vonzza a papírszeleteket!)
Később nagyon sok híres fizikus foglalkozott az elektromosságtannal pl.: Luigi Galvani, aki békacombokkal kísérletezett, de sajnos a combok összerándulását rosszul értelmezte; Alessandro Volta épp Galvani kutatásai alapján alkotta meg a róla elnevezett elemet, amelyben réz és cink lemezek merültek kénsav oldatba (a ma használatos elemek is hasonló elven működnek).
Később Michael Faraday, aki már törvényekbe foglalta az elektromosságról addig ismert felfedezéseket, André-Maria Ampere, aki rájött, hogy az áramjárta vezetők között kölcsönhatás jön létre, vagy Georg Simon Ohm, aki által felfedezett összefüggés értelmezhetővé tette az ellenállás fogalmát vagy épp Charles Augustin Coulomb, aki az elektromos állapotban lévő testek kölcsönhatásait vizsgálta. A későbbi évszázadokban említésre méltó nevek pl.: Nikola Tesla, Samuel Morse, Thomas Edison, Ernst Werner von Siemens, Alexander Graham Bell vagy épp Jedlik Ányos, aki nevéhez nagyon sok felfedezés fűződik, pl.: a villanymotor vagy épp a szóda.
Fizikusok az elektromossággal kapcsolatban
A hétköznapi életünkben szinte minden (ha nem minden) eszköz elektromos energiával működik vagy működtethető pl.: fűtés, hűtés, mikrohullámú sütő, számítógép …. vagy akár említhetném az egyre több, az utakon futó elektromos autót.
Mi lehet az oka az ilyen nagymértékű elterjedésének?
A teljesség igénye nélkül: az egyik ok, hogy az erőművekben elektromos áramot állítanak elő, függetlenül attól, hogy milyen energiát alakítanak át hő, szél, víz, nap vagy akár atomenergiát. A másik ok, hogy viszonylag könnyen és hatékonyan (hála a transzformátor magyar felfedezőinek) lehet szállítani, amit a háztartásokban, gyárakban fel tudnak használni.
A jelen és remélhetőleg a közeli jövő egyik nagy kihívása, hogy az elektromos energiát megfelelő módon tudjuk tárolni, ha ez megoldódik (amire vannak kecsegtető kísérletek) az emberiség egy nagy gondja fog megoldódni.
Bízom benne, hogy a fentiek mindenkit meggyőztek az elektromosság fontosságáról!
A legegyszerűbb kapcsolás
Egyszerű áramkör
A legegyszerűbb áramkörbe három dolog szükséges: áramforrás, fogyasztó és vezeték (nem árt, ha van benne egy kapcsoló is, de anélkül is létre hozható áramkör).
Mielőtt megnéznénk, hogy az egyes áramköri elemeknek mi a funkciója, meg kell ismerkednünk az anyagok atomi jellemzőivel. A fizika az anyagokat két nagy csoportra osztja: szigetelőkre és vezetőkre (illetve vannak még a félvezetők, de azzal most nem foglalkozunk). Minden anyag atomokból épül fel, amelyek atommagból és a számunkra nagyon fontos elektronból áll. A szigetelőkben az elektronok az atommaghoz kötődnek, ezért nehéz őket onnan elszakítani, a vezetőkben viszont az elektronok szabadon mozoghatnak (fémek), így őket könnyű mozgásra kényszeríteni. Ha az elektronok rendezetten egyirányba mozognak, akkor ezt nevezzük elektromos áramnak. Ilyen egyenáramot biztosít számunkra pl.: az elemek vagy az akkumulátorok. (Az erőművekben előállított áramot váltakozó áramnak nevezzük, mert ebben az esetben az elektronok nem egyirányba, hanem oda-vissza mozognak.)
Legtöbb esetben a vezetőn egy szilárd anyagot pl. alumínium, réz vagy ami nagyon jól vezeti az áramot, az aranyat értjük, de vannak folyadék halmazállapotú vezetők is pl.: a csapvíz, amelyben ionok (töltéssel rendelkező részecske) mozgása eredményezi az elektromos áramot.
Most már jöhetnek az áramköri elemek!
Az áramkör szíve, lelke, motorja az áramforrás, amely képes az elektronokat körbe áramoltatni. Ilyen áramforrás lehet az elem vagy az akkumulátor, illetve a hálózati áram, azzal a különbséggel, hogy abban az áramkörben nem egyenáram, hanem váltóáram keletkezik. Egy áramforrásnak van két pólusa, egy pozitív és egy negatív, amelyek között feszültség van. A feszültséggel tudjuk jellemzeni az elektromosság erősségét, minél nagyobb egy áramforrás feszültsége, annál több energiát tud átadni az elektronoknak. A feszültség mértékegysége Alessandro Volta tiszteletére a V (volt).
1 V a feszültség, ha az elektromos mező 1 C (ami 6,24•1024 db elektron együttes töltése) töltésen 1 J (dzsúl) munkát képes végezni. Az említett mértékegységet Charles Augustin Coulomb-ról nevezték el.
Az elektronok áramoltatásának megértéséhez még egy fontos kiegészítést kell tenni, mégpedig az elektromos kölcsönhatás értelmezését. A testek háromféle elektromos állapotban lehetnek, pozitív, negatív, illetve semleges állapotban. Kísérletileg könnyen igazolható, hogy az azonos elektromos állapotok taszítják, a különbözőek vonzzák egymást (illetve a semlegest mind a két állapot vonzza).
Ezek után már érthető, hogy a vezetőben lévő szabadon mozgó negatív töltésű elektront az áramforrás pozitív pólusa taszítja, míg a negatív pólusa vonzza. Így létrejön az elektronok rendezett, egyirányú mozgása.
Az elektronok mozgását az áramerősséggel jellemezhetjük, amely megmutatja, hogy a vezeték keresztmetszetén 1 másodperc alatt hány C (Coulomb) töltés halad át. Az áramerősség mértékegysége André-Maria Ampere tiszteletére az A (amper).
Az áramkör másik fontos része a fogyasztó, amely az elektromos áram energiáját a céljainknak megfelelően alakítja. Ha pl.: fűteni akarunk, akkor a fogyasztó egy fűtőtest és az áram hőhatása révén hőt állít elő. A fogyasztó fontos tulajdonsága az ellenállás, amely azt fejezi ki, hogy mennyire akadályozza az elektronok mozgását. Az ellenállás mértékegysége Georg Simon Ohm tiszteletére: Ω (görög nagy omega), amit Ohmnak ejtünk.
A harmadik áramköri elem a vezető, amelyet úgy képzelünk el, hogy nem akadályozza az elektronok mozgását (bár a valóságban ez nem igaz, ezt úgy lehet kiküszöbölni, hogy egy ellenállást képzelünk el az áramkörbe, amelynek az értéke megegyezik a vezeték ellenállásával).
Ezek után elkezdhetünk a kapcsolásokkal foglalkozni.
Áramkör
A fenti képen egy áramkör látható, ami első ránézésre elég bonyolultnak látszik, de szerencsére a legbonyolultabb áramkörök is kétféle kapcsolásból tevődnek össze, az egyik a soros kapcsolás, a másik pedig a párhuzamos.
Nézzük először a soros kapcsolást!
Soros kapcsolás
Soros kapcsolásnál a fogyasztók (jelen esetben izzók) egymás után vannak kapcsolva, mintha láncra lennének fűzve.
Az ábráról jól látható a soros kapcsolás jellemzője, hogy az elektronoknak csak egy útja van (azaz, ha az egyik izzó kiég, akkor a másik sem világít).
Ha az áramkörben számításokat szeretnénk végezni, akkor ismernünk kell a kapcsolás jellemzőjét illetve Ohm törvényét.
Nézzük meg mit is mond ki Ohm törvénye, amelyről már tudjuk, hogy az ellenállás fogalmának kialakításához vezetett. Ohm, azzal kísérletezett, hogy egy fogyasztóra egyre nagyobb feszültséget kapcsolt és vizsgálta a kialakult áramerősséget. Azt találta, hogy a két mennyiség egyenesen arányos, azaz nagyobb feszültség hatására arányosan nagyobb áramerősség alakul ki (a két mennyiség hányadosa határozza meg az ellenállás értékét).
Ohm törvénye
Ohm törvénye: Bármely fogyasztó kivezetésein mért feszültség és a rajta áthaladó áram egyenesen arányos.
Ohm törvénye alkalmazható egyes fogyasztókra, illetve a teljes áramkörre. Ha a teljes áramkörre szeretnénk Ohm törvényét felírni, akkor szükségünk van még egy fontos fogalomra az eredő ellenállásra. Az eredő ellenállás egy olyan ellenállás, amellyel helyettesíthető a két ellenállás és közben az áramkörben folyó áram erőssége nem változik (ezzel tudjuk egyszerűsíteni az áramkörünket).
Nézzük most már a soros kapcsolás esetén végzendő számításokhoz szükséges összefüggéseket!
1. Soros kapcsolásnál az áramerősség mindenhol ugyanakkora. (Ez nyilvánvaló, mert ugyanazok az elektronok haladnak át mindenhol).
2. A fogyasztókon eső feszültségek összege megegyezik az áramforrás feszültségével. (Az áramforrástól kapott energiát az elektronok leadják az egyes fogyasztókon).
3. Az eredő ellenállás soros kapcsolásnál a fogyasztók ellenállásainak összege. (Az áramkörben haladó elektronok mozgását először az egyik fogyasztó, majd a másik fogyasztó akadályozza.)
A fenti összefüggések a kapcsolásból adódnak. A számításainkhoz felhasználhatjuk még Ohm törvényét, amely minden egyes fogyasztóra, illetve a teljes áramkörre alkalmazható.
A számítási feladatunk egy bűvös négyzethez hasonló, amelyben, a sorokban a kapcsolásból adódó összefüggések állnak fenn, míg az oszlopokban Ohm törvénye.
A fenti táblázatba, ha beírjuk a megadott értékeket, akkor, amelyik sorból vagy oszlopból egy adat hiányzik (vagy ha az egyik áramerősséget tudjuk, akkor a többit is) azt a megfelelő összefüggéssel kiszámíthatjuk.
Nézzük most meg a párhuzamos kapcsolást!
Párhuzamos kapcsolás
A párhuzamos kapcsolásnál olyan mintha minden fogyasztó külön-külön az áramforrásra lenne kapcsolva. Ilyenkor az elektronoknak több útja is van, ezért ha az egyik izzó kiég, attól még a másik működni fog.
A kapcsolásnál az áramforráshoz kapcsolódó ágakat főágnak, a fogyasztókhoz kapcsolódót mellékágaknak nevezzük. Azokat a pontokat ahol a vezetékek elágaznak (az elektronok itt szétválnak), csomópontoknak nevezzük.
Nézzük, meg milyen összefüggések vannak párhuzamos kapcsolás esetén.
1. Párhuzamos kapcsolásnál a mellékágakban folyó áramerősségek összege egyenlő a főágban folyó áramerősség értékével. (A főágban haladó elektronok a csomópontokban szétválnak, de összességében az elektronok száma nem változik.)
2. A fogyasztókon eső feszültségek és az áramforrás feszültsége megegyezik. (Az áramforrás által az elektronoknak adott energiát használják fel a fogyasztók, mindkét fogyasztóhoz azonos energiájú elektronok érkeznek.)
3. Az eredő ellenállást talán a legnehezebb értelmezni. A két fogyasztó ellenállásához képest az eredő ellenállás kisebb (még a kisebb ellenállásúnál is). Az oka, hogy a kisebb ellenállású fogyasztó ugyan akadályozza az elektronok mozgását, de ugyanakkor a másikon is haladnak át elektronok, így összeségében kevésbé akadályozzák az elektronok mozgását.
Ha számítani akarjuk, akkor az eredőellenállás reciproka egyenlő a fogyasztó ellenállások reciprokainak az összegével.
Itt is alkalmazhatjuk a „bűvös négyzet”-et!
Ebben a táblázatban is hasonlóan számíthatjuk ki a hiányzó értékeket. Ha valamely sorban vagy oszlopban egy adat hiányzik (illetve a feszültségekről tudjuk, hogy egyenlők), akkor a megfelelő összefüggéssel kiszámíthatjuk.
A fenti két kapcsolás ismeretében a bonyolultabb kapcsolásoknál is boldogulunk, mivel kiválasztunk két fogyasztót, amelyek vagy sorosan, vagy párhuzamosan vannak kapcsolva és az eredőellenállásukkal helyettesíthetjük őket, ezzel a kapcsolásunk egyszerűsödik. Ezt az eljárást folytatva elérhető, hogy már csak két fogyasztó legyen az áramkörben, amelyben a számításokat a fenti módon elvégezhetjük.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Elektromoss%C3%A1g; 2021.07.31.
Bonifert Domonkosné dr., Dr. halász Tibor, Dr Kövesdi Katalin, Dr. Miskolczi Józsefné, Molnár Györgyné dr., Dr. Soós Katalin phD: Fizika 8.; Mozaik Kiadó; 2016
Dr. Zátonyi Sándor: Fizika 8. , OFI, 2018
Képek forrásai:
Luigi Galvani: https://snl.no/Luigi_Galvani; 2021.07.31.
Alessandro Volta: https://snl.no/Alessandro_Volta; 2021.07.31.
Michael Faraday: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Michael_Faraday._Photograph_by_John_Watkins._Wellcome_V0026346.jpg; 2021.07.31.
André-Maria Ampere: https://snl.no/Andr%C3%A9_Marie_Amp%C3%A8re; 2021.07.31.
Georg Simon Ohm: https://snl.no/Georg_Simon_Ohm; 2021.07.31.
Charles Augustin Coulomb: https://snl.no/Charles_Augustin_de_Coulomb;Ł 2021.07.31.
Nikola Tesla: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nikola_Tesla_Colored.png; 2021.07.31.
Samuel Morse: https://picryl.com/media/samuel-fb-morse-half-length-portrait-posing-with-left-hand-on-a-telegraph-apparatus; 2021.07.31.
Thomas Edison: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thomas_Alva_Edison-colored.jpg; 2021.07.31.
Ernst Werner von Siemens: https://hu.wikipedia.org/wiki/Ernst_Werner_von_Siemens; 2021.07.31.
Alexander Graham Bell: https://pxhere.com/en/photo/950455; 2021.07.31.
Jedlik Ányos: https://snappygoat.com/s/?q=bestof%3ADessewffy+Arisztid+Rusz+K%C3%A1roly.jpg+Dessewffy+Arisztid+honv%C3%A9d+vez%C3% A9r%C5%91rnagy+aradi+v%C3%A9rtan%C3%BA+Vas%C3%A1rnapi+Ujs%C3%A1g+1868+november+1+http+//epa+os
zk+hu/00000/00030/...; 2021.07.31.
Kapcsolási rajzok forrása:
https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab/latest/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab_en.html; 2021.07.31.