Elektromosságról érthetően #2 – feszültség, áramerősség, ellenállás

Az előző részben megnéztük, hogy pontosan mi is az áram, hogyan mozognak az elektronok, és milyen formái vannak az elektromos energia átvitelének. Most lépjünk tovább, és ismerkedjünk meg a feszültséggel, az áramerősséggel és az ellenállással. Ezen alapfogalmak megismerése segít mélyebben megérteni, hogyan is működik az elektromosság.

Mi az a feszültség (U)?

A feszültség a villamos áramkörökben két, tetszőlegesen kiválasztott pont potenciálkülönbsége. Tulajdonképpen az elektromos töltések mozgatásához szükséges „erő”, vagy másképpen: annak a munkának a mérhető kifejeződése, amit akkor kapunk, ha 1 C (coulomb) töltést juttatunk el egyik pontról a másikra. Mértékegységét (volt = V) Alessandro Volta, olasz fizikus után kapta.

Képzeljük el, hogy elengedünk egy labdát egy domb tetején, ami így a gravitáció hatására legurul. Ebben a példában a két pont a domb teteje és az alja. Az elektromos rendszerekben a feszültség is ehhez hasonló szerepet tölt be: a töltések a magasabb potenciállal rendelkező helyről az alacsonyabb potenciállal rendelkező hely felé áramlanak. Most gondoljunk egy olyan folyóra, amely vízeséssel rendelkezik: egyértelmű, hogy minél magasabbról zuhan le a víz, annál nagyobb energiával rendelkezik. A feszültség is hasonlóan működik: minél nagyobb a potenciálkülönbség a két pont között, annál nagyobb lesz az energia, amely az áramlást hajtja. A feszültség tehát picit olyan, mint a szintkülönbség egy vízvezetékben vagy egy folyóban – minél nagyobb a „szintkülönbség”, annál nagyobb a feszültség.

Fontos tisztázni még, hogy ha a két pont pólusainak jellege nem változik, akkor egyenfeszültségről (DC), ha egy megadott frekvencia szerint váltakozik, akkor váltakozó feszültségről (AC) beszélünk.

Feszültség a hétköznapokban

A hétköznapi életben a leggyakrabban előforduló egyenfeszültésgek a 1,5, 3, 5, 9, 12 és 24 volt. Ahogyan 1,5 voltos elemekkel, úgy valószínűleg 12 voltos akkumulátorokkal is mindenki találkozott már. Míg a 12 voltos egyenfeszültséggel a transzformátorokban, híradástechnikában, gépjárművek rendszereiben, különböző háztartási elektronikai berendezésekben, vagy szerszámokban – bár ebben a szegmensben egyre inkább terjednek a 18 voltos készülékek is – lehet találkozni, addig a 24 voltos egyenfeszültség inkább a teherautókban terjedt el.

Váltakozó feszültség esetén a 110, 230 és a 400 V a legjellemzőbb. Érdekes módon az Egyesült Államokban a 110 V a szabványos háztartási feszültségszint, míg Európa nagy részén, így Magyarországon is a 230 V a szabvány. A 400 V-tal Magyarországon ipari környezetben találkozhatunk. 3 fázison ez az ipari szabvány (ipari áram), ahol a 400 V feszültség két különböző fázis között mérhető, míg a nulla vezetőhöz képest fázisonként a normál szabványban leírt 230 V-ot kapunk.

A magyar nyelv szépségei miatt feszültség és ellenállás is egyaránt előfordulhat a családi ebédlőasztalnál, de mi most maradjunk az elektromosságnál. Egy ceruzaelem tehát kb. 1,5 V feszültséget szolgáltat, egy háztartási dugalj pedig 230 V-ot. Persze az előbbi egyenáramot tárol, míg a dugaljból váltakozó áramot kapunk, de ezzel most nem foglalkozunk.

Tiamat Energy 18650 formátumú, 1Ah (3,5 Wh) kapacitású nátriumion akkumulátor.

Az elektromos autók akkumulátorai viszont jóval nagyobb feszültségtartományban működnek, hiszen nagy teljesítményt kell biztosítaniuk a motorok számára. Egy Tesla Model 3, vagy egy Nissan Leaf például nagyjából (nem pontosan) 400 V-os akkumulátorrendszerrel rendelkezik, míg a Porsche Taycan, vagy a KIA EV6 (szintén nagyjából) 800 V-os rendszert használ, ami gyorsabb töltési időket és hatékonyabb energiafelhasználást tesz lehetővé. (Fontos, hogy ebben az esetben egyenfeszültségről – tehát nem váltakozó feszültségről és ipari áramról beszélünk!)

Azért említettem kétszer is, hogy „nagyjából”, mert az elektromos autók akkumulátorainak pontos feszültsége a cellák konfigurációjától és a gyártói specifikációktól függően változhat, de általánosságban elfogadhatjuk, hogy a fent említett modellek akkumulátorai a megadott feszültségtartományokba esnek.

Mi az az áramerősség (I)?

Az áramerősség azt mutatja meg, hogy egy adott vezetéken belül mennyi elektromos töltés halad át adott idő alatt. Mértékegysége az amper (A). Ha visszatérünk a korábbi hasonlatunkhoz, akkor az áramerősség tulajdonképpen megfeleltethető annak, hogy egy folyóban, vagy a folyó egy szakaszán mennyi víz áramlik át egységnyi idő alatt. Minél gyorsabb a sodrás, annál több vizet szállít a folyó, ami lefordítva annyit tesz: minél nagyobb az áramerősség, annál több töltés áramlik a vezetéken egységnyi idő alatt.

Aranyköntösbe bújtatott 350 kW-os IONITY töltőoszlop.

Áramerősség a hétköznapokban

Egy átlagos LED-lámpa áramfelvétele kb. 0,02 A, viszont egy hajszárító már jóval magasabb áramerősséget igényelhet a működéséhez. Az elektromos autók gyorstöltésekor a töltési teljesítmény attól függ, hogy mekkora feszültség mellett mekkora áramerősséget tud biztosítani a töltő. Például az IONITY hálózatában található 350 kW-os villámtöltők akár 500 amper áramerősséget is biztosíthatnak 700 voltos feszültség mellett. A teljesítmény kiszámítása egyszerű:

P=U×I=700×500=350.000 W=350 kW (Vagyis a 700 volt feszültséget megszorozva az 500 amper áramerősséggel megkapjuk a 350.000 watt teljesítményt, ami 350 kW-nak felel meg.

Az olyan gyorstöltő hálózatok, mint az IONITY vagy a Tesla Supercharger tehát akár több száz kilowatt teljesítmény leadására is képesek, amihez jellemzően 400–800 V feszültség és 500–750 A áramerősség szükséges. A pontos érték a teljesség igénye nélkül függ az autó töltöttségi szintjétől, az akkumulátor hőmérsékletétől és az adott jármű töltési karakterisztikájától is.

Mi az az ellenállás (R)?

Az ellenállás az a tulajdonság, amely meghatározza, hogy egy anyag mennyire akadályozza az elektromos áram áthaladását. Folytatva az eddigi példát, ha a feszültséget a folyó sodrásának, az áramerősséget pedig a víz mennyiségének tekintjük, akkor az ellenállás olyan, mint egy szűkülő partszakasz, amely akadályozza, tehát lelassítja a víz áramlását. Másképpen: A fogyasztóknak az a tulajdonsága, ami megszabja, hogy adott feszültség esetén mekkora lesz az átfolyó áram erőssége: a fogyasztó elektromos ellenállása. Nagy ellenállású fogyasztó esetén kicsi az áramerősség, kis ellenállású fogyasztó esetén pedig nagy. Az ellenállás jele az R, mértékegysége az ohm (Ω).

Ellenállás a hétköznapokban

Bizonyos – a háztartásokban is előforduló – készülékekben azért szándékosan nagy az ellenállás, hogy a villamos energia hővé, vagy fénnyé alakuljon. Egy izzó volfrámszála például kifejezetten nagy ellenállású, hiszen így tud fényt kibocsájtani. Az elektromos hősugárzókban található fűtőszálak is hasonlóan működnek. Az ilyen készülékek belsejében egy ellenálláshuzal vagy fűtőszál található. Az áram az ellenállásba ütközve nem tud tovább haladni, így az energiája hővé alakul, amit a készülék ventilátorral szétoszlat a szobában. De ugyanígy működik a kenyérpirító és a vízforraló is. Utóbbi esetben, ha a fűtőszálnak kicsi lenne az ellenállása, akkor kisebb hőt termelne, így a víz lassabban melegedne fel.

Forrás: Unsplash

Alapszabály, hogy minél vastagabb egy vezeték, annál kisebb az ellenállása, ezért az elektromos autók töltőkábeleit nagy keresztmetszetű rézhuzalból készítik, hogy csökkentsék az energiaveszteséget és hatékonyabb legyen az áram átvitele.

Ohm-törvénye: a feszültség, áramerősség és ellenállás kapcsolata

Az elektromosság egyik legalapvetőbb összefüggése az Ohm-törvény, amely szerint a feszültség (U) egyenlő az áramerősség (I) és az ellenállás (R) szorzatával. Ez azt jelenti, hogy egy fogyasztóra kapcsolt feszültség egyenesen arányos a fogyasztón átfolyó áram erősségével, vagyis minél nagyobb feszültséget adunk egy eszközre, annál nagyobb áram folyik át rajta – feltéve, hogy az ellenállása nem változik. Az ellenállás mértékegységét Georg Simon Ohm, német fizikusról nevezték el.

Ennek megfelelően, ha egy 230 V-os dugaljba egy 1000 W teljesítményű hajszárítót dugunk be, akkor az Ohm-törvény segítségével kiszámolhatjuk, hogy mekkora áram folyik keresztül rajta. Ha sikerült írjátok meg a helyes megfejtést a komment szekcióban!

Hasonlóan, egy elektromos autó töltésekor a töltő feszültsége és az áramerősség alapján pontosan kiszámítható a töltési teljesítmény.

A következő részben a teljesítményről és az energiafelhasználásról lesz szó!

Zvara Szabolcs

Hiszek abban, hogy a legkisebb tettnek is lehet óriási hatása ezért villanyautót használok, amit napelemről töltök. Igyekszem a háztartást műanyagmentesíteni, a hulladékot szelektíven gyűjteni, az elhasznált dolgokat újra felhasználni és amit lehet a saját kertben megtermelni. Jó érzés tudni, hogy ez nem csak nekem számít, ezért csatlakoztam a Villanyautósok.hu csapatához.