Az e-cigi fizikája, avagy mitől gőzöl a készülékem

Gyakran teszik fel különböző fórumokon tömegesen a következő kérdést, ha nem is pont ebben a formában:

Honnan tudnám elsajátítani azokat a fizikai ismereteket, amelyek a készülékem biztonságos üzemeltetéséhez szükséges?

Akik eddig így tettek, most aztán kíméletlenül megkapnak mindent, amit az elektromosságtanról tudniuk kell.

Eddig gyakorta adtam azt a rövid választ, hogy üsse fel a Mozaik kiadó 9.-10.-11. osztályosoknak szóló köteteit. Nem azért, mert adott esetben lusta voltam, (egyébként mindig lusta vagyok) hanem azért, mert én is ezekből a könyvekből tanultam meg azokat az ismereteket amikkel később az egyetemi légkörben is versenyképes maradtam. Mindemellett könnyed, olvasmányos és szemléletes módon mutatja be a jelenségeket ábrákkal tűzdelve.

Most viszont gondoltam egyet és elővettem egy kicsit komolyabb olvasmányt: Alvin Hudson-Rex Nelson Útban a modern fizikához című kötetet. Aki nem ismerné: az egyik legnépszerűbb fizikakönyv, amelyből világszerte tanulnak egyetemisták. Ebből terveztem szemelvényezni nektek az ÖSSZES szükséges fizikai tudást egy könnyed formába öntve úgy, hogy még a notórius lógósok is megértsék.

Mielőtt belevágnánk azonban felhívnám a figyelmet arra, hogy ezen írás logikai sorrendet követve lett felépítve, ezért ha úgy döntesz, hogy átgörgetsz egy-két-N bejegyzést, -ahol N tetszőlegesen nagy természetes szám- akkor minden bizonnyal el fogod veszteni a fonalat és később mégegyszer vissza kell olvasnod. Amennyiben viszont megérted az ok-okozati összefüggéseket, fontos tudásra teszel szert és mint tudjuk: “A tudás hatalom.”

Ahogy azt jól tudjuk, az atomok két részből állnak: az atommagból és az elektronfelhőből. Az atommag alkotóelemei a proton(ok) és neutron(ok). Anyagoktól függően természetesen számuk különböző lehet. A proton töltése pozitív, a neutron töltése zérus. Az elektronfelhő azért kapta ezt az elnevezést, mert az atommaghoz vonatkoztatott helyük nem állandó, hanem stacionárius pályákon mozognak, kicsit hasonlóan, akár a bolygók a naprendszerük tömegközéppontja körül. Az elektronok töltése negatív és abszolútértéke 1 eV (elektronVolt) ez megegyezik a protonok töltésével csupán az előjelük ellentétes. Ne lepődjünk meg, hogyha a későbbiekben pozitív és negatív töltéshordozók néven kívánom őket emlegetni. A vizsgán is így írtam és tökre kipipálták.

Vezetők és szigetelők

Célszerű az anyagokat aszerint osztályozni, hogy mennyire képesek az elektromos töltéseket vezetni. Vezető anyagban, az elektromos töltések szabadon mozoghatnak. A legtöbb fém elektromosan jó vezető, mert az atomok külső elektronjai, „a vezetési elektronok” könnyen mozoghatnak az anyagon keresztül, míg a pozitívan töltött atommagok helyhez kötöttek. Bizonyos folyadékokban és ionizált gázokban mind a pozitív, mind a negatív töltéshordozók képesek mozogni. Másfelől, az olyan anyagokat, mint az üveg, a fa, és a műanyagok, a szigetelők csoportjába soroljuk, ugyanis az elektromos töltések ezekben sokkal kevésbé mozgékonyak.

Kitekintés: Ugye, nem is voltak olyan buták a mára széles körben elterjedt modok tervezői, hogy ügyesen választották meg a szigetelőanyagokat. A legelterjedtebb a delrin, aminek az elektromos mellett mechanikai tulajdonságai is megfelelőek arra, hogy a csavarok súrlódását és nyomóerejét elviseljék. A kazánokban is gyakran alkalmazzák relatív magas olvadáspontja miatt .

Tehát mostmár tudjuk, hogy a vezetők -akár egy cső a vizet- vezetik a töltéshordozókat, a szigetelők pedig távol tartják a töltéseket azoktól a helyektől, ahol nem látjuk őket szívesen. Ennek akkor lesz fontos szerepe, amikor levezetem a feszültség fogalmát! Azonban az még nem világos teljesen mindenki előtt, hogy mégis hogy viselkednek egymással és kölünböző környezetben ezek a töltések. Képzeljük el a mágnes két pólusát! Feleltessük meg a pozitív és negatív töltéseket ezeknek a pólusoknak. Ugye rémlik? Az azonos pólusok taszítják egymást, a különbözőek pedig vonzzák egymást. Ezt az okosak úgy nevezik, hogy kölcsönhatásban vannak egymással, ahol erőt fejtenek ki egymásra, melynek irányát és nagyságát a Coulomb-törvény vektoriális alakjából határozhatjuk meg. Ezzel nem terhellek titeket, inkább pöccintsetek egy sört, mert gőzerővel hajtunk az érdekesebb témák felé.

Az elektromos erőtér

jele: E

Gondoljunk vissza egy pillanatra a gravitációs erőtér fogalmára. Ha nem megy inkább hagyjátok a fenébe és gondoljatok a halálcsillag védőpajzsára. Az valami hasonló. Viccet félretéve: ez azért fontos, mert bolygók egymásra kifejtett erőhatásai nagyon hasonlóak a töltésekéhez. Az elektromos térerősség az egységnyi töltésre ható erő nagyságát és irányát adja meg. Aki nem tudná, az ilyen mennyiségeket vektormennyiségnek nevezzük. Ez nem kapcsolódik szorosan ide, de valamiért mindig is tetszett ez a szó: vektor.  ( mintha hasonlítana valamelyik férfinévre…)

Szépen bevezettük tehát a térerősség fogalmát, nosza ismerjük meg, hogy mi okozhatja és mi alkothatja eme nagyszerű mennyiséget. Az elektromos erőteret térerősség-vonalak (vagy ahogy Faraday nevezte, erővonalak) segítségével szemléltethetjük. Ezeket szépen vizualizálhatjuk, ha töltött elektródák köré vezetőből készült port, konyhanyelven vasreszeléket szórunk. Mivel a téma számunkra nem túl fontos, elégedjetek meg annyival, hogy töltéssel átjárt vezetők, elektromos töltések és mágikus ereklyék lehetnek ezek forrásai.

Amikor elektromos töltéseket juttatunk szigetelt fémes vezetőre, akkor azok elektromos erőteret hoznak létre. Az erőtér viszont a töltéseket mindaddig mozgatja, amíg az elektrosztatikus egyensúly be nem áll, azaz mindaddig, amíg az összes töltés nyugalmi helyzetbe nem kerül. Ez. a töltésátrendeződés nagyon gyorsan végbemegy. Ezért van az, hogyha a mecha modon megnyomod a gombot, már serceg is a kazán.

Az elektromos potenciál

jele: U

Az egyik leglényegesebb témakör számunkra, érdemes hosszasan elgondolkozni rajta!

Az elektromos potenciális energia nem csak a nevében, de tulajdonságaiban is nagyon hasonló a potenciális energiához, melyet egyszerűbben helyzeti energiának hívunk. Ismétlésként: a klasszikus mechanikában minden testnek van helyzeti energiája a tér és idő minden pontjában, amely munkavégzés hatására megváltozhat. Ezt a gravitációs erő, a test tömege és a vonatkoztatási rendszer vízszintes tengelyétől betöltött távolság szorzata alkotja. Pl.: 10 méteres tengerszinti magasság esetén egy 1 kilós tárgyra kb. 10N gravitációs erő hat. (Ezt szokás g-nek is nevezni.)

Tehát egy 50 kilós test helyzeti energiája 10m magasságban: 10x10x50=5000J Ezek után talán mindenkinek dereng valami, hogy is nézhet ki ez az egész, úgyhogy vezessük is be a fogalmakat!

Tekintsünk egy E térerősségű elektromos erőtérbe helyezett q elemi töltést. Ahhoz, hogy az F = q_aE elektromos erő elemi dl távolságra mozdítsa el a töltést. Az a pontból a véges távolságban lévő b pontba történő elmozdításkor az elektromos potenciális energia megváltozik (akárcsak a te helyzeti energiád, ha felgyalogolsz egy domb tetejére). Amennyiben Ub-Ua-t kiszámoljuk, tehát a kiindulási és az elmozdítás utáni potenciális energiák különbségét vesszük, megkapjuk azt a mennyiséget, amit potenciálkülönbségnek, gyakorta feszültségnek nevezünk. (a parasztok pedig Voltnak. Lásd: “Mennyi a voltja ennek az akksinak báttya?”) A fizikusok különbséget tesznek a potenciálkülönbség, potenciális energia és a feszültség között, amitől mi most eltekintünk, mert a végén még kígyót-békát kiáltotok rám. Valójában differenciálegyenletekkel tudunk kapcsolatot teremteni a korábban említett mennyiségek és a feszültség között, de nem hinném, hogy ezekre kíváncsiak vagytok. A feszültség Si mértékegysége a Volt, innen is az előbbi anekdota.

Az elektromotoros erő

A töltésáramlás (vagy elektromos áram) vezető anyagokban akkor lehet folyamatos, ha a vezető zárt hurkot (vagy hurkokat), azaz áramkört alkot. A pozitív töltések mindig a nagyobb potenciálú hely felől a kisebb potenciálú hely irányába mozognak. Természetesen, ha egy pozitív töltés a csökkenő potenciál irányát követve egy teljes hurok megtétele után visszaérkezik a kiindulópontra, akkor ugyanolyan potenciálon lesz, mint elindulásakor. Ennélfogva az áramkör valamely pontján lennie kell egy olyan eszköznek, ami a töltésen munkát végez és átemeli egy bizonyos potenciálkülönbségen. Ezt a lokális energiaforrást, amely a töltéseken munkát végezve, potenciáljukat megnöveli, feszültségforrásnak vagy az elektromotoros erő (e.m.e.) forrásának nevezzük.

Az elektromotoros erői forrása vagy feszültségforrás lehet bármely olyan eszköz, szerkezet, fizikai struktúra, amely valamityen energiafajtát átalakítva elektromos energia forrásaként működik. Esetünkben ez az akkumulátor, amely belső kémiai reakciók révén a felszabadult energiát elektromos feszültséggé alakítja.

Az e.m.e. fogalma némileg analóg egy vizet keringető csőrendszerben lévő szivattyúhoz, mely függőlegesen megemeli a vizet, megnövelve annak gravitációs potenciális energiáját. Ha a csövek zárt hurkot alkotnak, a szivattyú körbeáramoltatja a vizet a rendszerben. Az áramlás útjában lévő akadály az áramlás számára mechanikai ellenállásként jelentkezik, némileg lecsökkentve a víz áramlási sebességét. Ha a cső teljesen el lenne zárva, a víz nem áramolhatna, bár a szivattyú továbbra is nyomást fejtene ki. Ennek hatására kezdene a víz az akadály eltávolításakor ismét cirkulálni. Az elektromos áramkör esetében, a töltések áramlásának útjába helyezett akadályt nevezzük elektromos ellenállásnak (jele: R). Ha elektromos áramkörben nyitott kapcsoló van, (vagyis nincs olyan útvonal az elektromos töltések számára a telep két kapcsa között, amelyen a töltések szabadon áramolhatnának) akkor a feszültségforrás elektromotoros ereje a kapcsoló két kapcsa között U feszültséget hoz létre (ez utóbbi hatására indul meg a töltés áramlás a kapcsoló zárásakor).

Tehát most már értjük, hogy az akkumulátor egy feszültségforrás, ami a rákapcsolt ellenállás függvényében hoz létre örvényáramot az áramkörben. Ezt az összefüggést az Ohm-törvény írja le, melynek alakja:

Az elektromos áram

Az elektromos áram nem más, mint töltések áramlása. A töltésáram létrejöhet szilárd vezetőkben, mint például az iróasztal-lámpa és a dugaszolóalj (mint elektromos energiaforrás) közötti huzalokban. Keletkezhet áram folyadékokban és gázokban, melyekben mind a pozitív, mind a negatív ionok mozognak; sőt áram még vákuumon keresztül is folyhat. Itt szögezném le, hogy két szemszögből tekinthetjük az elektromos áram irányát:

• A fizikai áramirány: a fizikusok megegyezés alapján a pozitív töltéshordozók irányát tekintik az elektromos áram irányának
• A természetszerű áramirány: a mindennapi használatban és az elektronikában azonban a negatív töltéshordozók irányát tekintjük az etalonnak. Többek között a fémekben is a negatív töltéshordozókról beszélünk vezető részecskék esetén.

Az elektromos áramerősség megegyezik az adott időegység alatt átáramlott töltések nagyságával, képletesen:

Az áramerősség Si mértékegysége az 1 coulomb/másodperc (C/s), melyet ampernek (A) nevezünk. Ha már szóba hoztuk a vektorokat, akkor fontos megjegyeznem, hogy noha I—nek van iránya, nem vektormennyiség. Ennek magyarázatához ismét szintet kellene lépnünk, szóval higgyétek el nekem vagy a könyvnek.

Most már mindent értünk ahhoz, hogy egy jót beszéljünk az egyenáramú áramkörökről.

Az egyenáramú (DC) áramkörre az jellemző, hogy a töltések csak egy irányban áramlanak. Ebben a részben azokat a módszereket ismertetjük, amelyekkel a feszültségforrásokból, ellenállásokból és álló, egyenáramú áramkörök tulajdonságait elemezhetjük.

A könyv taglalja a kondenzátorokkal rendelkező áramköröket, de ezt inkább kihagyom, ha valakit azonban érdekel ez a rész, a cikk végén ajánlok egy olvasmányt, amely segítségével bennsőséges viszonyba kerülhetünk a témával.

Mielőtt belekezdek, leszögeznék valamit, amin magam is sokat morfondíroztam: a tekercseknek, akárcsak a kondenzátoroknak megvan a maguk karakterisztikája, pl.: önindukció, tárolt energia. Azonban egy példával szemléltetve bemutatom nektek, hogy ezzel miért is nem számolunk gőzölés közben.

Tekintsünk egy ideális mechanikus modot. Ennek tömege és ellenállása 0, azaz a kapcsoló megnyomása után az érintkezők egyből ekvipotenciális területek lesznek az akkumulátorunk adott elektródáival. Erre helyezzünk egy ideális dripkazánt, ami szintén 0 ellenállású. És ebbe helyezzünk egy tekercset. Mivel a gomb megnyomása előtt nem folyik áram az áramkörben, a megnyomása után pedig igen, ezért ez egy váltakozó áramú áramkörnek tekinthető jelen esetben, de mégegyszer jelzem: ez csak egy példa. Az ilyen áramkörökben jellegzetesen beszélhetünk kezdeti, kiindulási és állandósult állapot-beli értékekkel.

• A kezdeti, amikor a kapcsoló nyitva van, azaz áram nem folyik, csak a pozitív bekötési ponton van töltés, hála a korábban emlegetett delrin szigetelésnek.
• A kiindulási az, amikor lenyomjuk a kapcsolót. Ilyenkor mind a pozitív, mind a negatív elektródákra töltéseket juttatunk, ezáltal az akkumulátor feszültsége a két elektróda között esik, de áram mégsem folyik az áramkörben. Hogy lehet ez? Ha egy tekercsen megváltozik az áramerősség, megváltozik a mágneses fluxus is. Ha változik a fluxus, az áramot fog indukálni a tekercsben. Az indukálódott áram irányát az határozza meg, hogy a főáram megváltozása az növekedést vagy csökkenést jelent. De ez mindig akadályozza a tekercs áramát.
• Az állandósult állapot pedig akkor következik be, ha a tekercsben már nem indukálódik feszültség és az áram szabadon áramolhat rajta, ilyenkor a fajlagos ellenálásából és a hosszából fakadó ellenállásnak tekintjük, mint áramköri elem.

Mivel  a gyakorlatban elég vékony huzalt használunk és relatív alacsony menetszámot a tekercs indukciója nagyon alacsony, ezáltal az önindukció is alacsony értéket ölt és ez az említett “láncreakció” pillanatok alatt végbemegy. Ezért a gyakorlatban elhanyagoljuk ezt a jelenséget és a microcoilunkat csupán passzív ellenállásnak tekintjük.

 Ezt jól kibeszéltük, talán nem értettétek, de ha már ennyit járt rajta az agyam, gondoltam megosztom a közösséggel. Jelenleg tehát az áramköri elemek, amikkel számolni fogunk:

• akkumulátor, mint feszültségforrás
• vezetők(modok teste vagy vezetékek, érintkezők, huzalbekötési-pontok, stb.)
• ellenálláshuzal, mint fogyasztó

Mint tudjuk a Lítium-ion akkumulátor-cellák névleges feszültsége 3,7V. Az aktuális üzemi feszültség gyakorlatilag a tárolt töltés mennyiségétől függ, ami azt jelenti, hogy egy teljesen feltöltött akkumulátor feszültsége 4,2V (Egyes speciális típusoknál pl.: lítium-vasfoszfát ez kevesebb vagy lítium-rézklorid esetében több.) és a használat során ez a terhelés időfüggvényében csökken.

Érdemesnek tartom megemlíteni, hogy a hideg környezet lassítja az akkumulátorokban lejátszódó kémiai folyamatot, ezért hidegben alacsonyabb a tényleges feszültség, mint szobahőmérsékleten. Ez persze nem azt jelenti, hogy a töltéseink a hidegben eltűnnek, vagy hidegben extrém önkisülése lenne a cellának, csupán azt, hogy a teljesítménye alacsonyabb. A hazai enyhe teleken ez nem mindig érezhető, de ha valaki letesztelné a szavahihetőségem: hagyja kint a feltöltött akkumulátorát éjszakára az autóban egy jó hideg téli estén, majd reggel maga is megtapasztalhatja, amiről beszélek.

Ha már itt tartunk egyszer és mindenkorra leszögezem: AZ AKKUMULÁTOR FESZÜLTSÉGFORRÁS !!! Tehát effektíve a pillanatnyi áram leadásával nem számolhatunk. Nem nagyon szeretném még az elektronikát is bevezetni ebben a cikkben, ezért egyezzünk meg abban, hogy az akkumulátor a rá kapcsolt fogyasztókon úgy végez munkát, hogy az egyes fogyasztók ellenállásának függvényében készteti a negatív töltéshordozókat az áramlásra a már korábban tárgyalt módon.

A nehéz felfogásúak kedvéért: nem írhatsz fel egy olyan egyenletet, hogy X A árammal “hajtod” a tekerésed. Mert te azt nem tudod, csak az aktuális feszültséget.

Az elektromos munka

jele: P , mértékegysége W (Watt)

Matematikai alakban: P= U x I x t (ahol t az idő másodpercben mérve). A pillanatnyi teljesítmény: P=U x I .

Ohm törvényét már jól ismerjük: R=U/I. Ezt a két törvényt a matematika szabályai szerint egymásba is rendezhetjük, amivel sok hasznos dolgot kiszámíthatunk.

Például.:

Mivel I=U/R és U=I x R, Ezeket behelyettesíthetjük a teljesítmény egyenletébe.

Tehát: P=U^2/R és P=I^2 x R.

Nézzük, ezzel például miket lehet kiszámítani!

Elővesszük ismét az ideális szettünket egy ideális 2 ohmos tekeréssel pusztán példának okáért.

• Teljesen feltöltött akkumulátorral tehát a teljesítmény: (4,2×4,2)/2= 8,82 W.
• Mostmár kiszámíthatjuk mekkora az áramerősség az áramkörben: gyök alatt(P/R) = 2,1 A.

Nem ragoznám tovább ha lehet. Más számokkal is így kell számolni…

Érdemes még szót ejtenünk a párhuzamos és soros kapcsolásokról:

Az ábrán láthatjátok, mit is jelent ez a gyakorlatban. (Series=soros, parallel=párhuzamos.)

Amit tudni kell ezekről:

• A soros kapcsolás feszültségosztóként viselkedik, tehát a rájuk kapcsolt feszültség megoszlik a fogyasztók között, viszont az áramkörben folyó áram értéke állandó lesz és egyenlő az összes fogyasztón. Az eredő ellenállás tehát Re=R1+R2.
• A párhuzamos kapcsolás áramosztóként viselkedik, a fogyasztókra kapcsolt feszültség állandó és egyenlő minden fogyasztón, az áramkörben folyó áram azonban megoszlik közöttük. Az eredő ellenállás: 1/Re=1/R1+1/R2

Most már tehát értjük, miért is nehéz dual/quad coilt tekerni. Amennyiben a két/négy tekercs ellenállása nem egyenlő, valamelyikre nagyobb feszültség fog esni, ezáltal több munkát is végzünk rajta, tehát nem csak, hogy nem lesz hatékony, hanem minden bizonnyal az alacsonyabb ellenállású tekercs meg is fogja égetni a kanócot.

Tehát már tudjuk, mennyi munkát végzünk az ellenálláshuzalon adott idő alatt. Az időegység alatti munkavégzés nagy része Hőenergiává alakul, amivel szépen gőzzé alakíthatjuk a folyékony halmazállapotú utántöltőnket. Erről a folyamatról viszont talán a többiek jobban tudnak mesélni, és így is elég hosszúra nyúlt a mai olvasmányotok.

Ezek után megérdemeltek egy sört! Aki pedig lusta volt elolvasni, az pedig csak simán igyon egyet!