Tudjuk, hogy a meleg ellenállás is pont ugyanúgy néz ki, mint a hideg, ... csak más a fogása.
![.](/sites/default/files/inline-images/ellenallasFM5-www.jpg)
2021. december 16-án, 18 órától került sor az 5. FIRKA-műhely előadásra. (Az előadás visszanézhető itt.)
Dr. Simon Alpár, a BBTE Magyar Fizika Intézetének docense, az Ellenállások önmelegedése fizikus szemmel című bemutatójában egy - a kísérleti fizika vizsgálati témaköréből származó - egyszerű kísérlet segítségével mutatta be, milyen is a fizikus szemével látni és érteni mindazt, amit egy laikus a "bekapcsoltuk, s leégett" tőmondatban letudna.
Már az előadás első perceiben megtudtuk, hogy a fogalmak tisztázása elengedhetetlen bármilyen jelenség tudományos igénnyel történő vizsgálata esetén. A magyar nyelvben az ellenállás megnevezéssel nem csupán a leggyakrabban előforduló áramköri alkatelemet, mint tárgyat illetjük, hanem a rezisztencia néven ismert elektromos ellenállást, mint fizikai mennyiséget is így nevezzük. Figyelni kell a precíz fogalomhasználatra.
Az előadás címében is megjelenő önmelegedés pedig arra az ellenállás belsejében végbemenő melegedési folyamatra utal, mely nem külső tényező hatására jön létre. Az ellenállások esetében ezt a jelenséget a Joule-Lenz-törvény írja le. (Q=I2Rt). Tudni kell, hogy az ellenállás az áramerősség szabályozás során nem tárol sem töltést, sem elektromos, vagy mágneses energiát, csupán a felvett elektromos teljesítmény egy részét alakítja át hővé és ezt sugárzással adja át a környezetének (diszipálja). Ezen elv alapján működnek a mindennapjaink során használt háztartási eszközök, szerszámok némelyike, pl. a villanybojler, a főzőlap, a vasaló, a forrasztópáka, vagy a hajszárító. Előfordulnak olyan esetek, amikor ez a hőhatás meghaladja a megengedett mértéket, ami már probléma lehet. Hogy ezt megelőzzük, ismernünk kell a hőmérsékletet az ellenállás (majdnem) minden pontjában, és tudnunk kell hogy ez miként változik az idő és/vagy az áramerősség függvényében. Ehhez pedig kísérletezni és mérni kell!
Az előadás során ismertetett laborkísérlet erre a törekvésre irányult.
Multiméterek, szabályozható feszültségforrás felhasználásával történtek a kezdeti megfigyelések, kísérletezések.
![1](/sites/default/files/inline-images/2_1.jpg)
![3](/sites/default/files/inline-images/3_0.jpg)
Ha a kísérlet során vizsgált ellenállást laikus szemmel néznénk, aligha tudnánk nyomon követni a folyamatot.
![4](/sites/default/files/inline-images/4_1.jpg)
Egy hőkamera használatával már kimutatható az ellenállás hősugárzásának infravörös tartományban végbemenő változása és mértéke, azonban ez utóbbi pontos követésére már a hőkamera képe sem elégséges. Hogy pontosabb mérési eredményeket kapjunk, szükséges volt a vizsgált ellenállásra hőszenzorokat rögzíteni.
Mikrokontroller vezérelte mérések sorozata során, az ellenállás felületének különböző pontjaira rögzített hőmérséklet-szenzorok segítségével pontos mérési eredményekhez juthatunk, melyeket a valós idejű grafikus megjelenítés révén már részletesebben lehetet analizálni.
![6](/sites/default/files/inline-images/6_0.jpg)
A fenti képen a kísérlet során használt, több mint 5 cm hosszúságú ellenállás látható, melyről eltávolították a külső szigetelő réteget.
![7](/sites/default/files/inline-images/7_1.jpg)
![8](/sites/default/files/inline-images/8_2.jpg)
A kísérlet összeállítása az alábbi képen látható:
![9](/sites/default/files/inline-images/9.jpg)
Az Arduino mikrokontroller segítségével a szenzorok mérési értékei grafikusan is megjeleníthetőek. Ezeken egyenként nyomon követhetők a szenzorok mérési értékei. Jól látható az ellenállásban zajló - az áram bekapcsolása és kikapcsolása közt végbemenő - hőmérsékletváltozás. A görbékről leolvasható, hogy az 1. és 7. szenzorok, melyek a végekre voltak rögzítve, a bekapcsolást követően picit később mértek hőmérsékletemelkedést, illetve a kikapcsoláskor csökkenést, ellentétben a többi szenzorral.
![10](/sites/default/files/inline-images/10.jpg)
![11](/sites/default/files/inline-images/11.jpg)
![12](/sites/default/files/inline-images/12.jpg)
A beszámoló elején linkelt YouTube-videót követve, érthetővé válnak a kísérlet különböző momentumai közti összefüggések. Olyan részletek derülnek ki, melyek létezéséről nem lenne tudomásunk, ha nem a kísérleti fizika eszközeivel igyekeznénk a témát körül járni.
A bemutatott videófelvételből láthatóvá vált, hogy áram hatására az ellenállás a közepétől kiindulva a végei fele kezd el melegedni, majd az áram kikapcsolása után a lehűlési folyamat fordított sorrendben zajlik (végektől a felhevűltebb közép rész felé).
A mérési eredmények igazolták, hogy bár a melegedés nagyon gyorsan következik be, az ellenállás középső része előbb melegedik, mint a végei. Elegendő hosszú idő elteltével hőegyensúly és állandó hőmérséklet figyelhető meg. Nagy áramerősség esetén extrém hőhatás is létrejöhet, visszafordíthatatlan károkat okozva az ellenállás szerkezetében.
![13](/sites/default/files/inline-images/13.jpg)
Kétségtelen, hogy fontos kutatni, megismerni az ellenállások önmelegedési folyamatát. Érdekes lenne vizsgálni, hogy például milyen folyamatok játszódnak le akkor, amikor a villamos energiamennyiséget nagyon rövid impulzusok során adjuk át az ellenállásnak.
Dr. Simon Alpár előadása egy látványos iskolapéldája volt annak, hogy a legegyszerűbbnek tűnő, szinte már evidenciaként kezelt folyamatok mögött, érdekes, s néha meglepő sajátosságok rejtőznek, olyasmik, melyek vizsgálata még napjainkban is igazi kihívást jelent a fizikusok számára.