Badanie obwodów prądu stałego 312[02].O1.03
advertisement
MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Barbara Kapruziak Badanie obwodów prądu stałego 312[02].O1.03 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007 „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” Recenzenci: dr inż. Marian Korczyński prof. PŁ dr hab. inż. Krzysztof Pacholski Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Ryszard Zankowski Konsultacja: mgr Małgorzata Sienna Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 312[02].O1.03 „Badanie obwodów prądu stałego” zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik teleinformatyk. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007 „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 1 SPIS TREŚCI 1. 2. 3. 4. Wprowadzenie Wymagania wstępne Cele kształcenia Materiał nauczania 4.1. Struktura obwodu elektrycznego 4.1.1. Materiał nauczania 4.1.2. Pytania sprawdzające 4.1.3. Ćwiczenia 4.1.4. Sprawdzian postępów 4.2. Podstawowe wielkości obwodu prądu stałego 4.2.1. Materiał nauczania 4.2.2. Pytania sprawdzające 4.2.3. Ćwiczenia 4.2.4. Sprawdzian postępów 4.3. Podstawowe prawa obwodów prądu stałego. Połączenia rezystorów 4.3.1. Materiał nauczania 4.3.2. Pytania sprawdzające 4.3.3. Ćwiczenia 4.3.4. Sprawdzian postępów 4.4. Obliczanie obwodów rozgałęzionych metodą praw Kirchhoffa 4.4.1. Materiał nauczania 4.4.2. Pytania sprawdzające 4.4.3. Ćwiczenia 4.4.4. Sprawdzian postępów 4.5. Pomiar wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego 4.5.1. Materiał nauczania 4.5.2. Pytania sprawdzające 4.5.3. Ćwiczenia 4.5.4. Sprawdzian postępów 4.6. Oddziaływanie cieplne prądu stałego 4.6.1. Materiał nauczania 4.6.2. Pytania sprawdzające 4.6.3. Ćwiczenia 4.6.4. Sprawdzian postępów 4.7. Stany pracy źródła napięcia. Dopasowanie odbiornika do źródła 4.7.1. Materiał nauczania 4.7.2. Pytania sprawdzające 4.7.3. Ćwiczenia 4.7.4. Sprawdzian postępów 4.8. Pojemność elektryczna - kondensatory 4.8.1. Materiał nauczania 4.8.2. Pytania sprawdzające 4.8.3. Ćwiczenia 4.8.4. Sprawdzian postępów „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 2 4 6 7 8 8 8 12 12 13 14 14 15 15 16 17 17 21 21 23 24 24 25 25 25 26 26 29 29 31 32 32 33 33 33 34 34 35 35 36 37 37 39 39 40 5. 6. 4.9. Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka 4.9.1. Materiał nauczania 4.9.2. Pytania sprawdzające 4.9.3. Ćwiczenia 4.9.4. Sprawdzian postępów Sprawdzian osiągnięć Literatura „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 3 49 49 43 43 43 44 49 1. WPROWADZENIE Poradnik, który Ci przekazujemy będzie pomocny w przyswajaniu wiedzy dotyczącej obwodów elektrycznych prądu stałego, a także w kształtowaniu umiejętności obliczania tych obwodów i wykonywania pomiarów wielkości elektrycznych. W poradniku zamieszczono: − wymagania wstępne określające umiejętności, jakie powinieneś posiadać, abyś mógł bez problemów rozpocząć pracę z poradnikiem, − cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie opanujesz w wyniku kształcenia w ramach tej jednostki modułowej, − materiał nauczania, czyli wiadomości teoretyczne konieczne do opanowania treści jednostki modułowej, − zestaw pytań sprawdzających czy opanowałeś już podane treści, − ćwiczenia zawierające polecenia, sposób wykonania oraz wyposażenie stanowiska pracy, które pozwolą Ci ukształtować określone umiejętności praktyczne, − sprawdzian postępów pozwalający sprawdzić Twój poziom wiedzy po wykonaniu ćwiczeń, − sprawdzian osiągnięć opracowany w postaci testu, który umożliwi Ci sprawdzenie Twoich wiadomości i umiejętności opanowanych podczas realizacji programu danej jednostki modułowej, − literaturę związaną z programem jednostki modułowej umożliwiającą pogłębienie Twej wiedzy z zakresu programu tej jednostki. Bezpieczeństwo i higiena pracy W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas trwania nauki. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 4 312[02].O1 Podstawy mechaniki i elektrotechniki 322[18].O1.01 Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska 312[02].O1.03 Badanie obwodów prądu stałego 312[02].O1.02 Projektowanie i wykonywanie konstrukcji mechanicznych 312[02].O1.04 Badanie obwodów prądu przemiennego 312[02].O1.05 Użytkowanie instalacji elektrycznych Schemat układu jednostek modułowych „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 5 2. WYMAGANIA WSTĘPNE − − − − − − − − − − − − Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: komunikować się i pracować w zespole, dokonywać oceny swoich umiejętności, korzystać z różnych źródeł informacji, wyszukiwać, selekcjonować, porządkować, przetwarzać i przechowywać informacje niezbędne do wykonywania zadań zawodowych, interpretować założenia teoretyczne i stosować je w praktyce, przedstawiać graficznie zależności oraz interpretację wykresów, tabel i schematów, analizować treść zadania, dobierać metody i plan rozwiązania, uzasadniać działanie na podstawie określonej teorii, planować czynności, tabele pomiarów, prezentować wyniki opracowań, opisywać budowę atomu, stosować zasady bhp, ochrony przeciwpożarowej i ochrony środowiska, wykonywać podstawowe operacje matematyczne, m.in. przekształcanie wzorów. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 6 3. CELE KSZTAŁCENIA − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: wyjaśnić zjawisko prądu elektrycznego w ciałach stałych, cieczach i gazach, rozróżnić materiały pod względem właściwości elektrycznych, rozróżnić rodzaje prądu ze względu na jego przebieg, zdefiniować podstawowe wielkości elektryczne i przeliczyć jednostki tych wielkości w układzie SI, rozpoznać elementy obwodów elektrycznych, odczytać schematy prostych obwodów elektrycznych, zastosować podstawowe prawa elektrotechniki do analizy obwodów elektrycznych prądu stałego, oznaczyć zwroty napięć i prądów w obwodach elektrycznych, obliczyć wartości wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego, obliczyć rezystancję przewodnika o określonych wymiarach, obliczyć rezystancję zastępczą rezystorów połączonych równolegle, szeregowo i w sposób mieszany, ocenić wpływ zmian rezystancji w obwodach elektrycznych na wartość napięcia, prądu i mocy, obliczyć parametry zastępcze źródeł napięcia, określić warunki dopasowania odbiornika do źródła, obliczyć pojemność kondensatora płaskiego, obliczyć pojemność zastępczą układu połączeń kondensatorów oraz rozkład napięć i ładunków, posłużyć się woltomierzem i amperomierzem prądu stałego, omomierzem oraz miernikiem uniwersalnym, wykonać pomiary w obwodach prądu stałego, zmierzyć podstawowe wielkości elektryczne w obwodach prądu stałego i opracować ich wyniki pomiarów, zweryfikować poprawność obliczeń i wskazań mierników, zastosować obowiązującą procedurę postępowania w sytuacji zagrożenia zdrowia lub życia / porażenia prądem elektrycznym, zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 7 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Struktura obwodu elektrycznego 4.1.1. Materiał nauczania Prąd elektryczny jest to zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków elektrycznych przez dowolny przekrój poprzeczny środowiska (ciała przewodzącego). Ciała przewodzące, ze względu na rodzaj przemieszczających się cząstek dzielą się na: − przewodniki I rodzaju (metale i ich stopy, węgiel), w których prąd elektryczny polega na ruchu elektronów swobodnych; własności chemiczne tych przewodników nie ulegają zmianie przy przepływie prądu; − przewodniki II rodzaju (elektrolity, czyli roztwory zasad, kwasów i soli), w których przepływ prądu polega na ruchu jonów: dodatnich (kationów) i ujemnych (anionów); własności chemiczne tych przewodników ulegają zmianie przy przepływie prądu. Zjawisko przewodzenia prądu elektrycznego w metalach można omówić wykorzystując elektronową teorię budowy atomów, według której elektrony walencyjne powłoki zewnętrznej metali słabo są związane z jądrem, dzięki czemu szybko tracą z nim stały związek i swobodnie poruszają się w sieci krystalicznej. Elektrony te noszą nazwę elektronów swobodnych. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (np. w wyniku doprowadzenia napięcia elektrycznego) bezładny ruch elektronów w metalu zostaje zamieniony w ruch uporządkowany, czyli następuje przepływ prądu elektrycznego. Metale czyste wykazują najlepsze zdolności przewodzenia. Wśród nich należy wyróżnić srebro, miedź, aluminium, cynk, platynę, cynę. Z materiałów tych wykonuje się m.in. uzwojenia maszyn i aparatów elektrycznych, przyrządów pomiarowych, przewody linii przesyłowych, styki. Jako materiały przewodzące stosuje się również stopy rezystancyjne żelaza, miedzi, manganu, niklu, chromu, srebra (manganin, konstantan, chromonikielina, kanthal itp.). Wykorzystuje się je głównie w urządzeniach grzejnych. Z wcześniejszych rozważań wynika, że warunkiem przepływu prądu elektrycznego jest równoczesne istnienie pola elektrycznego i swobodnych nośników ładunku elektrycznego. W próżni, doprowadzenie napięcia elektrycznego nie stanowi warunku wystarczającego przepływu prądu, ponieważ nie występują tu żadne elektrony swobodne. Należy więc wprowadzić cząstki obdarzone ładunkiem, co można osiągnąć dzięki wykorzystaniu zjawiska emisji elektronów z powierzchni ciał stałych (np. z katody). Istnieje szereg sposobów ułatwienia procesu emitowania elektronów z katody m.in. podgrzanie jej (emisja elektronowa), działanie promieniowania świetlnego (emisja fotoelektronowa), działanie bardzo silnego pola elektrycznego (emisja polowa). Warunkiem koniecznym przepływu prądu w gazie, który w warunkach normalnych jest dielektrykiem, jest zjonizowanie go, czyli oderwanie elektronów od atomu, w wyniku czego z obojętnego elektrycznie atomu powstanie naładowany dodatnio jon i swobodne elektrony. Spełnienie drugiego warunku, czyli przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego, spowoduje przepływ prądu elektrycznego w gazie – przepływ tego prądu nosi nazwę wyładowania elektrycznego. Najczęstszymi sposobami jonizacji są: − jonizacja termiczna, − jonizacja zderzeniowa, − fotojonizacja. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 8 W elektrolitach, czyli wodnych roztworach kwasów, zasad i soli, pod wpływem wody następuje zjawisko dysocjacji elektrolitycznej, polegające na rozpadzie cząsteczek na jony dodatnie (kationy) i jony ujemne (aniony).Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego zachodzi ruch jonów dodatnich i ujemnych, czyli następuje przepływ prądu. Przewodnictwo prądu w elektrolitach ma więc charakter jonowy i charakteryzuje się występowaniem w nich zmian chemicznych. Obwody elektryczne Obwód elektryczny jest to zbiór elementów połączonych ze sobą w taki sposób, że możliwy jest przepływ prądu elektrycznego co najmniej jedną drogą. W skład obwodu elektrycznego wchodzą: − elementy źródłowe, czyli elementy aktywne wymuszające przepływ prądu, − elementy odbiorcze, czyli elementy pasywne (rezystory, cewki, kondensatory, silniki, źródła światła itp.), w których energia elektryczna przetwarzana jest w inny rodzaj energii np. w energię cieplną, mechaniczną czy świetlną. Graficznie obwód przedstawia się w postaci schematu, na którym podany jest sposób połączenia poszczególnych elementów. Elementy te przedstawione są za pomocą symboli graficznych. Głównym elementem obwodu jest źródło. Źródło rzeczywiste charakteryzuje się siłą elektromotoryczną E (sem) oraz rezystancją wewnętrzną Rw – symbole graficzne źródła napięcia przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Symbole graficzne źródła napięcia: a) idealnego, b) rzeczywistego, c) symbol ogniwa [1, s. 14] Siła elektromotoryczna jest to różnica potencjałów między zaciskami źródła napięcia w warunkach, gdy to źródło nie dostarcza energii elektrycznej do odbiornika. Jeden z zacisków źródła napięcia stałego ma potencjał wyższy – jest to biegun dodatni, oznaczony (+), zaś drugi zacisk ma potencjał niższy i jest to biegun ujemny, oznaczony (–). Biegunowość źródła oznaczamy za pomocą strzałki, której grot wskazuje biegun (+). Na schemacie obwodu elektrycznego obok źródła umieszcza się jeszcze odbiorniki oraz elementy pomocnicze typu wyłączniki, przełączniki, przyrządy pomiarowe np. amperomierze, woltomierze, watomierze. Każdy z tych elementów przedstawiony jest za pomocą odpowiedniego symbolu graficznego. Wybrane symbole graficzne stosowane w elektrotechnice przedstawia tabela 1. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 9 Tabela 1. Ważniejsze symbole graficzne stosowane w elektrotechnice [1, s. 11] Obwód elektryczny można również określić jako zbiór oczek, przy czym pod pojęciem oczka rozumiemy zbiór połączonych ze sobą gałęzi tworzących zamkniętą drogę dla przepływu prądu, mający te właściwość, że po usunięciu dowolnej gałęzi, pozostałe gałęzie nie tworzą już drogi zamkniętej dla przepływu prądu. Gałąź obwodu elektrycznego z kolei jest utworzona przez jeden lub kilka połączonych ze sobą szeregowo elementów. Jeśli w jednym punkcie zbiegną się co najmniej trzy gałęzie, to w punkcie tym powstanie węzeł obwodu. Jeśli obwód elektryczny zawiera tylko jedną gałąź (jedno oczko), to obwód taki nazywamy obwodem nierozgałęzionym. Występuje w nim tylko jeden prąd elektryczny taki „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 10 sam w obu elementach: w elemencie źródłowym i elemencie odbiorczym. Schemat najprostszego obwodu nierozgałęzionego przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Schemat najprostszego obwodu elektrycznego nierozgałęzionego [2, s.35] Jeśli obwód składa się z kilku gałęzi (posiada co najmniej dwa oczka), to obwód taki nazywamy obwodem rozgałęzionym. W obwodzie takim występuje więcej prądów – co najmniej trzy. Rys. 3. Schemat obwodu elektrycznego rozgałęzionego (o dwóch węzłach i trzech gałęziach) Strzałkowanie w obwodach elektrycznych Na schemacie obwodu elektrycznego za pomocą strzałek oznaczane są zwroty prądu w poszczególnych gałęziach oraz biegunowości napięć na elementach źródłowych i odbiorczych. Strzałkę zwrotu prądu w odbiorniku zaznacza się od zacisku o potencjale wyższym (+) do zacisku o potencjale niższym (–). W źródle napięcia zwrot prądu jest od zacisku o biegunowości (–) do zacisku o biegunowości (+). Rys. 4. Sposoby znakowania prądu w gałęzi obwodu [2, s. 37] Przy przepływie prądu przez odbiornik na jego zaciskach występuje napięcie zwane spadkiem napięcia – strzałkę określającą biegunowość spadku napięcia na odbiorniku rysuje się w taki sposób, żeby grot strzałki wskazywał punkt o wyższym potencjale. Z powyższego wynika, że na elementach źródłowych strzałki napięcia i prądu są zwrócone zgodnie, zaś na elementach odbiorczych strzałki napięcia i prądu są zwrócone przeciwnie. Układ jednostek SI W Polsce obowiązuje Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI, zwany krótko układem SI. W układzie tym występuje 7 jednostek podstawowych i 2 jednostki uzupełniające. Na podstawie jednostek podstawowych i uzupełniających tworzy się jednostki pochodne. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 11 W praktyce stosuje się odpowiednie przedrostki i odpowiadające im mnożniki w celu utworzenia dziesiętnych wielokrotności i podwielokrotności jednostek miar – pokazuje je tabela 2. Tabela 2. Przedrostki wielokrotności i podwielokrotności jednostek miar Przedrostki wielokrotne Przedrostek Oznaczenie tera T giga G mega M kilo k hekto h deka da Mnożnik i znaczenie 1012 1 000 000 000 000 109 1 000 000 000 106 1 000 000 103 1 000 102 100 101 10 Przedrostki podwielokrotne Przedrostek Oznaczenie decy d centy c mili m mikro µ nano n piko p Mnożnik i znaczenie 10-1 0,1 10-2 0,01 10-3 0,001 10-6 0,000 001 10-9 0, 000 000 001 10-12 0,000 000 000 001 4.1.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Na czym polega zjawisko przepływu prądu w metalach? Na czym polega zjawisko przepływu prądu w próżni? Na czym polega zjawisko przepływu prądu w gazach? Na czym polega zjawisko przepływu prądu w elektrolitach? Jakie wyróżnia się elementy obwodu elektrycznego? Jak definiuje się pojęcie obwodu elektrycznego? Jakie elementy nazywa się źródłowymi? Co to są elementy odbiorcze? Co to jest oczko obwodu elektrycznego? Co to jest gałąź obwodu elektrycznego? Co to jest węzeł obwodu elektrycznego? Czym charakteryzuje się obwód nierozgałęziony? Czym charakteryzuje się obwód rozgałęziony? Jaka wielkość elektryczna charakteryzuje źródło napięcia stałego? Jak oznacza się zwroty napięcia i prądu na elementach źródłowych? Jak oznacza się zwroty napięcia i prądu na elementach odbiorczych? Jak się tworzy wielokrotności jednostek miar? Jak się tworzy podwielokrotności jednostek miar? 4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Przedstaw poniższe wielkości elektryczne w jednostkach bez przedrostków stosując przeliczanie z wykorzystaniem wielokrotności i podwielokrotności: U = 25 MV, I = 350 μA, R = 12,5 kΩ, P = 40 mC. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 12 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) ustalić, czy jednostki wymienionych wielkości elektrycznych są zapisane w jednostkach podstawowych, uzupełniających czy pochodnych układu SI, 2) przypomnieć sobie, jakie są oznaczenia przedrostków wielokrotności i podwielokrotności jednostek oraz odpowiadające im mnożniki, 3) dokonać przeliczenia jednostek zgodnie z wymaganiami zawartymi w treści zadania. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: zeszyt ćwiczeń, długopis, kalkulator. 4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) scharakteryzować przepływ prądu w metalach, próżni, gazach, elektrolitach? 2) wymienić elementy obwodu elektrycznego? 3) narysować nierozgałęziony obwód elektryczny prądu stałego? 4) narysować dowolny rozgałęziony obwód elektryczny prądu stałego? 5) oznakować w dowolnym obwodzie prąd, sem. źródła i napięcie odbiornikowe? 6) wymienić spotykane w elektrotechnice jednostki podstawowe układu SI? 7) wykorzystać przedrostki wielokrotności i podwielokrotności jednostek miar do obliczenia wartości wielkości charakteryzujących obwody elektryczne? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 13 Tak Nie 4.2. Podstawowe wielkości obwodu prądu stałego 4.2.1. Materiał nauczania Rezystancja przewodnika jest to cecha przewodnika, która przy niezmiennej temperaturze zależy od jego wymiarów geometrycznych i rodzaju materiału, z którego został on wykonany. Dla przewodników o długości l i stałym przekroju poprzecznym S rezystancję oblicza się z zależności: l R=ρ∙ S Rezystancja przewodu jest więc wprost proporcjonalna do jego długości (wzrasta ze wzrostem długości), a odwrotnie proporcjonalna do jego przekroju (maleje ze wzrostem przekroju). We wzorze współczynnik ρ nazywa się rezystywnością (oporem elektrycznym właściwym) i określa rezystancję przewodnika o jednostkowej długości i jednostkowym przekroju. Jednostką rezystywności jest [Ω∙m] (czytamy: omometr), dla długości przewodnika określonej w m i przekroju – w m2 . Rezystywność zależy od rodzaju materiału, z którego wykonano przewodnik; materiał jest tym lepszym przewodnikiem elektrycznym, im mniejsza jest jego rezystywność. Wielkością, która charakteryzuje zdolność przewodnika do przewodzenia prądu jest konduktancja przewodnika (przewodność elektryczna), oznaczana literą G. Jednostką konduktancji jest simens, oznaczany literą S. Konduktancję oblicza się jako odwrotność rezystancji. 1 1 G= 1[S] = R [Ω ] Z kolei odwrotność rezystywności nazywamy konduktywnością (przewodnością elektryczną właściwą), oznaczamy literą γ i wyrażamy jednostką: simens na metr [S/m] 1 γ= ρ Wzór do obliczania rezystancji, w którym rezystywność zostanie zastąpiona konduktywnością przyjmuje postać 1 R= γ ⋅S Wartości rezystywności i konduktywności wybranych materiałów pokazano w tabeli 3. Tabela 3. Rezystywność i konduktywność materiałów przewodzących Rezystywność ρ Konduktywność γ Nazwa materiału Ω∙m S/m Srebro 1,62 • 10-8 62,5 • 106 Miedź 1,75 • 10-8 57,0 • 106 -8 Aluminium 2,83 • 10 35,3 • 106 -8 Cynk 6,30 • 10 15,9 • 106 -8 Platyna 11,10 • 10 9,0 • 106 -8 Cyna 12,00 • 10 8,3 • 106 Rezystywność, a tym samym rezystancja przewodnika, zależą od czynników zewnętrznych, a zwłaszcza od temperatury. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 14 Zależność rezystancji od temperatury można wyrazić wzorem: R = R20 [1 + α (ϑ ─ 20)] gdzie: R20 - rezystancja przewodnika w temperaturze równej 20oC, ϑ - rzeczywista temperatura przewodnika, α - współczynnik temperaturowy rezystancji dla temperatury 20oC. Rezystancja metali wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (współczynnik α jest dodatni), zaś rezystancja elektrolitów i węgla maleje (współczynnik α jest ujemny). 4.2.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Od czego zależy rezystancja przewodu? Jakim wzorem wyraża się rezystancja przewodu o danym przekroju S i długości l? Jak zmieni się wartość rezystancji linii przesyłowej wykonanej z przewodu miedzianego, jeżeli jej długość zmniejszymy dwukrotnie a jej przekrój zwiększymy trzykrotnie? Co to jest rezystywność i jaka jest jej jednostka? Co to jest konduktancja i w jakich jednostkach jest wyrażana? Co to jest konduktywność i w jakich jednostkach jest podawana? Jaki wpływ na rezystancję materiałów ma temperatura? 4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Połączenia elektryczne w pomieszczeniu wykonane są przewodami miedzianymi o przekroju 6 mm2 i długości 40 m. Jaka jest wartość rezystancji tych przewodów? Sposób wykonania ćwiczenia 1) 2) 3) 4) − − − Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: zapisać wzór na obliczanie rezystancji, opisujący jej zależność od wymiarów i rodzaju materiału przewodnika, odczytać z tabeli 3 wartość rezystywności dla przewodów miedzianych, sprawdzić, czy wszystkie wielkości – rezystywność dla przewodów miedzianych ρ, przekrój przewodów S i długość przewodów l są podane w jednostkach zgodnie z układem SI (jeśli nie – dokonać odpowiedniego przeliczenia), podstawić dane do wzoru i obliczyć rezystancję przewodów, o których mowa w ćwiczeniu. Wyposażenie stanowiska pracy: zeszyt ćwiczeń, długopis, kalkulator. Ćwiczenie 2 Połączenia elektryczne w pomieszczeniu wykonane są przewodami miedzianymi o przekroju S i długości l. Jak zmieni się rezystancja przewodów, gdy dwukrotnie zmniejszymy długość połączeń i dwukrotnie zmniejszymy przekrój? Jak zmieni się wartość rezystancji, gdy przewody miedziane zastąpimy aluminiowymi (przy takich samych wymiarach)? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 15 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać wzór na obliczanie rezystancji, opisujący jej zależność od wymiarów i rodzaju materiału przewodnika, 2) przeliczyć, jak zmieni się rezystancja w wyniku podanej zmiany wymiarów przewodnika, 3) sprawdzić, jak wpłynie na wartość rezystancji zmiana materiału, porównując wartości rezystywności obu materiałów. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: zeszyt ćwiczeń, długopis, tabela z podanymi wartościami rezystywności materiałów przewodzących. 4.2.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) 2) 3) 4) 5) zdefiniować pojęcie: rezystancja? zdefiniować pojęcie: rezystywność? zdefiniować pojęcie: konduktancja? zdefiniować pojęcie: konduktywność? obliczyć rezystancję przewodnika znając jego wymiary i materiał? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 16 Tak Nie 4.3. Podstawowe prawa obwodów prądu stałego. Połączenia rezystorów 4.3.1. Materiał nauczania Prawo Ohma odnosi się do odcinka obwodu przewodzącego prąd, który napotyka na opór elektryczny (rezystancję R) tego odcinka. Rys. 5. Odcinek obwodu elektrycznego prądu stałego [2, s. 21] Prawo Ohma dla tego odcinka opisuje wzór: U I= R gdzie: U – napięcie doprowadzone do zacisków AB odcinka obwodu, wyrażone w woltach, I – natężenie prądu przepływającego w odcinku obwodu, wyrażone w amperach, R – rezystancja odcinka obwodu, wyrażona w omach. Prawo Ohma można sformułować następująco: wartość przepływającego w odcinku obwodu prądu I jest wprost proporcjonalna do napięcia U przyłożonego do zacisków tego odcinka obwodu i odwrotnie proporcjonalna do jego rezystancji R. Prawo Ohma można zapisać w postaci: U=I∙R lub: R= U I Pierwsze prawo Kirchhoffa dotyczy bilansu prądów w węźle obwodu elektrycznego. Jest ono sformułowane następująco: Dla każdego węzła obwodu suma algebraiczna prądów jest równa zeru: Σ Iα = 0 gdzie: α – liczba gałęzi zbiegających się w węźle. Przyjmuje się umownie zasadę, że prądy zwrócone do węzła są dodatnie, zaś prądy zwrócone od węzła – ujemne. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 17 I prawo Kirchhoffa można zobrazować analizując zwroty prądów zbiegających się w węźle przedstawionym na rysunku 6. Rys. 6. Węzeł obwodu z zaznaczonymi zwrotami prądów Do węzła zwrócone są prądy: I1, I2, I3, a więc są to prądy dodatnie; od węzła zwrócone są prądy: I4, I5, a więc są to prądy ujemne. Dla przedstawionego węzła I prawo Kirchhoffa przyjmuje więc postać: I1 + I2 + I3 - I4 - I5 = 0. Po przeniesieniu prądów ujemnych na drugą stronę równania (ze zmienionym znakiem) otrzymamy inną postać I prawa Kirchhoffa: I1 + I2 + I3 = I4 + I5 Inaczej można to prawo sformułować następująco: Suma prądów dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających z węzła. Drugie prawo Kirchhoffa dotyczy bilansu napięć w oczku obwodu elektrycznego. Jest ono sformułowane następująco: W dowolnym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego suma algebraiczna napięć źródłowych oraz suma algebraiczna napięć odbiornikowych występujących na rezystancjach rozpatrywanego oczka jest równa zeru. Σ Ek + Σ Rβ ∙Iβ = 0 gdzie: k - liczba źródeł w rozpatrywanym oczku, β - liczba rezystorów w rozpatrywanym oczku. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 18 Na rysunku 7 przedstawione jest wyodrębnione oczko pewnego obwodu rozgałęzionego. Rys. 7. Oczko obwodu elektrycznego Po przyjęciu pewnego zwrotu obiegowego, który oznacza się strzałką wewnątrz oczka, podstawiamy do równania definicyjnego napięcia źródłowe i napięcia odbiornikowe z odpowiednimi znakami (dodatnimi, gdy strzałki zwrotów napięć są zgodne ze zwrotem obiegowym oczka i ujemnymi w przeciwnym wypadku). Dla oczka przedstawionego na rys.7 II prawo Kirchhoffa przyjmuje postać: E1 - E2 - E3 - U1 + U2 + U3 - U4 = 0 Po uporządkowaniu równania otrzymujemy inną postać II prawa Kirchhoffa: E1 - E2 - E3 = U1 - U2 - U 3 + U4 Inaczej można to prawo sformułować następująco: W dowolnym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego suma algebraiczna napięć źródłowych jest równa sumie algebraicznej napięć odbiornikowych. Połączenia szeregowe rezystorów Łączenie szeregowe rezystorów polega na tym, że dwa kolejno połączone rezystory mają tylko jeden punkt wspólny w obwodzie – przedstawia to rysunek 8. Rys. 8. Łączenie szeregowe rezystorów [2, s. 28] Napięcie na zaciskach połączonych szeregowo rezystorów jest równe sumie napięć na poszczególnych rezystorach. UAB = U1 + U2 + U3 Przy połączeniu szeregowym rezystorów przez wszystkie elementy przepływa ten sam prąd, a więc zgodnie z prawem Ohma spadki napięć na rezystorach R1, R2 i R3 będą równe: „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 19 U1 = I• R1 U2 = I• R2 U3 = I• R3 Po podstawieniu do wzoru na napięcie UAB otrzymujemy: UAB = I• R1 + I• R2 + I• R3 UAB = I (R1 + R2 + R3) A więc: UAB = I• RAB Gdzie: RAB - rezystancja zastępcza równoważna rezystancjom połączonym szeregowo równa się sumie tych rezystancji: RAB = R1 + R2 + R3 Rezystancja zastępcza dowolnej liczby rezystorów połączonych szeregowo jest równa sumie rezystancji poszczególnych rezystorów. Połączenia równoległe rezystorów Łączenie równoległe rezystorów polega na tym, że kolejno połączone rezystory mają po dwa punkty wspólne w obwodzie – przedstawia to rysunek 9. Rys. 9. Łączenie równoległe rezystorów [2, s. 32]. Prąd I płynący od źródła do odbiorników, zgodnie z I prawem Kirchhoffa, jest równy sumie prądów płynących przez rezystancje R1, R2 i R3: I = I1 + I2 + I3 Na wszystkich rezystorach występuje jednakowe napięcie doprowadzone do węzłów, a więc prądy można obliczyć ze wzorów (zgodnie z prawem Ohma): I1 = U/R1 I2 = U/R2 I3 = U/R3 Podstawiając te wartości do wzoru na obliczenie prądu I otrzymamy: U U U U = + + Rz R1 R2 R3 Po podzieleniu obu stron przez U otrzymamy: 1 1 1 1 = + + Rz R1 R2 R3 Przy połączeniu równoległym dowolnej liczby rezystorów odwrotność rezystancji zastępczej Rz tego połączenia jest równa sumie odwrotności rezystancji poszczególnych rezystorów. Połączenia mieszane rezystorów Połączenie mieszane rezystorów występuje wtedy, gdy rozgałęziony obwód elektryczny prądu stałego zawiera elementy łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle. W celu „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 20 uproszczenia takiego obwodu i obliczenia jego parametrów stosujemy metodę przekształcania, polegającą na: − wyodrębnieniu w schemacie rozpatrywanego obwodu jednorodnych grup połączeń rezystorów (szeregowo lub równolegle), − obliczaniu kolejnych rezystancji zastępczych tych jednorodnych połączeń rezystorów, czyli w efekcie zastąpieniu wyjściowego obwodu obwodem równoważnym nierozgałęzionym, o określonej rezystancji zastępczej. 4.3.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. 6. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Jak brzmi prawo Ohma dla odcinka obwodu przewodzącego prąd? Jakim wzorem wyraża się prawo Ohma? Jak brzmi I prawo Kirchhoffa? Jak brzmi II prawo Kirchhoffa? Jak oblicza się wartość rezystancji zastępczej szeregowego połączenia rezystorów? Jak oblicza się wartość rezystancji zastępczej równoległego połączenia rezystorów? 4.3.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 W pracowni elektrycznej wykonano w obwodzie nierozgałęzionym serię pomiarów napięcia, natężenia prądu i rezystancji. Uzupełnij poniższą tabelkę obliczając brakujące wielkości: U R I 50 V 15 V 3 kΩ 5m A 12 V 6Ω 12 μA 25 mV 1Ω 4 nA 60 mV 10 mA Sposób wykonania ćwiczenia 4) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: zapisać prawo Ohma dla odcinka obwodu, przekształcić tę zależność w taki sposób, by szukaną była brakująca w tabeli wielkość elektryczna, sprawdzić, czy wszystkie wielkości – napięcie U, natężenie prądu I oraz rezystancja R są podane w jednostkach zgodnie z układem SI – jeśli nie, należy dokonać odpowiedniego przeliczenia, podstawić dane do wzoru i obliczyć żądaną wielkość elektryczną. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 1) 2) 3) „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 21 Ćwiczenie 2 Do węzła dopływają prądy I1 i I3, zaś prądy I2, I4 i I5 wypływają z węzła. Uzupełnij poniższą tabelkę wykorzystując I prawo Kirchhoffa: 1. I1 6. I2 11. I3 16. I4 21. I5 2. 10 A 7. 12. 5 A 17. 3 A 22. 0,9 A 3. 20 A 8. 12 A 13. 1 A 18. 4 A 23. 4. 2,5 A 9. 3,25 A 14. 19. 70 mA 24. 12 A 5. 10. 100 mA 15. 26 A 20. 50 mA 25. 4,2 A Sposób wykonania ćwiczenia 4) 5) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: zapisać wzór obrazujący I prawo Kirchhoffa dla danego węzła, przekształcić tę zależność w taki sposób, by szukaną wielkością był brakujący prąd, sprawdzić, czy wszystkie wartości prądów są podane w jednostkach zgodnie z układem SI (jeśli nie, należy dokonać odpowiedniego przeliczenia), obliczyć brakujący prąd zgodnie z odpowiednio przekształconym wzorem, czynność powtórzyć 4-krotnie – dla każdego przypadku. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 1) 2) 3) Ćwiczenie 3 Oblicz rezystancję zastępczą trzech rezystorów połączonych szeregowo, mając następujące dane: R1 = 50 Ω, R2 = 0,2 kΩ i R3 = 500 mΩ. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać wzór dotyczący obliczania rezystancji zastępczej trzech rezystorów połączonych szeregowo, 2) sprawdzić, czy wartości wszystkich rezystancji: R1, R2 i R3 podane są w jednostkach zgodnie z układem SI – jeśli nie, należy dokonać odpowiedniego przeliczenia, 3) podstawić dane do wzoru i obliczyć rezystancję zastępczą połączenia szeregowego trzech rezystorów. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. Ćwiczenie 4 Oblicz rezystancję zastępczą trzech rezystorów połączonych równolegle, mając następujące dane: R1 = 200 mΩ, R2 = 40 Ω i R3 = 0,08 MΩ. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 22 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać wzór dotyczący obliczania rezystancji zastępczej trzech rezystorów połączonych równolegle, 2) sprawdzić, czy wartości wszystkich rezystancji: R1, R2 i R3 podane są w jednostkach zgodnie z układem SI – jeśli nie, należy dokonać odpowiedniego przeliczenia, 3) podstawić dane do wzoru i obliczyć rezystancję zastępczą połączenia równoległego trzech rezystorów. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 4.3.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) podać treść prawa Ohma? podać treść I prawa Kirchhoffa? podać treść II prawa Kirchhoffa? zastosować prawo Ohma do wyznaczania parametrów obwodu elektrycznego? zastosować I prawo Kirchhoffa do wyznaczenia prądów w obwodzie? obliczyć rezystancję zastępczą szeregowego połączenia rezystorów? obliczyć rezystancję zastępczą równoległego połączenia rezystorów? obliczyć rezystancję zastępczą przy mieszanym połączeniu rezystorów? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 23 Tak Nie 4.4. Obliczanie obwodów rozgałęzionych metodą praw Kirchhoffa 4.4.1. Materiał nauczania W metodzie tej należy ułożyć odpowiednią liczbę równań zgodnie z I i II prawem Kirchhoffa, zapisać je w postaci układu równań i rozwiązać ten układ np. metodą podstawiania. Aby rozwiązać obwód, czyli wyznaczyć wartości wszystkich prądów, należy: − napisać (υ ─ 1) równań niezależnych zgodnie z I prawem Kirchhoffa, gdzie υ – liczba węzłów, − napisać (b ─ υ + 1) równań niezależnych zgodnie z II prawem Kirchhoffa, gdzie b – liczba gałęzi, − ułożyć układ równań, − rozwiązać układ równań. Metodę praw Kirchhoffa można omówić na przykładzie obwodu przedstawionego na rysunku 10, przy założeniu, że znane są wartości obu napięć źródłowych E1 i E2 oraz wszystkie wartości rezystancji: R1÷ R6. Rys. 10. Schemat obwodu do ilustracji obliczania obwodów metodą praw Kirchhoffa Aby obliczyć wartości prądów w obwodzie przedstawionym na rys.10 na wstępie należy ustalić liczbę węzłów (υ = 4) oraz liczbę gałęzi (b = 6). Następnie ustala się liczbę wymaganych równań zgodnie z I prawem Kirchhoffa (υ ─ 1 = 4 ─ 1 = 3) oraz liczbę wymaganych równań zgodnie z II prawem Kirchhoffa (b ─ υ + 1 = 6 ─ 4 + 1 = 3). Po oznaczeniu dowolnych zwrotów prądów w gałęziach należy ułożyć 3 równania dla 3 węzłów zgodnie z I prawem Kirchhoffa, np. I1 = I4 + I6, I3 = I1 + I2, I5 = I2 + I6. W dalszej części wybiera się 3 oczka, przyjmując w nich dowolne zwroty obiegowe i układa 3 równania zgodnie z II prawem Kirchhoffa, np.: dla oczka 1: E1 = R1I1 + R4I4 + R3I3 dla oczka 2: E2 = R2I2 + R5I5 + R3I3 dla oczka 3: 0 = R6I6 + R5I5 ─ R4I4 W efekcie należy ułożyć i rozwiązać układ 6 równań, obliczając tym samym niewiadome prądy. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 24 4.4.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Od czego zależy liczba równań, które należy napisać dla danego obwodu zgodnie z I prawem Kirchhoffa? Od czego zależy liczba równań, które należy napisać dla danego obwodu zgodnie z II prawem Kirchhoffa? Ile równań niezależnych należy napisać dla obwodu elektrycznego o υ węzłach? Ile równań niezależnych należy napisać dla obwodu elektrycznego o b gałęziach i υ węzłach? Jaki jest sposób postępowania przy rozwiązywaniu obwodów nierozgałęzionych? 4.4.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dany jest układ składający się z 3 gałęzi; w 2 gałęziach włączone są równolegle źródła napięcia, zaś w trzeciej – odbiornik o rezystancji R. Oblicz wszystkie prądy w obwodzie mając następujące dane: E1 = 12 V, RW1 = 0,5 Ω, E2 = 9V, RW2 = 0,3 Ω, R = 10 Ω. Sposób wykonania ćwiczenia 1) 2) 3) 4) 5) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: narysować obwód odpowiadający treści ćwiczenia, oznaczyć (w sposób dowolny) zwroty prądów w obwodzie oraz zwroty obiegowe oczek, obliczyć liczbę równań, które należy ułożyć wg I i II prawa Kirchhoffa, napisać wszystkie konieczne równania wg I i II prawa Kirchhoffa, podstawić dane i rozwiązać układ równań z trzema niewiadomymi, znajdując w ten sposób wszystkie trzy prądy. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 4.4.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) 2) 3) 4) określić liczbę równań wymaganą do rozwiązania obwodu według I prawa Kirchhoffa? określić liczbę równań wymaganą do rozwiązania obwodu zgodnie z II prawa Kirchhoffa? napisać równania według praw Kirchhoffa dla danego obwodu? obliczyć parametry obwodów prądu stałego metodą praw Kirchhoffa? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 25 Tak Nie 4.5. Pomiar wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego 4.5.1. Materiał nauczania Natężenie prądu stałego mierzy się za pomocą amperomierza (elektronicznego lub magnetoelektrycznego) włączanego szeregowo z odbiornikiem. Przy pomiarze prądu amperomierzem analogowym (wskazówkowym), działającym na bazie ustroju magnetoelektrycznego, wartość natężenia prądu IA (w amperach) wyznacza się z zależności: IA = α · c gdzie: α – wychylenie wskazówki amperomierza w działkach, c – stała amperomierza, wyznaczona ze wzoru: zakres A c= α max dz Sposób podłączenia amperomierza pokazany jest na rysunku 11. Rys. 11. Sposób podłączenia amperomierza [5, s. 182] Regulacja natężenia prądu stałego może być zrealizowana w układzie przedstawionym na rysunku 12. Rys. 12. Schemat jednostopniowego układu nastawiania prądu [5, s. 59] − − − − − − Zalecenia dotyczące przedstawionego układu: wartość rezystora nastawnego R dobrana zgodnie z zależnością: R ≈ 10 Rodb, rezystor Rw dobrany odpowiednio do zakresu pomiarowego woltomierza, odbiornik, czyli rezystor Rodb, tak dobrany, aby nie obciążał zbytnio źródła napięcia, wszystkie rezystory o odpowiedniej obciążalności prądowej, możliwość pomiaru prądu amperomierzem w całym zakresie nastawiania tzn. od Imax do Imin, przed załączeniem układu rezystor nastawny R nastawiony na maksimum rezystancji (minimalny prąd w chwili załączenia). „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 26 Napięcie stałe mierzy się za pomocą woltomierza włączanego równolegle z odbiornikiem. Najczęściej stosuje się elektroniczny woltomierz analogowy lub cyfrowy, woltomierz magnetoelektryczny lub woltomierz elektrostatyczny (duże wartości napięcia stałego, rzędu wielu tysięcy V). Przy pomiarze napięcia woltomierzem analogowym wartość napięcia Uv (w woltach) wyznacza się ze wzoru: Uv = α ∙ c gdzie: α – wychylenie wskazówki woltomierza w działkach, c – stała woltomierza, wyznaczona ze wzoru: zakres V c= α max dz Sposób podłączenia woltomierza pokazany jest na rysunku 13. Rys. 13. Podłączenie woltomierza prądu stałego [5, s. 180] Zakres pomiarowy woltomierza powinien być większy od wartości mierzonego napięcia, a wychylenie wskazówki α powinno zawierać się pomiędzy 2/3 pełnego wychylenia a pełnym jej wychyleniem (najdokładniejszy pomiar). W przypadku, gdy zachodzi konieczność pomiaru napięcia o wartości większej niż napięcie odpowiadające największemu zakresowi woltomierza, stosuje się dzielnik napięcia. Układ służący do pomiaru napięcia stałego z zastosowaniem dzielnika napięcia przedstawia rysunek 14. Rys. 14. Pomiar napięcia za pomocą dzielnika [5, s. 46] Dzielnik napięcia składa się z dwóch rezystorów połączonych szeregowo. Zostaje on dołączony do zacisków źródła napięcia U1. Napięcie U1 wymusza przepływ prądu: I1 = U1/(R1 + R2). Prąd ten wywołuje na rezystorze R2 spadek napięcia: U2 = I1R2 = U1R2/(R1 + R2) „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 27 przy założeniu, że pomiar napięcia U2 odbywa się bez poboru prądu (I2 = 0) (bądź też prąd ten jest minimalnie mały). Znając wartości rezystancji R1 i R2 oraz napięcia U2 można określić wartość napięcia U1 > U2. Jeżeli zachodzi konieczność nastawiania (regulacji) wartości napięcia w pewnych zadanych określonych granicach, należy zastosować układ potencjometryczny, czyli źródło napięcia i rezystor nastawny w układzie dzielnika napięcia. Jest to tzw. jednostopniowy układ nastawiania napięcia. Rys. 15. Schemat jednostopniowego układu nastawiania napięcia: Va – woltomierz magnetoelektryczny (analogowy); Vc – woltomierz cyfrowy W układzie można stosować woltomierz magnetoelektryczny lub cyfrowy. Na zaciskach woltomierza magnetoelektrycznego Va lub cyfrowego Vc występuje napięcie U2, którego wartość zależy od położenia suwaka rezystora R. Potencjometr R umożliwia nastawianie napięcia w zakresie od 0 do Umax. Napięcie Umax ma wartość zbliżoną do napięcia U1 (U1 ≤ Umax). Rezystancję można zmierzyć: 1) bezpośrednio za pomocą omomierza 2) pośrednio: a) za pomocą mostków: − czteroramiennego mostka Wheatstone’a – do pomiaru rezystancji dużych, − sześcioramiennego mostka Thomsona – do pomiaru rezystancji małych, b) metodą techniczną - za pomocą woltomierza i amperomierza wykorzystując prawo Ohma. Podziałka omomierza szeregowego wyskalowana jest w omach – przedstawia ją rysunek 16. Skala przyrządu jest nieliniowa, a podziałka posiada trzy charakterystyczne punkty: − dla Rx = 0 wychylenie wskazówki α = αmax, − dla Rx = ∞ wychylenie wskazówki α = 0, − dla Rx = R wychylenie wskazówki α = 0,5αmax. Rys. 16. Podziałka omomierza szeregowego [5, s. 41] Pomiar rezystancji metodą techniczną polega na pomiarze spadku napięcia U na badanej rezystancji oraz natężenia prądu I, a następnie wyliczeniu rezystancji na podstawie prawa Ohma. Istnieją dwa rodzaje układu pomiarowego: „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 28 − układ do pomiaru rezystancji małych, − układ do pomiaru rezystancji dużych. Aby dokonać wyboru układu pomiarowego należy wyznaczyć średnią geometryczną rezystancji wewnętrznych amperomierza i woltomierza ze wzoru: Rg = Ra ⋅ Rv Rezystancja Rg nazywana jest rezystancją graniczną. Jeżeli mierzona rezystancja Rx > Rg, to należy wybrać układ do pomiaru rezystancji dużych, w przeciwnym przypadku – układ do pomiaru rezystancji małych. Wybór właściwego układu pozwoli na zmniejszenie błędu pomiarowego. Jeżeli mierzona rezystancja jest większa od Rg, wówczas należy wybrać układ do pomiaru rezystancji dużych, w przeciwnym przypadku – układ do pomiaru rezystancji małych (pozwoli to na zmniejszenie błędu pomiarowego). Rys. 17. Pomiar rezystancji metodą techniczną: a) układ do pomiaru rezystancji małych, b) układ do pomiaru rezystancji dużych [5, s. 46] 4.5.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. W jaki sposób włącza się woltomierz w obwód elektryczny? Kiedy i w jakim celu stosuje się dzielnik napięcia? W jaki sposób włącza się amperomierz w obwód elektryczny? Jaki miernik służy do bezpośredniego pomiaru rezystancji? Na czym polega pomiar rezystancji metodą techniczną? Kiedy należy wybrać układ do pomiaru rezystancji dużych? Kiedy należy wybrać układ do pomiaru rezystancji małych? W jakim celu stosuje się układ potencjometryczny? 4.5.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Woltomierz o zakresie znamionowym 300 V i maksymalnej liczbie działek 150, wychylił się o 120 działek. Oblicz, jaką wartość napięcia wskazał woltomierz? Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wyznaczyć stałą woltomierza, „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 29 2) obliczyć napięcie wskazywane przez miernik, 3) zaprezentować wynik swoich obliczeń i uzasadnić tok postępowania. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: zeszyt ćwiczeń, długopis, kalkulator. Ćwiczenie 2 Amperomierz o zakresie znamionowym 6 A i maksymalnej liczbie działek 30, wskazał w obwodzie natężenie prądu o wartości 1,2 A. O ile działek wychyliła się wskazówka amperomierza? Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wyznaczyć stałą amperomierza, 2) obliczyć liczbę działek odpowiadającą natężeniu prądu 1,2 A, 3) zaprezentować wynik swoich obliczeń i uzasadnić tok postępowania. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: zeszyt ćwiczeń, długopis, kalkulator. Ćwiczenie 3 Wybierz układ do pomiaru rezystancji metodą techniczną i wykonaj pomiary mając do dyspozycji: − rezystor o rezystancji 44 Ω, − woltomierz o rezystancji wewnętrznej Rv = 2 MΩ, − amperomierz o rezystancji wewnętrznej RA = 10 mΩ. Sposób wykonania ćwiczenia 3) 4) 5) 6) 7) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: obliczyć średnią geometryczną rezystancji wewnętrznych mierników, porównać wartość obliczonej średniej geometrycznej z wartością rezystancji i dokonać wyboru właściwego układu pomiarowego, dobrać mierniki do warunków zadania, zmontować układ, odczytać wskazania mierników, obliczyć rezystancję wykorzystując prawo Ohma, zaprezentować efekt swojej pracy i uzasadnić tok postępowania. − − − − Wyposażenie stanowiska pracy: stanowisko laboratoryjne z dostępnym zasilaniem, badany rezystor, amperomierze i woltomierze, przewody łączeniowe, 1) 2) „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 30 − − − kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 4.5.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) włączyć amperomierz do obwodu elektrycznego? włączyć woltomierz do obwodu elektrycznego? obliczyć wskazania mierników znając wychylenie wskazówki? zmierzyć wartość rezystancji omomierzem? zmierzyć wartość rezystancji metodą techniczną? zmontować układ do pomiaru małych rezystancji? zmontować układ do pomiaru dużych rezystancji? wykorzystać do pomiaru dzielnik napięcia? scharakteryzować układ regulacji natężenia prądu stałego? scharakteryzować układ regulacji napięcia? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 31 Tak Nie 4.6. Oddziaływanie cieplne prądu stałego 4.6.1. Materiał nauczania Energia elektryczna W (wyrażona w J – dżulach) dostarczona przewodnikowi podczas przepływu prądu elektrycznego przemienia się całkowicie w ciepło Q, co można wyrazić wzorem: Qc = W = U·I·t Po podstawieniu do wzoru zależności wynikającej z prawa Ohma: U = RI, otrzymamy zależność, będącą matematycznym zapisem prawa Joule’a-Lenza: Qc = RI2t. Prawo Joule’a-Lenza brzmi: Ilość ciepła wydzielonego w przewodniku pod wpływem prądu elektrycznego jest wprost proporcjonalna do rezystancji R przewodnika, kwadratu natężenia prądu I oraz czasu t przepływu prądu. We wzorze obrazującym prawo Joule’a-Lenza ciepło Qc wyrażone jest w J (dżulach), rezystancja R w Ω, natężenie prądu I w A, zaś czas t w sekundach. 1 J jest równoważny ilości ciepła ≈ 0,24 cal. Stąd prawo Joule’a-Lenza było również zapisywane w postaci: Qc = 0,24 RI2t W tym wzorze należy podstawić: Qc – w kaloriach, R – w omach, I – w amperach, t – w sekundach. Zjawisko wydzielania się energii cieplnej podczas przepływu prądu w niektórych urządzeniach jest zjawiskiem niekorzystnym (np. przy przemianie energii elektrycznej w energię mechaniczną w silnikach czy w energię świetlną w źródłach światła ciepło zaliczane jest do strat), zaś w innych urządzeniach (grzejnych) znalazło szerokie zastosowanie, wykazując wiele zalet. Proces przemiany energii elektrycznej w ciepło charakteryzuje się m.in.: − możliwością szybkiego nagrzania, − możliwością osiągania wysokich temperatur, − dużą czystością procesu nagrzewnia, − dużą możliwością regulacji, − możliwością automatyzacji procesu nagrzewania. Grzejnictwo elektryczne jest bardzo rozpowszechnione w niektórych gałęziach przemysłu (przy wytopie stali szlachetnych, metali kolorowych, w obróbce cieplnej stali itp.) oraz w gospodarstwie domowym. Do najczęściej stosowanych metod grzejnych należy: − nagrzewanie oporowe (rezystancyjne) polegające na wydzielaniu ciepła przy przepływie prądu elektrycznego przez przewodzące ciała stałe, − nagrzewanie promiennikowe polegające na wykorzystaniu energii wypromieniowanej przez tak zwane promienniki podczerwieni, − nagrzewanie łukowe, w którym jako źródła ciepła wykorzystywany jest łuk elektryczny utrzymujący się między elektrodami a nagrzewanym materiałem. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 32 4.6.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Jak brzmi prawo Joule’a-Lenza? W jakich jednostkach można wyrazić ilość ciepła wydzielonego w przewodniku? Jakie są skutki wydzielania się ciepła podczas przepływu prądu? Jakie można podać przykłady przemiany energii elektrycznej w ciepło? 4.6.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Oblicz ilość ciepła wydzielonego w czasie t = 2 h przez grzejnik o poborze mocy P = 6 kW. Sposób wykonania ćwiczenia 1) 2) 3) 4) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: zapisać wzór obrazujący prawo Joule’a-Lenza, obliczyć dostarczoną energię elektryczną podstawiając właściwe wielkości do wzoru, wyznaczyć ciepło w J, obliczyć ilość wydzielonego ciepła w cal., uwzględniając równoważnik cieplny energii elektrycznej. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 4.6.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) podać zapis matematyczny prawa Joule’a-Lenza? 2) sformułować prawo Joule’a-Lenza? 3) wymienić przykłady niekorzystnych skutków zjawiska przemiany energii elektrycznej w ciepło? 4) wymienić przykłady zastosowania zjawiska przemiany energii elektrycznej w ciepło? 5) obliczyć ilość wydzielonego ciepła przez dowolny grzejnik? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 33 Tak Nie 4.7. Stany pracy źródła napięcia. Dopasowanie odbiornika do źródła 4.7.1. Materiał nauczania Każde rzeczywiste źródło energii elektrycznej charakteryzuje się: napięciem źródłowym E, rezystancją wewnętrzną Rw. W zależności od rodzaju źródła wartość rezystancji wewnętrznej może zależeć od: − rezystancji przewodów miedzianych uzwojenia twornika (prądnica), − wymiarów ogniwa (ogniwo elektrochemiczne), − wymiarów elektrod (akumulator). Do zacisków rzeczywistego źródła napięcia dołącza się odbiornik i w zależności od wartości rezystancji tego odbiornika możemy mówić o różnych stanach pracy źródła. Bardzo dobrze obrazuje to rysunek 18, na którym przedstawiono źródło napięcia, do zacisków którego dołączono rezystor o nastawczej, bardzo dużej rezystancji R, którą można zmieniać w granicach od zera do R (rys. 18a). − − Rys. 18. Obwód elektryczny, którego odbiornikiem jest rezystor o rezystancji nastawnej a) obwód wyjściowy; b) obwód po dokonaniu przerwy w odbiorniku; c) obwód po dokonaniu zwarcia odbiornika; d) obwód obciążony rezystancją R; e) obwód w stanie dopasowania [2, s. 41] „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 34 Stany pracy źródła napięcia: − stan jałowy źródła (rys.18b) – stan pracy źródła przy rezystancji R równej nieskończoności (przerwa w obwodzie) - w obwodzie nie płynie prąd, Uo = E, − stan zwarcia źródła (rys.18c) – stan pracy źródła przy rezystancji R równej zeru (zwarcie odbiornika) - w obwodzie płynie prąd zwarcia, wyrażony wzorem: E Iz = Rw − stan obciążenia źródła (rys. 18d) – stan pracy źródła przy dowolnej wartości rezystancji R – w obwodzie płynie prąd I, a napięcie na zaciskach źródła wynosi U, mniejsze od siły elektromotorycznej źródła E o spadek napięcia RwI występujący na rezystancji wewnętrznej źródła.: U = E – RwI Ponieważ: U = RI otrzymujemy: E – RwI = RI E = I(R + Rw) I = E/ (R + Rw) − stan dopasowania odbiornika do źródła (rys. 18e) – stan pracy źródła, w którym z rzeczywistego źródła napięcia pobierana jest przez odbiornik największa moc; stan dopasowania występuje przy R = Rw – wtedy prąd płynący w obwodzie wyraża się wzorem: E Id = 2 Rw W skali przemysłowej energia elektryczna wytwarzana jest za pomocą prądnic elektrycznych. W urządzeniach przenośnych i przewoźnych stosowane są źródła elektrochemiczne, tzn. ogniwa elektryczne i akumulatory. 4.7.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. 6. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Co oznacza pojęcie: rzeczywiste źródło napięcia? Jakie są stany pracy rzeczywistego źródła napięcia? Czym charakteryzuje się stan jałowy źródła? Czym charakteryzuje się stan zwarcia źródła? Co to jest stan obciążenia źródła? Co to jest stan dopasowania odbiornika do źródła napięcia? 4.7.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Siła elektromotoryczna rzeczywistego źródła napięcia ma wartość E = 6V, a rezystancja wewnętrzna Rw = 0,25 Ω. Oblicz prąd zwarcia oraz napięcie na zaciskach źródła przy obciążeniu prądem I = 1,5 A. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) przedstawić schemat obwodu elektrycznego prądu stałego obrazującego stan zwarcia źródła, „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 35 2) obliczyć prąd zwarcia korzystając z prawa Ohma, 3) przedstawić schemat obwodu elektrycznego prądu stałego obrazującego stan obciążenia źródła, 4) obliczyć napięcie na zaciskach źródła korzystając z II prawa Kirchhoffa. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. Ćwiczenie 2 Siła elektromotoryczna rzeczywistego źródła napięcia ma wartość E = 9V, a rezystancja wewnętrzna Rw = 0,05 Ω. Oblicz prąd płynący w stanie dopasowania odbiornika do źródła. Sposób wykonania ćwiczenia 2) 3) 4) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: przedstawić schemat obwodu elektrycznego prądu stałego dopasowania odbiornika do źródła, przypomnieć sobie, czym charakteryzuje się ten stan, napisać właściwy wzór i obliczyć prąd płynący w obwodzie, zaprezentować efekty swojej pracy na forum grupy. − − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń, długopis. 1) obrazującego stan 4.7.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) 2) 3) 4) wymienić stany pracy rzeczywistego źródła napięcia stałego? obliczyć parametry źródła napięcia stałego w różnych stanach pracy? zdefiniować sprawność źródła napięcia stałego? omówić stan dopasowania odbiornika do źródła? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 36 Tak Nie 4.8. Pojemność elektryczna - kondensatory 4.8.1. Materiał nauczania Pole elektryczne jest to przestrzeń, w której na umieszczony ładunek elektryczny działają siły. Jeżeli w polu elektrycznym umieszczone są dwa ładunki punktowe, to działają one na siebie z siłą, którą określa prawo Coulomba: Dwa ładunki oddziaływują na siebie z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. gdzie: k Q1 Q2 R – stała elektrostatyczna (k = 9 ∙ 109 Nm2/C2) – zależy od środowiska, – ładunek elektryczny pierwszego obiektu w C (kulombach), – ładunek elektryczny drugiego obiektu w C (kulombach), – odległość między ładunkami w m (metrach). Kondensator jest elementem elektrycznym zbudowanym z dwóch przewodników (zwanych okładzinami) rozdzielonych dielektrykiem. Doprowadzenie napięcia do okładzin kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Wielkością charakteryzującą kondensator jest pojemność. Pojemność kondensatora jest to stosunek ładunku kondensatora (ładunku zgromadzonego na jednej okładzinie) do napięcia występującego między okładzinami. Jednostką pojemności jest 1 farad (1 F). Pojemność kondensatora jest to cecha kondensatora określająca jego zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego. Pojemność kondensatora zależy od jego budowy. Dla kondensatora płaskiego (jego okładzinami są płyty metalowe płaskie równoległe) pojemność wyraża się wzorem: gdzie: ε0 εR S d – przenikalność elektryczna próżni bezwzględna środowiska, – względna przenikalność elektryczna dielektryka między okładzinami, – powierzchnia okładziny, – odległość między okładzinami. Istnieją dwa rodzaje połączeń kondensatorów: − połączenie szeregowe − połączenie równoległe „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 37 Połączenie szeregowe kondensatorów przedstawia rysunek 19. Rys. 19. Szeregowe połączenie n kondensatorów Przy połączeniu szeregowym wszystkie kondensatory mają taki sam ładunek, zaś napięcie źródła jest równe sumie napięć występujących na poszczególnych kondensatorach. Q1 = Q2 = ... = Qn U = U1 + U2 + ... +Un Pojemność zastępczą szeregowego połączenia kondensatorów wyznacza się ze wzoru: Połączenie równoległe kondensatorów przedstawione jest na rysunku 20. Rys. 20. Równoległe połączenie n kondensatorów Przy połączeniu równoległym kondensatorów napięcie na zaciskach każdego kondensatora jest takie samo, zaś ładunek całkowity dostarczony ze źródła energii elektrycznej jest równy sumie ładunków zgromadzonych na każdym z kondensatorów. U1 = U2 = ... Un Q = Q1 + Q2 + ... Qn Pojemność zastępcza równoległego połączenia kondensatorów wyraża się wzorem: C = C1 + C2 + ... Cn „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 38 4.8.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. 5. 6. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Co to jest pole elektryczne? Jak brzmi prawo Coulomba? Co to jest pojemność kondensatora i jaka jest jej jednostka? Od czego zależy pojemność kondensatora płaskiego? Jak wyznacza się pojemność zastępczą szeregowego połączenia kondensatorów? Jak wyznacza się pojemność zastępczą równoległego połączenia kondensatorów? 4.8.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Podaj, jak zmieni się siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jeżeli: a) wartość jednego ładunku wzrośnie 2-krotnie, b) wartość obu ładunków zmaleje 3-krotnie, c) odległość między ładunkami zwiększymy dwukrotnie, d) wartość jednego z ładunków zmaleje 3-krotnie i odległość zmaleje 2-krotnie. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) podać (zapisać) wzór na siłę wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków, 2) dokonać analizy wielkości występujących we wzorze, 3) sprawdzić kolejno wpływ zmian poszczególnych wielkości na wartość siły Coulomba, dokonując właściwych przeliczeń, 4) wyniki zapisać np. w tabeli, 5) efekty pracy przedstawić na forum grupy z odpowiednim uzasadnieniem. − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń. Ćwiczenie 2 Oblicz pojemność zastępczą trzech kondensatorów o pojemnościach: C1 = 10 μF, C2 = 230 nF, C3 = 125 pF połączonych: a) szeregowo, b) równolegle. Sposób wykonania ćwiczenia 1) 2) 3) 4) Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: zapisać wzór dotyczący obliczania pojemności zastępczej kondensatorów połączonych szeregowo, sprawdzić, czy wszystkie pojemności: C1, C2 i C3 są podane w jednostkach zgodnie z układem SI ( jeśli nie, należy dokonać odpowiedniego przeliczenia), podstawić dane do wzoru i obliczyć pojemność zastępczą połączenia szeregowego kondensatorów, powtórzyć wszystkie czynności dla połączenia równoległego kondensatorów. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 39 − − Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, zeszyt ćwiczeń. 4.8.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) 2) 3) 4) 5) 6) scharakteryzować pole elektryczne? wyjaśnić pojęcie pojemności kondensatora? określić wpływ wymiarów na pojemność kondensatora? obliczyć pojemność zastępczą szeregowego połączenia kondensatorów? obliczyć pojemność zastępczą równoległego połączenia kondensatorów? wyjaśnić prawo Coulombe’a? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 40 Tak Nie 4.9. Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka 4.9.1. Materiał nauczania Działanie prądu elektrycznego na organizm ludzki może być pośrednie lub bezpośrednie. Działanie pośrednie (powstające bez przepływu prądu przez ciało człowieka) powoduje następujące urazy: − oparzenia ciała, − uszkodzenia wzroku (jaskrawość łuku elektrycznego), − uszkodzenia mechaniczne ciała. Działanie bezpośrednie, czyli porażenie elektryczne wskutek przepływu prądu elektrycznego (tzw. prądu rażeniowego) przez ciało ludzkie może wywołać wiele zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych w organizmie (a nawet śmierć człowieka), poprzez oddziaływanie na układ nerwowy oraz w wyniku elektrolizy krwi i płynów fizjologicznych. Objawy porażenia elektrycznego to: − zatrzymanie oddechu, − zaburzenia krążenia krwi, − zaburzenia wzroku, słuchu i zmysłu równowagi, − utrata przytomności, − migotanie komór sercowych, − oparzenia skóry i wewnętrznych części ciała (do zwęglenia włącznie). Aby uniknąć porazenia prądem elektrycznym wszystkie prace przy urządzeniach i instalacjach elektrycznych należy wykonywać po wyłączeniu ich spod napięcia i zabezpieczeniu przed ich przypadkowym uruchomieniem m.in. przez właściwe oznakowanie. Przykłady oznaczeń stosowanych przy urządzeniach elektrycznych przedstawia tabela 4. Tabela 4. Wybrane tablice urządzeń elektrycznych Nie dotykać! Urządzenie elektryczne Nie załączać Nie załączać! Pracują ludzie „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 41 Urządzenie niesprawne Maszyna w remoncie Wyłączono Bez wyłączania napięcia mogą być wykonywane następujące prace: − wymiana w obwodach o napięciu do 1 kV wkładek bezpiecznikowych i źródeł światła, (np. żarówek, świetlówek) o nieuszkodzonej obudowie i oprawie, − pomiary i przeprowadzanie prób zgodnie z zakładowymi instrukcjami eksploatacji, inne prace wyłącznie po zastosowaniu środków specjalnych zapewniających bezpieczeństwo pracy, przewidzianych w instrukcjach eksploatacji. Wyłączenia urządzeń i instalacji spod napięcia należy dokonać w sposób zapewniający widoczną przerwę izolacyjną w obwodach zasilania, np. przez wyjęcie wkładek bezpiecznikowych. W celu zapewnienia bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach elektrycznych należy spełnić następujące warunki: − każde urządzenie i instalacja energetyczna przed dopuszczeniem do eksploatacji powinny posiadać wymagany odrębnymi przepisami certyfikat na znak bezpieczeństwa lub posiadać deklarację zgodności z Polskimi Normami, − obiekty z zainstalowanymi urządzeniami i instalacjami energetycznymi oraz same urządzenia powinny być oznakowane zgodnie z odrębnymi przepisami, − miejsce pracy powinno być właściwie przygotowane, oznaczone i zabezpieczone w sposób określony w ogólnych przepisach bhp, − pomieszczenia lub teren ruchu energetycznego powinny być dostępne tylko dla osób upoważnionych, − urządzenia, instalacje energetyczne lub ich części, przy których będą prowadzone prace konserwacyjne, remontowe lub modernizacyjne, powinny być wyłączone z ruchu i zabezpieczone przed ich przypadkowym uruchomieniem oraz oznakowane, − prace w warunkach szczególnego zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego powinny być wykonywane przez co najmniej dwie osoby, − przed przystąpieniem do wykonywania prac przy urządzeniach i instalacjach elektroenergetycznych wyłączonych spod napięcia należy: − zastosować odpowiednie zabezpieczenie przed przypadkowym załączeniem napięcia (np. wyjęcie wkładek bezpiecznikowych w obwodzie zasilającym, zablokowanie napędów łączników, wstawienie przegród izolacyjnych między otwarte styki łączników), „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 42 − − wywiesić tablicę ostrzegawczą w miejscu wyłączenia obwodu o treści: „Nie załączać”, − sprawdzić brak napięcia w wyłączonym obwodzie, − uziemić wyłączone urządzenia, − zabezpieczyć i oznaczyć miejsce pracy odpowiednimi znakami i tablicami ostrzegawczymi, zabronione jest wykonywanie prac na napowietrznych liniach energetycznych, stacjach i rozdzielniach w czasie wyładowań atmosferycznych. 4.9.2. Pytania sprawdzające 1. 2. 3. 4. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Jakie są objawy porażenia prądem elektrycznym? Jakie czynności możesz wykonać przy urządzeniach pod napięciem? Jakie czynności należy wykonać przed przystąpieniem do pracy przy urządzeniu wyłączonym spod napięcia? W jaki sposób oznacza się miejsce pracy przy urządzeniu elektrycznym wyłączonym spod napięcia? 4.9.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 W zakładzie pracy, w rozdzielni 15 kV wystąpiła awaria. Podaj czynności, jakie należy wykonać, by odpowiednio zabezpieczyć oraz oznaczyć miejsce pracy ekipy naprawiającej i móc przystąpić do usunięcia awarii. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zaproponować odpowiednie zabezpieczenie przed przypadkowym załączeniem napięcia (zwróć uwagę na napięcie rozdzielni), 2) dobrać właściwe tablice ostrzegawcze, informacyjne i zaproponować ich rozmieszczenie w pobliżu miejsca awarii, 3) zapisać kolejność czynności, które powinieneś wykonać przed przystąpieniem do pracy. − − Wyposażenie stanowiska pracy: przygotowane wcześniej papierowe atrapy tablic ostrzegawczych, kartka papieru. 4.9.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: 1) wymienić przepisy bhp obowiązujące w pracy przy urządzeniach elektrycznych? 2) zastosować odpowiednie zabezpieczenie przed przypadkowym załączeniem napięcia w urządzeniach wyłączonych spod napięcia? 3) zabezpieczyć i oznaczyć miejsce pracy odpowiednimi znakami i tablicami ostrzegawczymi? „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 43 Tak Nie 5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uważnie instrukcję – masz na tę czynność 5 minut; jeżeli są wątpliwości zapytaj nauczyciela. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 4. Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi. Tylko jedna jest prawidłowa. 5. Za każdą poprawną odpowiedź otrzymasz 1 punkt, za złą odpowiedź lub jej brak otrzymasz 0 punktów. 6. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi; zaznacz poprawną odpowiedź stawiając w odpowiedniej rubryce znak X. 7. W przypadku pomyłki weź błędną odpowiedź w kółko, a następnie zaznacz odpowiedź prawidłową. 8. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania. 9. Kiedy udzielenie odpowiedzi na kolejne pytanie będzie Ci sprawiało trudność, odłóż jego rozwiązanie na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas. 10. Na rozwiązanie testu masz 40 minut. 11. Po zakończeniu testu podnieś rękę i zaczekaj, aż nauczyciel odbierze od Ciebie pracę. Powodzenia! ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH 1. Spadek napięcia na rezystorze R = 0,2 kΩ przy przepływie prądu 400 mA wynosi a) 50 V. b) 80 V. c) 200 V. d) 8 V. 2. Jeżeli przy stałej rezystancji odcinka obwodu zostanie 2-krotnie podwyższone napięcie zasilające, to wartość natężenia prądu a) zmaleje2-krotnie. b) wzrośnie 2-krotnie. c) nie zmieni się. d) wzrośnie 4-krotnie. 3. Prawo Ohma wyraża wzór a) U = I/R b) R = I/U. c) U = R/ I. d) I = U/R. 4. Układ czterech połączonych szeregowo rezystorów (każdy o rezystancji 100 Ω), zasilono napięciem 600 V. Włączony do układu amperomierz wskaże a) 3 A. b) 60 A. c) 1,5 A. d) 6 A. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 44 5. Trzy rezystory: R1 = 5000 mΩ, R2 = 50 Ω, R3 = 0,5 kΩ połączono szeregowo. Rezystancja zastępcza układu wynosi a) 5,55 Ω. b) 550,5 Ω. c) 55,5 Ω. d) 555 Ω. 6. Jeżeli długość przewodnika zmniejszono 3- krotnie, to jego rezystancja a) wzrosła 9-krotnie. b) wzrosła 3-krotnie. c) zmalała 3-krotnie. d) nie zmieniła się. 7. Przy zastosowaniu przewodu o 2-krotnie mniejszym przekroju, jego rezystancja a) zmaleje 4-krotnie. b) nie zmieni się. c) zmaleje 2-krotnie. d) wzrośnie 2-krotnie. 8. Jeśli rezystancja odcinka obwodu elektrycznego wynosi 0,02 kΩ, zaś przyłożone napięcie wynosi 80 V, to w obwodzie popłynie prąd o natężeniu a) 40 mA. b) 0,4 A. c) 4 A. d) 4 mA. 9. Źródło o sile elektromotorycznej E = 100 V i rezystancji wewnętrznej RW = 20 Ω zasila odbiornik. Napięcie na zaciskach źródła wynosi 70 V. Prąd płynący przez odbiornik ma wartość a) 1,5 A. b) 5 A. c) 8,5 A. d) 3,5 A. 10. Najmniejsza wartość prądu to a) 0,3 A. b) 500 mA. c) 90 µA. d) 0,02 kA. 11. Simens jest jednostką a) mocy. b) rezystancji. c) rezystywności. d) konduktancji. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 45 12. Dwa kondensatory połączono szeregowo i zasilono napięciem 60 V. Na jednym z kondensatorów zgromadził się ładunek 3 mC. Ładunek drugiego kondensatora wynosi a) 3 mC. b) 6 mC. c) 60 C. d) 30 C. 13. Trzy kondensatory o pojemnościch: 3 pF, 6 pF i 1 pF połączono równolegle. Pojemność zastępcza połączenia wynosi a) 2/3 pF. b) 0,5 pF. c) 2 pF. d) 10 pF. 14. Jeżeli wartości dwóch oddziaływujących na siebie ładunków zmalały 2 –krotnie, to siła Coulomba a) zmalała 2-krotnie. b) zmalała 4-krotnie. c) wzrosła 2-krotnie. d) nie zmieniła się. 15. Odległość między dwoma ładunkami zwiększono 3-krotnie. Siła wzajemnego oddziaływania między nimi a) zmalała 9-krotnie. b) zmalała 3-krotne. c) nie zmieniła się. d) wzrosła 9-krotnie. 16. Siła elektromotoryczna źródła wynosi E = 6V. Przy rezystancji zewnętrznej R = 1 Ω w obwodzie popłynie prąd o wartości I = 3A. Prąd zwarcia źródła wynosi a) 2 A. b) 3 A. c) 6 A d) 18 A. 17. W kondensatorze płaskim zwiększono 2-krotnie odległość między okładzinami. W wyniku tego działania pojemność kondensatora a) nie zmieniła się . b) zmalała 2-krotnie. c) wzrosła 4-krotnie. d) wzrosła 2-krotnie. 18. Podczas pomiarów amperomierz o zakresie 1,5 A i maksymalnej liczbie działek wynoszącej 30 dz. wychylił się o 10 działek. Amperomierz wskazał prąd a) 15 A. b) 0,5 A. c) 20 A. d) 3 A. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 46 19. Jednostką ładunku elektrycznego jest a) wolt. b) om. c) kulomb. d) amper. 20. W stanie dopasowania odbiornika do źródła a) rezystancja odbiornika jest równa nieskończoności. b) rezystancja odbiornika ma dowolną wartość. c) rezystancja odbiornika jest równa rezystancji wewnętrznej źródła. d) rezystancja odbiornika jest równa zeru. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 47 KARTA ODPOWIEDZI Imię i nazwisko …………………………………………………………………………… Badanie obwodów prądu stałego Zakreśl poprawną odpowiedź. Nr zadania Odpowiedź Punkty 1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d 11 a b c d 12 a b c d 13 a b c d 14 a b c d 15 a b c d 16 a b c d 17 a b c d 18 a b c d 19 a b c d 20 a b c d Razem: „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 48 6. LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Bastian P., Schuberth G., Spielvogel O., Steil H., Tkotz K., Ziegler K.: Praktyczna elektrotechnika ogólna. REA, Warszawa 2003 Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 2005 Idzi K.: Pomiary elektryczne. Obwody prądu stałego. Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa, Łódź 1999 Markiewicz A.: Zbiór zadań z elektrotechniki. WSiP, Warszawa 2005 Parchański J.: Miernictwo elektryczne i elektroniczne. WSiP, Warszawa 1997 Pilawski M.: Pracownia elektryczna. WSiP, Warszawa 2005 Zachara Z.: Zadania z elektrotechniki nie tylko dla elektroników. Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa, Łódź 2000 „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 49
