Podstawy elektrotechniki
advertisement
Podstawy elektroniki i akustyki Wykład dla Elektroradiologii Początki elektrotechniki i elektroniki Za początek ery elektryczności można uznać zbudowanie ogniwa elektrycznego (baterii) w 1799 roku przez A.G.A. Voltę. Za początek ery radia oraz radiotechniki a później elektroniki można uznać pierwsze bezprzewodowe przesłanie sygnału elektrycznego, którego dokonał Gugliemo Marconi w 1895r. Jednak nie należy niedoceniać znaczenia wielu innych wydarzeń jak np. 1827r. – G.S. Ohm odkrywa oporność elektryczną i prawo Ohma. 1827r.- C. Wheatstone konstruuje mikrofon. 1846r. G. Kirchhoff definiuje prawa zwane obecnie prawami Kirchhoffa. Początki elektrotechniki i elektroniki 1861r. do 1873r. - J. C. Maxwell opublikował prace, w których zebrał i przedstawił w formie równań wcześniejszą wiedzę o zjawiskach elektromagnetycznych. Były to między innymi: nieistnienie pojedynczego (odosobnionego) bieguna magnetycznego, generowanie pola elektrycznego przez ładunki elektryczne (prawo Gaussa), generowanie pola elektrycznego przez zmienne pola magnetyczne (prawo Faradaya). Ponadto dodając od siebie równoważność między prądem elektrycznym a zmieniającym się polem elektrycznym w generowaniu pola magnetycznego rozszerzył prawo Ampère’a. Z równań tych można wyprowadzać nie tylko wcześniej znane prawa ale przewidywać wiele nowego, w tym np. fale elektromagnetyczne rozchodzące się z prędkością światła (patrz dodatek A). W 1874 r. F. Braun odkrywa, że pewne kryształy (jak galena) w pewnych warunkach (kontakt z metalowym drutem) przewodzą prąd tylko w jedną stronę. W 1885 r. W. Stanley wynajduje transformator. Podstawowe definicje Ładunki elektryczne zwykle oznaczamy symbolem q lub Q. Elektryczny ładunek jednostkowy to 1 C (1 kulomb ≈ 6.24x1018 elektronów, elektron posiada ładunek o wartości: - e = - 1.6x10-19 C ). Elektron obdarzony jest ładunkiem przeciwnym do protonu. Przyjęto, że elektron posiada ładunek ujemny a proton dodatni. W zasadzie każdy obiekt materialny może przyjąć określony ładunek elektryczny. Stając się naładowanym ujemnie zawiera nadmiar elektronów, naładowany dodatnio staje się w wyniku niedoboru elektronów. Prąd elektryczny Prąd elektryczny – każdy uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A]. Bardzo często określenie prąd elektryczny używa się zamiennie z natężeniem prądu elektrycznego. Ruch ładunku jest wywołany ruchem cząstek obdarzonych ładunkiem, zwanych nośnikami prądu. Nośnikami prądu elektrycznego mogą być elektrony, jony bądź dziury, czyli puste miejsca po elektronach. W metalach swobodnie przemieszczają się jedynie elektrony, dlatego prąd elektryczny w metalach jest ruchem elektronów przewodnictwa. W półprzewodnikach nośnikami prądu są elektrony i dziury. W rozrzedzonych gazach nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i jony. W którą stronę płynie prąd? Prąd płynie od plusa do minusa, bo historycznie ładunek elementarny określano jako wartość ładunku niesionego przez proton albo wartość bezwzględna z ładunku elektronu. Na studiach nauczono nas, że prąd płynie od plusa do minusa, ponieważ elektrony przesuwają się po kolei od minusa do plusa pozostawiając po sobie wolne miejsca. (…) Takie wolne miejsca nazywają się dziurami elektronowymi i ponieważ ich ładunku nie równoważą żadne elektrony (no jak to dziura po elektronie - nie ma tam elektronu), więc ma ona ładunek dodatni. Takie wolne miejsce jest zastępowane przez kolejny elektron, który to zostawia za sobą wolne miejsce, na które wchodzi kolejny elektron itd. I tak elektrony przesuwają się jak samochody w kolejce, a przerwy miedzy nimi są zajmowane przez kolejne samochody nadjeżdżające z tyłu, więc taka przerwa sprawia wrażenie, jakby poruszała się do tyłu kolejki. Ufff! I dlatego prąd płynie od plusa do minusa. Przewodniki elektryczny Przewodnik elektryczny – substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Przewodniki zbudowane są z atomów, od których łatwo odrywają się elektrony walencyjne (jeden, lub więcej), które z kolei tworzą wewnątrz przewodnika tzw. gaz elektronowy. Elektrony te (gaz elektronowy) nie są już związane z konkretnym jonem dodatnim i mogą się swobodnie poruszać. Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych. Przewodniki elektryczny Do najpopularniejszych przewodników należą (uporządkowanie wg wzrostu przewodności właściwej): grafit – miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki), żelazo – tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję, obecnie nie stosowane, stal – własności podobne do żelaza, stosowane na elementy przewodzące aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej, aluminium – kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych, złoto – własności elektryczne dobre, duża odporność na korozję, ale cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków, miedź – droższa od aluminium, ale bardzo dobra jako przewodnik, odporna na przełamanie, łatwa w lutowaniu, odporna cieplnie; stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych, srebro – niemal idealne, najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie na styki elektryczne w łącznikach elektrycznych Dielektryki Dielektryk - izolator elektryczny, substancja w której praktycznie nie ma ładunków swobodnych w wyniku czego nie przewodzi ona prądu elektrycznego Dielektryki W praktyce nie istnieją idealne dielektryki, te rzeczywiste charakteryzują się rezystancjami rzędu GΩ (gigaom). W wyniku tego w każdym dielektryku występują tzw. straty dielektryczne, co z kolei powoduje np. straty mocy podczas przesyłu energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia, gdzie głównym dielektrykiem jest powietrze. Dodatkowym problemem jest to, że dla każdego rzeczywistego dieletryka istnieje pewne napięcie przebicia, powyżej którego przez dielektryk płynie prąd - dla dielektryków stałych (tzn. niegazowych i niepłynnych) oznacza to jego trwałe uszkodzenie Izolator elektryczny Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego (np. dielektryk). Izolatorami są np.: szkło, porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje plastików, suche drewno,olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia. Ciekawostką jest, że czysta chemicznie, tzn. wolna od soli mineralnych i bakterii woda też jest dobrym izolatorem. Mianem izolatory elektryczne określa się materiały lub wyroby z nich wykonane, w których występuje niska koncentracja nośników swobodnych (elektronów lub jonów), tzn. takich, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu lub po ich powierzchni. Półprzewodniki Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność plasuje je między przewodnikami a dielektrykami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku. Napięcie elektryczne Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. W przypadku źródła napięcia (prądu) elektrycznego jest jego najważniejszym parametrem i określa zdolności źródła energii elektrycznej do wykonania pracy. Napięcie na źródle napięcia jest mniejsze od siły elektromotorycznej źródła o spadek napięcia na oporze istniejącym wewnątrz źródła (opór wewnętrzny). Napięcie elektryczne Jednostką napięcia jest wolt (V), a symbolem napięcia we wzorach fizycznych jest U. Wodny analog źródła różnicy potencjałów i wymuszenia przepływu (prądu). Napięcie sieciowe Napięcie sieciowe - napięcie elektryczne występujące w sieci niskiego napięcia danego kraju. Napięcie sieciowe posiada charakterystykę sinusoidalną i w zależności od kraju: częstotliwość 50 lub 60 Hz i napięcie od 110 do 230 V (w Polsce 230 V / 50 Hz - określa to Polska Norma PN-IEC 60038). Większość urządzeń powszechnego użytku jest zasilana z wykorzystaniem napięcia sieciowego lub napięciem przetworzonym z napięcia sieciowego, przy użyciu przekształtników napięcia. Należy zaznaczyć, że wartość 230V, to wartość skuteczna napięcia przemiennego. Szczytowa wartość sinusoidy przy 230 V wynosi 230 * √2 = 325 V. Napięcie międzyfazowe Napięcie międzyfazowe jest to wartość skuteczna napięcia elektrycznego pomiędzy dwoma wybranymi przewodami fazowymi w układzie trójfazowym. W przypadku idealnym (napięcia sinusoidalnie zmienne, symetria faz) wartość ta jest 1,73 razy większa od wartości napięcia fazowego. Według obowiązującej normy PN-IEC 60038:1999 (Napięcia znormalizowane IEC) w Polsce wartość skuteczna napięcia międzyfazowego w sieciach niskiego napięcia (nn), przy częstotliwości sieci 50 Hz, wynosi 400 V ±10%. Napięcie bezpieczne Napięcie bezpieczne - jest to największa wartość napięcia roboczego lub dotykowego, którego długotrwałe utrzymywanie się nie stanowi żadnego zagrożenia dla życia lub zdrowia człowieka w danych warunkach otoczenia. Obecnie termin "napięcie bezpieczne" został zastąpiony terminem "napięcie dotykowe dopuszczalne (długotrwale)". Wartości napięć dotykowych dopuszczalnych Przyjmuje się, że w normalnych warunkach oporność ciała ludzkiego ma wartość około 1 kΩ. Przepływ prądu przemiennego o wartości powyżej 50 mA zaczyna powodować nieodwracalne uszkodzenia w organizmie ludzkim. Dlatego też, z prawa Ohma wynika, że "bezpieczna" wartość napięcia to: 1 kΩ · 50 mA = 50 V. Z tego też względu wyłączniki różnicowoprądowe typu AC (najpopularniejsze) są zbudowane tak, aby wyłączać obwód w przypadku przekroczenia połowy znamionowej wartości prądu różnicowego (najczęściej równego 30mA) - gwarantuje to odpowiednią czułość urządzenia równocześnie skutecznie zabezpieczając człowieka. Wartości napięć dotykowych dopuszczalnych W warunkach specjalnych (np. praca podczas deszczu) następuje obniżenie rezystancji układu człowiek-urządzenie, co powodować może zwiększenie potencjalnego prądu, a w konsekwencji poważniejsze konsekwencje ewentualnego uszkodzenia izolacji elektrycznej. Dlatego też stosuje się dwukrotne obniżenie wartości napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale (w porównaniu do warunków normalnych. Napięcia bezpieczne W/g aktualnie obowiązującej Polskiej Normy, napięcia bezpieczne to takie napięcia, których wartości są mniejsze niż wymienione w normie i w znacznym stopniu zależą od warunków środowiskowych przebywania człowieka oraz od rodzaju napięcia. Prąd przemienny występujący w sieciach energetycznych, o częstotliwości 50 lub 60 Hz bardzo mocno wpływa na ośrodki nerwowe człowieka, w tym na częstotliwość bicia serca. Napięcie to, przy odpowiednio dużym prądzie może spowodować migotanie komór serca a przez to bezpośrednie zagrożenie życia. Bezpieczne natężenie prądu W zasadzie napięcie dowolnej wysokości nie jest dla człowieka groźne. Groźny jest prąd wywołany przez to napięcie, płynący przez człowieka. Przyjmuje się, że człowiek ma średnio rezystancję ok 1000 Ω. rezystancja ta powoduje przepływ prądu elektrycznego, mniej lub bardziej niebezpiecznego w zależności od napięcia. Prąd płynący przez człowieka został podzielony na 3 poziomy bezpieczeństwa: Do czynników elektrycznych można zaliczyć: drogę przepływu prądu czas oddziaływania prądu na człowieka natężenie płynącego prądu rodzaju prądu częstotliwości prądu Do czynników fizjologicznych zaliczamy: stan rozwoju organizmu ludzkiego stan psychiczny człowieka stan emocjonalny stan zdrowia: cukrzyca, padaczka, astma, choroby serca czy naczyń wieńcowych, alkoholizm Do czynników środowiskowych bierzemy pod uwagę: podwyższoną wilgotność wysoką temperaturę otoczenia nieizolowane, przewodzące podłoże Prawo Ohma Prawo Ohma mówi, że natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego) między końcami części obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej. Prawidłowość tę odkrył w 1827 roku niemiecki fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium Georg Simon Ohm. Można ją opisać jako: I – natężenie prądu elektrycznego w [ A ], U - napięcie w [ V], R - oporność w [ omach ] UWAGA! Prawo to jest prawem doświadczalnym i jest dość dokładnie spełnione dla ustalonych warunków przepływu prądu, szczególnie temperatury przewodnika. Materiały, które się do niego stosują, nazywamy przewodnikami omowymi lub "przewodnikami liniowymi" w odróżnieniu od przewodników nieliniowych, w których opór jest funkcją natężenia płynącego przez nie prądu. Prawo to także nie jest spełnione gdy zmieniają się parametry przewodnika, szczególnie temperatura. Ze wszystkich materiałów przewodzących prawo Ohma najdokładniej jest spełnione w przypadku metali. Prąd stały, zmienny, przemienny Każdy raczej wie, że jest coś takiego jak prąd stały (direct current DC) i prąd przemiennym (alternating current AC). Często mówi się o prądzie przemiennym jako o zmiennym (variable curent). Wedle definicji, prąd zmienny nie musi wykazywać okresowości zmian – inaczej, natężenie prądu zmiennego zmienia się w czasie w sposób dowolny. Oczywiście prąd przemienny jest prądem zmiennym, ale dokładniej, jest jego szczególnym przypadkiem – prądem okresowo zmiennym o przebiegu sinusoidalnym. Jednocześnie należy podkreślić, że prąd przemienny niekoniecznie jest prądem o przebiegu sinusoidalnym! Prawa Kirchhoffa I prawo Kirchhoffa Suma algebraiczna natężeń prądów dopływających(+) i odpływających(-) z danego węzła jest równa 0. Suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Prawa Kirchhoffa I prawo Kirchhoffa Prawa Kirchhoffa II prawo Kirchhoffa Suma wartości chwilowych sił elektromotorycznych występujących w obwodzie zamkniętym równa jest sumie wartości chwilowych napięć elektrycznych na elementach pasywnych tego obwodu Prawa Kirchhoffa II prawo Kirchhoffa Suma napięć źródłowych w dowolnym obwodzie zamkniętym prądu stałego równa jest sumie napięć na odbiornikach. E = U1 + U2 Rezystancja Rezystancja jest miarą oporu czynnego, z jakim element przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R (wielka litera R). Jednostką rezystancji w układzie SI jest om (1 Ω). Odwrotność rezystancji to konduktancja, której jednostką jest simens. Dla większości materiałów ich rezystancja nie zależy od natężenia prądu, wówczas natężenie prądu jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma. Rezystancja przewodnika o jednakowym przekroju poprzecznym do kierunku przepływu prądu jest proporcjonalna do długości przewodnika, odwrotnie proporcjonalna do przekroju i zależy od materiału, co wyraża wzór: gdzie L - długość elementu, S - pole przekroju poprzecznego elementu, ρ - rezystywność materiału. Rezystywność Rezystywność (oporność właściwa) to miara oporu z jakim materiał o danych wymiarach przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Rezystywność jest zazwyczaj oznaczana jako ρ (mała grecka litera rho). Jednostką rezystywności w układzie SI jest om⋅metr (1 Ωm). Odwrotność rezystywności to konduktywność. Rezystywność określa wzór na zależność rezystancji przewodnika od jego wymiarów: Moc w układach prądu stałego Odbiorniki prądu stałego gdzie: U, I - wartości napięcia i natężenia prądu stałego Energia prądu elektrycznego Energia prądu elektrycznego to energia, jaką prąd elektryczny przekazuje odbiornikowi wykonującemu pracę lub zmieniającemu ją na inną formę energii. Energię elektryczną przepływającą lub pobieraną przez urządzenie określa iloczyn natężenia prądu płynącego przez odbiornik, napięcia na odbiorniku i czasu przepływu prądu przez odbiornik. Zużycie energii elektrycznej w technice mierzone jest w kilowatogodzinach (kWh). Urządzeniem do pomiaru zużycia energii elektrycznej jest licznik energii elektrycznej. Energia elektryczna jako towar na rynku Energia elektryczna jest przedmiotem obrotu na rynku. Nazwa popularna energii elektrycznej to prąd. Elementem składowym ceny rynkowej energii elektrycznej, z uwagi na duży problem jej przechowywania, jest cena usługi jej przesyłu. Ta właściwość energii elektrycznej decyduje o tym, że zapotrzebowanie na prąd wynika z jego bieżącego korzystania. Tym samym koszty zmienne produkcji energii elektrycznej są ściśle uzależnione od zapotrzebowania na energię elektryczną. Oznaczenia Oznaczenia Oznaczenia Przedrostki Magnetyzm Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne. Pole elektromagnetyczne Siły magnetyczne są jednymi z podstawowych sił w naturze. Oddziaływania magnetyczne odbywają się za pośrednictwem pola magnetycznego, które w skali makroskopowej wytwarzane jest na skutek ruchu ładunków elektrycznych lub prądu elektrycznego. Stały prąd elektryczny wywołuje statyczne pole magnetyczne, natomiast zmienny prąd elektryczny powoduje powstanie nierozerwalnie związanego z nim zmiennego pola magnetycznego (takie podwójne pole nosi nazwę pola elektromagnetycznego). Materiały magnetyczne Wszystkie znane pierwiastki, związki chemiczne i materiały mogą zostać sklasyfikowane na podstawie ich własności magnetycznych. Co więcej, każdy pierwiastek chemiczny wykazuje jeden z czterech podstawowych typów magnetyzmu: diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm. Największe znaczenie praktyczne mają ferromagnetyki, które można podzielić na materiały magnetycznie twarde (używane jako magnesy trwałe), miękkie (magnetyczne rdzenie transformatorów i silników) oraz półtwarde (magnetyczne nośniki analogowych i cyfrowych danych).
