No niki pr du elektrycznego.

Transkrypt

1

2

3 Noniki prdu elektrycznego. substancja przewodzca przewodnik nonik elektrony walencyjne elektrolit jony + i - gaz półprzewodnik prónia jony i elektrony elektrony i dziury dowolny rodzaj ładunków

4

5

6

7 Natenie prdu elektrycznego stałego. Jest to stosunek ładunku przepływajcego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu jego przepływu : Q C = T A = s Jeden Amper to natenie takiego prdu, który płync w dwóch nieskoczenie cienkich, długich, umieszczonych w próni, równoległych przewodnikach wywołuje oddziaływanie tych przewodników na siebie sił F= 2*0-7 N na kady metr długoci. Gstoci prdu elektrycznego nazywamy stosunek natenia prdu do powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika przez który prd płynie. Kierunek przepływu prdu. Na schematach elektrycznych okrelamy umowny kierunek przepływu prdu od + do -

8 Obwód elektryczny tworz elementy połczone ze sob w taki sposób, e istnieje co najmniej jedna droga zamknita dla przepływu prdu. Elementy obwodów dzielimy na pasywne i aktywne Elementy aktywne dostarczaj do obwodu energi elektryczn ródła napiciowe lub prdowe. Elementy pasywne rozpraszaj energi elektryczn (zamieniaj na inny rodzaj energii, np. rezystory) lub magazynuj energi pod postaci energii pola w polu elektrycznym (kondensatory) lub magnetycznym (indukcyjnoci). arówka opornik stały opornik suwakowy wyłcznik cewka A V amperomierz woltomierz ródło napicia kondensator

9 ródła napiciowe idealne s dwójnikami aktywnymi, które na zaciskach utrzymuj stałe napicie niezalenie od pobieranego natenia prdu. ródło napiciowe rzeczywiste charakteryzuje si wystpowaniem spadku napicia przy wzrocie prdu. Schemat zastpczy ródła rzeczywistego składa si z szeregowego połczenia ródła idealnego i rezystancji wewntrznej. U o w U W U 0 o E E U 0 =E-* w Szeregowe i równoległe połczenie ródeł napicia

10 ródła prdowe idealne s dwójnikami aktywnymi wymuszajcymi stałe natenie prdu, niezalenie od napicia na zaciskachródła. ródło prdowe rzeczywiste charakteryzuje si wystpowaniem zmniejszania prdu przy wzrocie napicia na zaciskachródła. Schemat zastpczy ródła prdowego rzeczywistego składa si z równoległego połczenia ródła prdowego idealnego i konduktancji wewntrznej. o we G w G o

11 Prawo Ohma Natenie prdu zaley wprost proporcjonalnie od napicia i odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji: U V = A = Ω Prawo Ohma jest spełnione tylko wtedy, gdy rezystancja nie zaley od napicia ani od natenia prdu. Oznaczenia - rezystancja; U - rónica potencjałów (napicie); - natenie prdu Prawo Ohma dla obwodu zamknitego: E = + r w Oznaczenia - rezystancja obcienia; E - siła elektromotoryczna ogniwa; - natenie prdu; r W - rezystancja wewntrzna ogniwa.

12 Opór elektryczny. Opór elektryczny (rezystancja) to wynik oddziaływania elektronów przewodnictwa z jonami sieci krystalicznej. l = ρ [Ω] S Opór elektryczny ma warto Ω gdy natenie przy napiciu V ma warto A. Jest to zaleno empiryczna i obowizuje w ograniczonym zakresie, gdy rezystancja elementów zaley od wielu czynników takich jak temperatura, warto napicia i prdu, czstotliwo itd. Zaleno ta jest bardzo czsto nieliniowa. Spotyka si te pojcie rezystancji dynamicznej r = du di Odwrotnoci oporu elektrycznego (rezystancji) jest przewodno (konduktancja): G = jej jednostk jest siemens [S] Odwrotnoci oporu właciwego (rezystywnoci) jest przewodno właciwa (konduktywno) : γ = ρ jej jednostk jest [γ ] = S m

13 Opór właciwy ρ w temperaturze 20 0 C Metale ρ x 0-6 Ω m Metale ρ x 0-6 Ω m Aluminium Cyna Cynk Mied Ołów 0,0282 0,4 0,0522 0,068 0,22 Platyna t Srebro Wolfram elazo (czyste) 0, 0,958 0,062 0,055 0,0978 zolatory ρ x Ω m Stopy ρ x 0-6 Ω m Bakelit Bursztyn Ebonit Szkło Brz fosforowy Mosidz Stal eliwo 0,038 0,7 0,08 0,07 0,07 0, 2,0 5,0 Stopy oporowe Konstantan (Cu, Ni) Nikielina (Cu, Ni, Zn) Manganian (Cu, Mn, Ni) Chromonikielina (Cr, Ni, Fe) Kantal (Fe, Cr, Al.) ρ x 0-6 Ω m 0,47 0,50 0,33 0,43 0,45,06,35,45

14 Warto rezystancji zaley od temperatury = ( + α T ) 0 Oznaczenia - opór; - opór właciwy (cecha charakterystyczna substancji); l - długo przewodnika; S - pole powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika; 0 - opór w danej temperaturze; α - temperaturowy współczynnik oporu (cecha charakterystyczna substancji); T - rónica temperatur;

15 Przykład: Obliczy rezystancj włókna wolframowego arówki o mocy 00 W przy napiciu 230 V podczas wiecenia w temperaturze 2500 o C i zimnej (temp. 20 o C) jeli temperaturowy współczynnik rezystancji dla wolframu wynosi α = 0,0046 K 2 U U P = 2500 = = = 529Ω P = 0 ( + α T ) 20 = = = 42, 6Ω + α T + 0,0046 ( ) W momencie włczenia arówki płynie przez ni prd U 230 = = = 5, 42, A

16 Typ rezystora właciwoci wglowy metalizowany cienkowarstwowy tlenki metali drutowy Zakres rezystancji () 0 do 0 M do M 0 do 0M 0,47 do 22k Tolerancja (%) ±5 ± ±2 ±5 Moc dopuszczalna (W) 0,25 do 2 0,25 do 0,5 0,25 do 0,5 4 do 7 Temp. wsp. rezyst. (ppm/ C) do Stabilno przecitna doskonała doskonała Dobra Szumy przecitne doskonałe doskonałe - Zakres temperatur ( C) -45 do do do do +25 Typowe zastosowania ogólne wzmacniacze pomiarowe, układy niskoszumowe zasilacze, ukł. duej mocy

17 Kodowanie rezystorów za pomoc kolorowych pasków (kropek) Elementy do montau przewlekanego powierzchniowego

18 Łczenie rezystorów Łczenie szeregowe: U = U = + U 2 + U U U 2 U 3 = + + U 2 3 Oznaczenia - rezystancja wypadkowa układu;, 2, 3 - rezystancje poszczególnych oporników; U - rónica potencjałów (napicie); U,U 2,U 3 spadki napi na poszczególnych rezystorach;

19 Łczenie rezystorów Łczenie równoległe: U U U U + + = + + = + + = Oznaczenia - rezystancja wypadkowa układu;, 2, 3 - rezystancje poszczególnych rezystorów; U - rónica potencjałów (napicie);, 2, 3 - natenia prdu w poszczególnych rezystorach; =

20 Do pomiarów duych wartoci prdów i napi stosuje si boczniki w amperomierzach bocznik równoległy, za w woltomierzach bocznik szeregowy. Pozwalaj one rozszerzy zakresy pomiarowe tych mierników. Przykład: Woltomierz moe mierzy maksymalne napicie U=5V i wtedy płynie przez niego prd =30A. Jaki opornik naley włczy szeregowo z woltomierzem, aby mona nim było mierzy napicie do U2=300V? U 2 U V V ezystancja całkowita obwodu po dołczeniu bocznika U = V + b = = = 0MΩ ezystancja wewntrzna woltomierza U b b U 5 V = = = 500kΩ Std rezystancja bocznika powinna wynosi = = 0 0,5 = 9, MΩ b V 5

21 Praca prdu elektrycznego stałego. 2 U T 2 W U T = = T VAs = = [ J ] Oznaczenia W - praca; - rezystancja; U - rónica potencjałów (napicie); T - czas przepływu; - natenie; Moc prdu elektrycznego stałego. J P = W / t [ = W ] s Oznaczenia P - moc; W - praca; U - rónica potencjałów (napicie); T - czas wykonywania pracy; natenie prdu;

22 Prawo Joula-Lenza. lo wydzielonego ciepła na przewodniku jest równa pracy prdu elektrycznego, jak on wykonał podczas przejcia przez obwód: Q=W Jeeli w obwodzie zmienia si temperatura, to ciepło liczymy wg wzoru: Q=m*c*T Oznaczenia Q - lo wydzielonego ciepła na przewodniku; W - praca; m - masa; c - ciepło właciwe (cecha charakterystyczna danej substancji); T T - zmiana temperatury Sprawno urzdze elektrycznych. Sprawno urzdzenia elektrycznego: PZ η = 00% Oznaczenia η - sprawno urzdzenia elektrycznego; P Z - moc zuyta do przez urzdzenie; P P - moc pobrana przez urzdzenie P P

23 Podstawowe stany pracy obwodu elektrycznego stan jałowy stan obcienia stan zwarcia Stan jałowy W obwodzie stan taki uzyskuje si przez otwarcie wyłcznika ( istniej stany jałowe innych urzdze np. silnika, transformatora). W stanie jałowym moc uyteczna równa jest zeru. W praktyce stan jałowy jest wykorzystywany do pomiarów napiródłowych U z (sił elektromotorycznych). Stan obcienia Stan obcienia odpowiada przedziałowi wartoci prdów pracy. Zmiany natenia prdu wywołuj zmiany napicia na odbiornikach. Wahania napicia nie powinny przekracza wartoci dopuszczalnych. Aby to osign p (rezystancja przewodów łczcych) i w (rezystancja wewntrzna ródła zasilania) musz mie wartoci wystarczajco małe. ezystancje wewntrzne generatorów mocy s w praktyce bardzo małe. ezystancje przewodów zale od zastosowanego (dobranego) przewodu.

24 Zaleno mocy od obcienia. Stan dopasowania Sprawno energetyczna obwodów elektrycznych moe by zdefiniowana jako stosunek mocy w obwodzie zewntrznym do mocy wytwarzanej w ródle Sprawno obwodu zaley od stosunku rezystancji zewntrznej do rezystancji wewntrznej ródła P o = 2 o = w E + o 2 o = E 2 ( + ) 2 w o o w U W U 0 o E Moc ma warto maksymaln gdy w = o (dopasowanie obwodów)

25 Wnioski. Sprawno obwodu zaley od warunków elektrycznych obwodu (koszty) - trzeba jewiadomie kształtowa 2. Aby uzyska due wartoci sprawnoci (małe straty) rezystancja zewntrzna musi by znacznie wiksza od rezystancji wewntrznejródła - obwody energetyczne η = P o = o P + c o w 3. Aby uzyska maksymaln moc naley stosowa stan dopasowania w = o - obwody elektroniczne (o słabych ródłach - małej mocy)

26 Stan zwarcia Zwarciem dwóch punktów nazywamy połczenie tych punktów, elementem o rezystancji równej zeru (zetknicie dwóch przewodów). W praktyce wystarczy aby rezystancja pomidzy zwartymi punktami była znacznie mniejsza od rezystancji wystpujcej midzy tymi punktami podczas normalnej pracy. a) zwarcie odbiornika Zwarcie odbiornika stwarza zagroenie cieplne dla przewodów. Konieczne jest zabezpieczenie przewodów przed skutkami zwar odbiorników. Stosowane s: bezpieczniki topikowe wyzwalacze elektromagnetyczne Zabezpieczenia s dobrane do przekroju przewodów. W istniejcej instalacji niedopuszczalna jest zamiana zabezpiecze na odpowiadajce wikszemu nateniu prdu. b) zwarcie ródła Zagroenie elektrodynamiczne ródeł, w przypadku zwarcia ródło moe ulec zniszczeniu. Przykład: Obliczy prd przy zwarciu odbiornika oraz przy zwarciu ródła w obwodzie o parametrach U z = 240V, w = 0,Ω, p = 0,9Ω, o = 23Ω. U z 240 U z 240 zo = = = 240 A z = = = 2400 A + 0, + 0,9 0, w p w

27 Literatura: J.Nowicki Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN WSiP 999 S.Okoniewski Technologia dla elektroników WSiP