OBWODY PRĄDU STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transkrypt

1 OBWODY PRĄDU STAŁEGO Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Elektrotechnika - dział techniki zajmujący się praktycznym zastosowaniem wiedzy dotyczącej elektryczności. Główne zagadnienia, którymi się zajmuje: wytwarzanie energii elektrycznej przesyłanie energii elektrycznej użytkowanie energii elektrycznej Zalety energii elektrycznej: łatwość przemiany na inny rodzaj energii łatwość przesyłania na duże odległości łatwość rozdziału między odbiorców gotowość do wykorzystania w dowolnej chwili Podstawowe działy elektrotechniki: elektroenergetyka maszyny i napędy elektryczne technika świetlna elektrotermia elektrochemia 2

3 Elektronika rozwinęła się na podłożu elektrotechniki. Zajmuje się praktycznym wykorzystaniem zjawisk związanych ze sterowanym ruchem elektronów. Podstawowe dziedziny elektroniki: telekomunikacja informatyka energoelektronika automatyka 3

4 Prąd elektryczny Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych wywołany różnicą potencjałów. Warunki powstania prądu elektrycznego: nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania się w przestrzeni (tzn. nie mogą być np. unieruchomione w sieci krystalicznej) musi istnieć przyczyna ruchu (np. siła elektryczna F E =qe, dyfuzja, unoszenie) 4

5 Nośniki prądu elektrycznego substancja przewodząca przewodnik elektrolit gaz półprzewodnik próżnia nośnik elektrony walencyjne jony jony i elektrony elektrony i dziury dowolny rodzaj ładunków 5

6 Podział ciał pod względem właściwości elektrycznych a) przewodniki I klasy - metale Podczas przepływu prądu nie podlegają zmianom chemicznym II klasy - roztwory Podczas przepływu prądu podlegają zmianom chemicznym b) dielektryki Nie przewodzą prądu (elektrony silnie związane z atomem). c) półprzewodniki Ich przewodnictwo zmienia się pod wpływem różnych czynników (np. domieszki, temperatura, pole elektryczne) 6

7 Struktura obwodu elektrycznego Obwód elektryczny tworzą elementy połączone ze sobą w taki sposób, że istnieje co najmniej jedna droga zamknięta dla przepływu prądu. Elementy obwodu elektrycznego: a) aktywne - dostarczają do obwodu energię elektryczną - źródło napięcia napięcie źródłowe (SEM) nie zależy od natężenia prądu - źródło prądu natężenie prądu nie zależy od napięcia b) pasywne odbiorniki, zamieniają na inny rodzaj energii (np. rezystory) lub magazynują energię pod postacią energii pola w polu elektrycznym (kondensatory) lub w polu magnetycznym (indukcyjności) 7

8 a) ogniwo lub akumulator b) bateria ogniw c) i d) oznaczenia źródeł napięcia e) oznaczenie strzałki źródła napięcia żarówka opornik stały A V amperomierz woltomierz opornik suwakowy wyłącznik cewka źródło napięcia kondensator 8

9 Schematy najprostszych obwodów elektrycznych obwód nierozgałęziony: obwód rozgałęziony: odbiornik odbiornik E E odbiornik 9

10 Prawo Ohma Natężenie prądu zależy wprost proporcjonalnie od napięcia i odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji: I U R A V gdzie: R - rezystancja U - różnica potencjałów (napięcie) I - natężenie prądu Prawo Ohma jest spełnione tylko wtedy, gdy rezystancja nie zależy od napięcia ani od natężenia prądu. Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego: I E R r w gdzie: R - rezystancja obciążenia E - siła elektromotoryczna ogniwa I - natężenie prądu r W - rezystancja wewnętrzna ogniwa 10

11 Opór elektryczny (rezystancja) R l S [ ] - opór właściwy (rezystywność) Opór elektryczny ma wartość 1, gdy natężenie przy napięciu 1 V ma wartość 1 A. Jest to zależność empiryczna i obowiązuje w ograniczonym zakresie, gdyż rezystancja elementów zależy od wielu czynników takich jak temperatura, wartość napięcia i prądu, częstotliwość itd. Zależność ta jest bardzo często nieliniowa. 11

12 Obwody rozgałęzione schematy równoważne a) i b) węzeł obwodu elektrycznego c) połączenie dwóch gałęzi d) przykładowy schemat obwodu elektrycznego 12

13 Prawa Kirchhoffa I prawo (tzw. prądowe): suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła I 1 I 4 I 2 węzeł I3 k I k = 0 I 2 =I 1 +I 3 +I 4 13

14 II prawo (tzw. napięciowe) : suma sił elektromotorycznych w oczku jest równa sumie spadków napięć na rezystancjach + U 1 _ E + _ + U 3 _ + _ U 2 E U 1 U2 U3 i U i = 0 14

15 15

16 Łączenie rezystorów szeregowe rezystancja zastępcza: R 1 R 2 R 3 R= R 1 +R 2 +R 3 równoległe R 1 rezystancja zastępcza: 1 = R 1 R R 2 R 2 R R R 1 1 R 2 R 2 16

17 przewód trakcyjny + podstacja zasilająca _ sieć szynowa strefa katodowa strefa anodowa 17

18 Najbardziej rozpowszechnione źródła prądu stałego: ogniwa elektrochemiczne (baterie i akumulatory) Typy ogniw: ogniwa nieodwracalne (tzw. pierwotne) w wyniku przemian chemicznych zachodzących podczas przepływu prądu elektrycznego powstają w nich nieodwracalne zmiany (a więc: jednorazowe wykorzystanie) ogniwa odwracalne (tzw. wtórne) można je wielokrotnie ładować i rozładowywać 18

19 Ogniwo Leclanche go bateria cynkowo węglowa napięcie nominalne: 1.5 V A szczelne, nieprzewodzące zamknięcie B katoda (biegun dodatni) pręt grafitowy z metalową końcówką C anoda (biegun ujemny) cylinder cynkowy D elektrolit, najczęściej mieszanina: MnO 2, NH 4 Cl (salmiak) i ZnCl 2 Bezpośrednim źródłem SEM są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa): i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa): Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe: powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu, który pełni rolę depolaryzatora: 2NH NH H 4 2e 2 Zn 2 2MnO2 H2 Mn2O3 H2O 3 4NH [ Zn( NH 3 Zn Zn 2 2e 2 3 ) 4 ] 2 19

20 Bateria alkaliczna Nazwa tego typu baterii bierze się od alkalicznych (zasadowych) roztworów, stosowanych w charakterze elektrolitu. Anoda sproszkowany Zn (zwiększa to powierzchnię anody, zmniejsza wewnętrzny opór baterii, zwiększa gęstość energii). Katoda sproszkowany dwutlenek manganu MnO 2 Elektrolit wodorotlenek potasu KOH bateria cynkowowęglowa bateria alkaliczna Baterie alkaliczne charakteryzują się lepszymi od baterii cynkowo-węglowych parametrami: większą gęstością energii, dłuższym czasem przydatności do użycia, odpornością na wycieki, lepszą wydajnością zarówno w pracy ciągłej jak i z przerwami, niższym oporem wewnętrznym pozwalającym na pobór większych mocy oraz funkcjonowanie w szerszym zakresie temperatur. 20

21 Akumulator ołowiowy kwasowy Pojemność akumulatora ilość energii pobranej z naładowanego akumulatora przy wyładowaniu go w określonym czasie do dozwolonej granicy napięcia. Pojemność znamionowa wyładowanie w ciągu 10 godzin. 21

22 22

23 Rozładowywanie akumulatora reakcja na anodzie: reakcja na katodzie: 23

24 Ładowanie akumulatora 24

25 Akumulator NiCd napięcie nominalne: 1.2 V Może dostarczyć w krótkim czasie duży prąd (prąd rozładowania może 20x przekraczać jego pojemność znamionową). Charakteryzuje się dużą trwałością przy niskich kosztach wytwarzania, bo podstawowe materiały - nikiel i kadm - są stosunkowo niedrogie. Kadm stanowi problem z punktu widzenia ochrony środowiska. To silnie toksyczny metal ciężki, wymagający stosowania gazoszczelnej obudowy i specjalnych procedur utylizacji. Traci energię, kiedy nie pracuje, ok. 20 % na miesiąc. Nieużywany może ulec uszkodzeniu, bo nie powinno się go całkowicie rozładowywać. Elektrolit: substancje półpłynne lub stałe, najczęściej wodorotlenek potasu 25

26 Powód: kadm ma tendencję do krystalizacji. tzw. efekt pamięciowy Zjawisko to występuje wówczas, gdy akumulator jest ponownie ładowany przed całkowitym rozładowaniem. W wyniku krystalizacji kadmu zmniejsza się pojemność akumulatora, a od punktu wystąpienia efektu pamięciowego na linii rozładowania spada dostarczane napięcie. Efekt pamięciowy można usunąć poprzez wielokrotne rozładowanie/ładowanie (funkcja ładowarek: DISCHARGE lub REFRESH) 26

27 Akumulator NiMH napięcie nominalne: 1.2 V Może dostarczyć w krótkim czasie duży prąd. System elektrochemiczny jest zdolny do absorpcji wydzielających się podczas ładowania gazów, szczególnie wodoru, dzięki czemu akumulator może być całkowicie szczelny i charakteryzować się długą żywotnością. Gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi (jako elektrolit) oraz złożonym chemicznie katalizatorem. Anoda: stop metalu, który może wiązać wodór. Duże samorozładowanie, nawet do 30 % na miesiąc. 27

28 tzw. efekt leniwego akumulatora (lazy battery effect) Powód: na dodatniej elektrodzie wykonanej z wodorotlenku niklu tworzą się kryształy. Efekt powstaje w wyniku niecałkowitego rozładowania akumulatora w trakcie pracy lub długotrwałego ładowania prądem o zbyt małym natężeniu. Efekt pamięciowy można usunąć poprzez 2-, 3-krotne całkowite rozładowanie. 28

29 Akumulator Li-Ion napięcie nominalne: 3.6 V Zaleta: niewielkie samorozładowanie, a więc długi czas przechowywania bez ponownego ładowania. Elektrolit (ciekły): złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Separator między membranami stanowi mikroprzepuszczalna membrana z tworzywa sztucznego. Lit to silnie reagujący metal lekki, a więc mocno nagrzany mógłby eksplodować. Z tego powodu akumulatory zawierają organiczny elektrolit. Mimo to każdy akumulator litowy jest wyposażony w zawór bezpieczeństwa i ma szczególnie solidną obudowę. Dodatkowo, zawiera układy elektroniczne nadzorujące prądy ładowania i rozładowania (zabezpieczenie przed przegrzaniem). 29

30 Napięcie w trakcie niemal całego okresu rozładowania akumulatora Li-Io przekracza napięcie znamionowe 3,6 V. Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora. 30

31 Akumulator litowo-polimerowy napięcie nominalne: V stały lub żelowy elektrolit polimerowy wykonany np. z gąbek na bazie poliakrylonitrylu Niskie samorozładowanie, poniżej 10 % na miesiąc. Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora. Daje się niemal dowolnie formować, co zwiększa możliwości zastosowania. 31

32 Akumulator cynkowo-powietrzny napięcie nominalne: V Zachodzące reakcje anoda: katoda: Zn OH Zn( OH) 2 2e O 2 2H 2 O 4e 4( OH) W trakcie ładowania: reakcje w drugą stronę. Katodą w procesie rozładowania jest tlen atmosferyczny absorbowany na membranie z węgla aktywnego i ulegający reakcji w kontakcie ze środowiskiem elektrolitu. Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu elektrody cynkowej w wodorotlenek cynku. W procesie ładowania, z akumulatora jest uwalniany tlen do atmosfery. Wada: tworzy otwarty system chemiczny. Podczas rozładowania powierzchnia, na której zachodzi reakcja, musi mieć zapewniony dopływ powietrza z otoczenia, a podczas ładowania trzeba odprowadzać uwolniony tlen. Obecne modele z reguły nie są stosowane w pomieszczeniach zamkniętych. 32

33 Ogniwo paliwowe Generuje energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii (nie muszą być ładowane). Bez dostarczania paliwa proces wytwarzania prądu zatrzymuje się. Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie (ogniwo wodorowo-tlenowe). Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów. Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe, jest pojemność zbiornika na paliwo. Zaleta: brak zanieczyszczenia powietrza. Powstające w ogniwie spaliny składają się wyłącznie z pary wodnej. 33

34 Membrana polimer rozdzielający anodę i katodę, przewodzący protony lecz uniemożliwiający przepływ elektronów. Elektrody najczęściej nawęglony papier pokryty platyną, która jest katalizatorem reakcji. Katoda Anoda Wodór dopływa do anody, gdzie rozpada się na jony protonowe H + oraz elektrony: Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów. Elektrony płyną do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń, zaś protony dyfundują przez elektrolit. Na katodzie tlen reaguje z elektronami : Następnie jony H + reagują ze zjonizowanym tlenem: 2 O2 4e 2O 2 2 4H 2H O O 2 Końcowym produktem jest więc woda (w postaci ciekłej lub para). Membrana elektrolityczna 2H 2 4H 4e 34