Opracował: mgr inż. Grzegorz Strzeszewski

Transkrypt

1

2 Elektrotechnika jest działem nauki, zajmującym się wyjaśnianiem podstaw teoretycznych i zastosowaniem zjawisk fizycznych z dziedziny elektryczności i magnetyzmu. Podstawowe zagadnienia, wchodzące w zakres elektrotechniki to: wytwarzanie energii elektrycznej, jej przesyłanie, przetwarzanie i rozdzielanie, przetwarzanie energii elektrycznej w inne rodzaje energii, np. mechaniczną, cieplną, chemiczną, świetlną itp. przenoszenie za pomocą fal elektromagnetycznych sygnałów elektrycznych, analiza obwodów elektrycznych i magnetycznych, gdzie głównym zadaniem jest obliczanie prądów i napięć. Znajomość tych wielkości pozwala zbadać działanie i zachowanie się rożnych urządzeń elektrycznych. Przy analizie obwodów elektrycznych mamy do czynienia z rożnymi wielkościami fizycznymi zależnymi od czasu. Na przykład: natężenie prądu, napięcie, moc, gęstość prądu. Tego rodzaju wielkości fizyczne będziemy nazywać sygnałami elektrycznymi.

3 Elektronika jest dziedziną nauki i techniki, zajmującą się wyjaśnianiem zjawisk związanych ze sterowanym ruchem elektronów w próżni, gazach i ciałach stałych (zwłaszcza w półprzewodnikach). Obejmuje ona teorię działania, technologię i konstrukcję przyrządów elektronowych, a także zbudowanych z nich układów i urządzeń elektronicznych. Ze względu na ośrodek, w którym odbywa się ruch elektronów, elektronikę dzieli się na: próżniową (łącznie z elektroniką gazów); półprzewodnikową (ciała stałego); kwantową. Elektronika próżniowa zajmuje się lampami elektronicznymi (próżniowymi i gazowymi) oraz próżniowymi urządzeniami elektronicznymi (mikroskopy elektronowe, akceleratory cząstek naładowanych, itp.). Elektronika półprzewodnikowa zajmuje się diodami półprzewodnikowymi, tranzystorami, tyrystorami, hallotronami, obwodami scalonymi, itp. Dziedziną zainteresowania elektroniki kwantowej są lasery, masery itp. Podział elektroniki ze względu na rodzaj rozpatrywanych sygnałów: analogowa; cyfrowa.

4 Wielkość fizyczna jest to cecha zjawiska fizycznego lub własność ciała, którą można zmierzyć. Przykłady wielkości fizycznych: napięcie elektryczne U, temperatura ciała T, prędkość poruszającego się ciała v, energia kinetyczna ciała E k. Układ wielkości jest to zbiór wielkości fizycznych obejmujący wszystkie lub niektóre dziedziny fizyki. W układzie wielkości wyróżniamy wielkości podstawowe (czasem wielkości uzupełniające) oraz wielkości pochodne. Wielkością podstawową nazywamy wielkość, która jest umownie przyjęta jako niezależna od pozostałych wielkości układu. Wielkością pochodną nazywamy wielkość, którą można wyrazić za pomocą wielkości podstawowych. Każda wielkość fizyczna, skalarna jest wyrażona za pomocą wielkości liczbowej i jednostki miary. Przykłady: 19 A; 2,65 V; 5,5 kg; 12 Ω.

5 Układ ten posiada 7 jednostek podstawowych i 2 jednostki uzupełniające. L.p. Jednostki podstawowe Jednostka miary Wielkość Nazwa Oznaczenie 1 długość, odległość metr m 2 masa kilogram kg. 3 czas sekunda s 4 prąd elektryczny amper A 5 temperatura kelwin K 6 liczność materii mol mol 7 światłość candela cd Jednostki uzupełniające 1 kąt płaski radian rd 2 kąt bryłowy steradian sr

6 Krotności stosujemy wtedy, gdy jednostka główna jest zbyt duża (zbyt mała) dla przedstawienia pewnej wielkości fizycznej. L.p. Przedrostek Oznaczenie Mnożnik 1 tera T = giga G 10 9 = mega M 10 6 = kilo k 10 3 = hekto h 10 2 = deka da 10 1 = 10 7 decy d 10 1 = 0,1 8 centy c 10 2 = 0,01 9 mili m 10 3 = 0, mikro µ 10 6 = 0, nano n 10 9 = 0, piko p = 0,

7 Każda substancja chemiczna składa się z jednakowych cząsteczek, czyli ma budowę ziarnistą (w rzeczywistości, zwykle mamy do czynienia z mieszaniną substancji chemicznych). Cząsteczka jest to najmniejsza część danej substancji, zdolna do samodzielnego istnienia i zachowująca cechy danej substancji. Ciała, w których cząsteczki składają się z jednakowych atomów lub są pojedynczymi atomami nazywamy pierwiastkami chemicznymi. Atom jest to najmniejsza ilość pierwiastka zdolna do samodzielnego istnienia i nie dająca się podzielić bez zmiany cech danego pierwiastka. Atomy różnych pierwiastków nie są jednakowe. Różnią się budową, chociaż zbudowane są z tych samych cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Stwierdzono doświadczalnie, że wszystkie elektrony mają jednakowy ładunek elektryczny. Także wszystkie protony mają jednakowy ładunek elektryczny. Ponadto ładunki elektronów i protonów wzajemnie zobojętniają się. Ładunek elektronu jest najmniejszą porcją ładunku elektrycznego i jest nazywany ładunkiem elementarnym. Wszystkie ładunki elektryczne są całkowitą krotnością ładunku elementarnego. Wartość elementarnego ładunku elektronu równa jest: e = 1, C. Neutrony nie są nośnikami ładunku elektrycznego (ładunek elektryczny neutronu jest równy zeru).

8 Własności elektryczne i chemiczne poszczególnych pierwiastków zależą od liczby elektronów najsłabiej związanych z jądrem. Elektrony te nazywamy walencyjnymi. Elektrony walencyjne, po uzyskaniu pewnej ilości energii z zewnątrz, mogą oderwać się od atomu i stać się elektronami swobodnymi. Atom pozbawiony jednego lub kilku elektronów nie jest już elektrycznie obojętny - staje się jonem dodatnim. Atom z nadmiarem elektronów w powłoce walencyjnej staje się jonem ujemnym. Jony dodatnie nazywamy kationami, jony ujemne anionami. Najważniejsze wiązania chemiczne: jonowe, kowalencyjne. Przykłady wiązań: a) jonowych b) kowalencyjnych NaCl cząsteczka chlorku sodu, Ge kryształ germanu, H 2 SO 4 cząsteczka kwasu siarkowego, Si kryształ krzemu, KOH cząsteczka wodorotlenku potasu, O 2 - cząsteczka tlenu. Granica między wiązaniami kowalencyjnymi i jonowymi jest płynna.

9 Ładunek elektryczny jest to pewna ilość ładunków elementarnych (elektronów, jonów dodatnich lub ujemnych) dodatnich lub ujemnych. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb [C]. Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, poruszających się pod wpływem pola elektrycznego wytworzonego przez źródło prądu. Wszystkie ciała występujące w przyrodzie można podzielić pod względem przewodnictwa elektrycznego na: Przewodniki, Półprzewodniki, Izolatory (dielektryki). Granice tego podziału są nieostre. Przewodniki są ciałami bardzo dobrze przewodzącymi prąd elektryczny. Ze względu na rodzaj nośników prądu elektrycznego, przewodniki dzielimy na dwie klasy: Klasa I metale, gdzie nośnikami prądu są elektrony, Klasa II elektrolity, gdzie nośnikami prądu są jony dodatnie i ujemne. Półprzewodniki są ciałami o własnościach pośrednich między przewodnikami i izolatorami. W określonych warunkach mogą być dobrymi przewodnikami. Izolatory nie posiadają elektronów swobodnych. Praktycznie nie przewodzą prądu.

10 Przewodnikami klasy I są metale, stopy metali oraz węgiel. Przepływ prądu elektrycznego w tych ciałach polega na uporządkowanym ruchu elektronów swobodnych przez przekrój poprzeczny danego przewodnika. Ruch swobodnych elektronów wywołany jest polem elektrycznym źródła prądu. Cechą charakterystyczną przewodników pierwszej klasy jest nieuleganie zmianom chemicznym w czasie przepływu prądu. Przewodnikami klasy II są elektrolity, czyli roztwory kwasów, zasad i soli. Cząsteczki elektrolitów rozpadają się pod wpływem rozpuszczalnika na jony dodatnie i ujemne (dysocjacja elektrolityczna). Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego źródła, następuje ruch jonów dodatnich w kierunku elektrody ujemnej i ruch jonów ujemnych w kierunku elektrody dodatniej. Płynie prąd elektryczny. Przepływ prądu w tego rodzaju przewodnikach wywołuje zmiany chemiczne.

11 E pole elektryczne e elektrony swobodne w metalu Liczba elektronów walencyjnych w atomach metali równa jest: 1, 2 lub 3. Są one bardzo luźno związane z jądrem. Wskutek oddziaływania sąsiednich atomów mogą one oderwać się od jądra, tworząc tak zwany gaz elektronowy. Swobodne elektrony gazu poruszają się w kierunku przeciwnym niż zwrot wektora pola elektrycznego (dlaczego?) źródła, przenosząc ładunki elektryczne z elektrody dodatniej do ujemnej.

12 Miarą dobroci przewodników jest ich rezystywność ρ, mierzona w Ωm. Konduktywność γ jest odwrotnością rezystywności, mierzona jest w S m. Przewodnik Rezystywność ρ μωm Konduktywność γ MS/m srebro 1, ,7 miedź przewodowa 1, ,1 aluminium 2, ,3 żelazo 0,1 10 wolfram 5, ,2 kanthal 1,45 0,7 konstantan 0,48 2,1 manganin 0,44 2,3 węgiel elektrotechniczny (0,1 1,0) 10 2 (1 10) 10 2

13 Przewodnikami II klasy są elektrolity, czyli roztwory kwasów, zasad i soli. Elektrolity ciekłe dzielimy na: mocne, całkowicie zdysocjowane na jony, do których zaliczamy wodorotlenki: litu i berylu, kwasy: solny (HCl), siarkowy (H 2 SO 4 ), azotowy (HNO 3 ) oraz większość soli nieorganicznych rozpuszczalnych w wodzie, słabe, tylko częściowo zdysocjowane na jony, do których należą: siarkowodór (H 2 S), kwas siarkawy (H 2 SO 3 ), kwas azotawy (HNO 2 ), kwas octowy (CH 3 COOH). Obecnie coraz większe zastosowanie mają elektrolity stałe (suche), do których zaliczamy porowate gąbki lub materiały ceramiczne nasączone roztworami soli, kwasów i zasad, żele i inne.

14 Elektrolity, czyli (najczęściej wodne) roztwory kwasów, zasad i soli, są przewodnikami elektrycznymi II rodzaju (II kategorii). Elektrolity pod wpływem rozpuszczalnika ulegają procesowi dysocjacji elektrolitycznej. Dysocjacja polega na rozpadzie cząsteczek elektrolitu na atomy lub grupy atomów, z których jedne mają nadmiar elektronów a drugie niedomiar tej samej liczby elektronów, pod wpływem sił elektrycznych wywieranych przez cząsteczki rozpuszczalnika. Przepływ prądu elektrycznego w elektrolitach polega na ruchu jonów dodatnich (cząsteczek z niedomiarem elektronów) w kierunku katody i jonów ujemnych w kierunku anody pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego źródła prądu. Przykłady dysocjacji elektrolitycznej, z rozpuszczalnikiem wodnym: HCl H + Cl - kwas solny, NaOH Na + OH - wodorotlenek sodu, Mg(OH) 2 Mg ++ 2OH - NaCl Na + Cl - chlorek sodu, H 2 SO 4 2H + SO 4 -- kwas siarkowy, wodorotlenek magnezu, KOH K + OH - wodorotlenek potasu.

15 Rezystywność i konduktywność roztworów wodnych różnych elektrolitów w temp. 18 C Elektrolit Wzór chemiczny Rezystywność Ωm Konduktywność S/m chlorek potasu KCl 0,14 6,9 chlorek sodu NaCl 0,15 6,7 siarczan cynku nasycony ZnSO ,1 wodorotlenek potasu KOH ,2 wodorotlenek sodu NaOH 0,05 19,7 kwas siarkowy stężony H 2 SO 4 0,014 74,0 Elektrolity są z reguły znacznie gorszymi przewodnikami elektryczności niż metale. Wraz ze wzrostem temperatury rezystywność metali rośnie, natomiast rezystywność elektrolitów na ogół maleje; a więc wraz ze wzrostem temperatury w przewodniku metalicznym następuje zmniejszenie przewodnictwa prądu a w elektrolitach odwrotnie zwiększenie.

16 Akumulatory są ogniwami elektrolitycznymi, które stają się źródłem prądu po ich naładowaniu. W czasie ładowania następuje elektroliza elektrolitu i zachodzą zmiany chemiczne masy czynnej płyt akumulatora.w czasie rozładowania akumulatora zachodzi proces odwrotny. Praktyczne zstosowanie znalazły dwa typy akumulatorów: kwasowo - ołowiowe, zasadowe żelazo-niklowe lub kadmowo-niklowe.

17 Ogniwa i akumulatory charakteryzują trzy wielkości podstawowe: Siła elektromotoryczna E, czyli napięcie zmierzone na zaciskach akumulatora nieobciążonego. Sem akumulatora mierzymy w woltach V. Rezystancja wewnętrzna Rw, mierzona w Ω. Pojemność znamionowa Q, określona zależnością: Q=Iśr tw, w której: Q - pojemność w Ah, Iśr - średni prąd wyładowania w A, tw - czas wyładowania ogniwa lub akumulatora w h. Pojemność znamionowa ogniwa lub akumulatora określa ładunek elektryczny wyrażony w amperogodzinach (Ah), jaki można uzyskać z ogniwa lub akumulatora wskutek wyładowania. Ogniwa po rozładowaniu nie można ponownie naładować. Akumulator (barerię akumulatorów) można ponownie naładować. Procesy elektrochemiczne zachodzące w akumulatorach są odwracalne. Akumulatory ładuje się napięciem stałym. Znamionowe napięcie na zaciskach pojedynczej celki akumulatora kwasowoołowiowego wynosi 2 V. Napięcie to zmienia się w czasie rozładowania akumulatora.

18 kapturek mosiężny, + biegun dodatni zamknięcie smołowe, zabezpieczające przed wysychaniem kubek cynkowy, - biegun ujemny zagęszczony roztwór NH 4 Cl (elektrolit) depolaryzator, czyli pasta MnO 2 z grafitem i pręt grafitowy (węglowy) Ogniwo cynkowo - węglowe opracowane zostało w 1877 r przez francuskiego chemika G. Leclanchego. Napięcie znamionowe ogniwa (siła elektromotoryczna) wynosi 1,5V. Pojemność ogniwa zależy od jego wymiarów: ogniwo okrągłe R1 1,5 V o średnicy φ = 12 mm i wysokości 30,2 mm ma pojemność Q 0,6Ah, bateria blokowa 6F22, 9V, o wymiarach: długość 26,5 mm, szerokość 17,5 mm ma pojemność 0,48 Ah.

19 W warunkach normalnych wszystkie gazy są izolatorami. Aby mogły zaistnieć warunki do przewodzenia prądu elektrycznego, gaz musi zostać zjonizowany. Jonizacja jest to proces podziału elektrycznie obojętnych atomów (lub cząsteczek) gazu, polegający na oderwaniu jednego lub większej ilości elektronów od atomu (cząsteczki) gazu. Aby jonizacja mogła w gazie zachodzić, musi być dostarczona z zewnątrz pewna ilość energii, zwana energią jonizacji. Wyróżnia się następujące rodzaje jonizacji: termiczna, zderzeniowa, fotojonizacja. Przepływ prądu elektrycznego w zjonizowanym gazie nazywa się wyładowaniem. Wyładowania elektryczne w gazie dzielimy na: niesamoistne, które zanika po ustaniu działania zewnętrznego czynnika jonizującego, samoistne, które można podzielić na: jarzeniowe, iskrowe, ulotowe, łukowe.

20 Próżnia jest najlepszym izolatorem w przyrodzie, gdyż nie zawiera ładunków elektrycznych. Aby spowodować przepływ prądu w próżni, należy wprowadzić tam ładunki elektryczne i wywołać ruch tych ładunków. Zjawisko przepływu prądu elektrycznego w próżni wykorzystywane jest w próżniowych lampach elektrodowych. I A anoda K katoda U R Elektony oddalą się od katody po dostarczeniu im energii większej, bądź równej pracy wyjścia Wo : Wo = euo, e ładunek elektronu, Uo - bariera potencjału. Najczęściej elektrony wyzwala się z katody poprzez podgrzanie jej do temperatury C. Lampa elektrodowa przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. A K

21 Półprzewodniki są ciałami krystalicznymi, których konduktywność w warunkach normalnych zawiera się w granicach ( ) S/m. Do materiałów półprzewodnikowych zaliczamy: ciała krystaliczne (pierwiastki) z IV grupy okresowej tablicy Mendelejewa, takie jak: krzem Si, german Ge. związki pierwiastków grupy III i V lub II i VI tablicy Mendelejewa, takie jak: arsenek galu GaAs, antymonek indu InSb, selenek cynku ZnSe, i wiele innych. Ze względu na zdolność przewodzenia prądu elektrycznego, półprzewodniki dzielą się na: Półprzewodniki samoistne niesamoistne typu N typu P złożone

22 Półprzewodniki samoistne są czystymi pierwiastkami krystalicznymi z IV grupy układu okresowego, bez domieszek innych substancji. Półprzewodniki niesamoistne (domieszkowane) są pierwiastkami krystalicznymi z IV grupy układu okresowego (krzem Si lub german Ge) domieszkowanymi: pierwiastkami z grupy V układu okresowego (domieszki donorowe): fosfor P, arsen As, antymon Sb otrzymujemy półprzewodnik niesamoistnt typu N, pierwiastkami z grupy III układu okresowego (domieszki akceptorowe): bor Bo, gal Ga, rzadziej aluminium Al lub ind In otrzymujemy półprzewodnik niesamoistny typu P, Półprzewodniki złożone: związki III i V grupy układu okresowego: arsenek galu GaAs, antymonek galu GaSb, związki II i VI grupy układu okresowego: tellurek rtęci HgTe, tellurek kadmu CdTe. Uwaga: Jakość półprzewodnika (przydatność) określają dwie wielkości: zanieczyszczenia (dopuszczalne zanieczyszczenia: dla germanu 10-8 %, dla krzemu %), defekty budowy krystalicznej.

23 Energia W procesie przewodzenia prądu elektrycznego w półprzewodnikach najważniejszą rolę odgrywają trzy pasma: walencyjne (podstawowe), zabronione, 1 ev = 1, J przewodnictwa. W elektron w paśmie przewodnictwa pasmo przewodnictwa ΔW pasmo zabronione pasmo walencyjne brak elektronu czyli dziura Szerokość pasma zabronionego ΔW dla półprzewodników nie przekracza 2 ev. Dziura utworzona w paśmie walencyjnym traktowana jest jako ładunek dodatni. W półprzewodnikach samoistnych zarówno elektrony pasma przewodnictwa jak i dziury w paśmie walencyjnym są nośnikami ładunku a więc biorą udział w przewodzeniu prądu elektrycznego.

24 Półprzewodniki niesamoistne powstają w wyniku wprowadzenia do ich sieci krystalicznej atomów pierwiastków trój- lub pięciowartościowych. Wprowadzenie domieszek zwiększa przewodnictwo elektronowe (domieszki pięciowartościowe) lub dziurowe (domieszki trójwartościowe). Jeżeli do chemicznie czystego pierwiastka germanu lub krzemu wprowadzimy domieszki pierwiastków pięciowartościowych (arsen, antymon) to otrzymamy półprzewodnik niesamoistny typu N. Półprzewodniki tego rodzaju mają więcej elektronów w paśmie przewodnictwa niż dziur w paśmie walencyjnym. W półprzewodniku typu N elektrony są głównym nośnikiem ładunku elektrycznego. Domieszka stosowana w półprzewodnikach typu N nazywana jest domieszką donorową. Półprzewodnik typu P otrzymamy wówczas, gdy do chemicznie czystego pierwiastka germanu lub krzemu wprowadzimy domieszki pierwiastków trójwartościowych (bor, ind, glin). W półprzewodniku takim uzyskuje się nadmiar dziur w paśmie walencyjnym. W półprzewodniku typu P głównym nośnikiem ładunku elektrycznego są dziury. Domieszka stosowana w półprzewodnikach typu P nazywana jest domieszką akceptorową.

25 Energia W pasmo przewodnictwa poziom donorowy pasmo zabronione pasmo walencyjne Poziom donorowy tworzą elektrony domieszki nie biorące udziału w wiązaniu kowalencyjnym. Odstęp energetyczny pomiędzy poziomem donorowym a pasmem przewodnictwa jest niewielki, rzędu dziesiętnych części elektronowolta (0,05 ev dla krzemu). Już w temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy domieszkowe są zjonizowane. Oznacza to, że na poziomach donorowych nie ma elektronów gdyż wszystkie przeszły do pasma przewodnictwa. Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa niż liczba dziur w paśmie podstawowym. Elektrony są nośnikami większościowymi.

26 Energia W pasmo przewodnictwa pasmo zabronione poziom akceptorowy pasmo walencyjne (podstawowe) Poziom akceptorowy utworzony jest w paśmie zabronionym przez domieszki atomów trójwartościowych. W temperaturze pokojowej wszystkie poziomy akceptorowe zapełnione są elektronami, które przeszły tutaj z pasma podstawowego. Liczba dziur w paśmie podstawowym jest wielokrotnie większa niż elektronów w paśmie przewodnictwa. Dziury są nośnikami większościowymi w półprzewodnikach typu P.

27 Elementy złączowe: diody, tranzystory, tyrystory. Elementy bezzłączowe: rezystory półprzewodnikowe, warystory, termistory, hallotrony.