Elektryczne właściwości materiałów. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Transkrypt

1 Elektryczne właściwości materiałów Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

2 Podział materii ze względu na jej właściwości Przewodniki elektryczne: Przewodniki I rodzaju Przewodniki II rodzaju Dielektryki Półprzewodniki Nadprzewodniki

3

4 Przewodniki ciała, które zdolne są do przewodzenia prądu elektrycznego Przewodniki I rodzaju ciała odznaczające się przewodnictwem elektronowym. Podczas przepływu prądu elektrycznego nie podlegają zmianom chemicznym. Zaliczamy do nich: miedź aluminium metale szlachetne (złoto, platyna, srebro) cyna ołów wolfram nikiel grafit

5 Przewodniki II rodzaju ciała, w których przepływ prądu elektrycznego polega na ruchu jonów (przewodnictwo jonowe). Zachodzi w nich ruch jonów dodatnich i ujemnych poruszających sie w przeciwnych kierunkach. Podczas przepływu prądu podlegają one zmianom chemicznym. Zaliczamy do nich wszelkiego rodzaju elektrolity, np. roztwory soli, kwasy, zasady.

6 Dielektryki materiały o właściwościach izolacyjnych. Nie przewodzą prądu elektrycznego. Zaliczamy do nich: porcelanę szkło bakielit mikę marmur gumę drewno tworzywa sztuczne powietrze olej mineralny wodę destylowaną próżnię papier

7 Półprzewodniki wykazują własności pośrednie między przewodnikami a dielektrykami. Zaliczamy do nich krzem i german. Wyróżniamy półprzewodniki typu p i typu n.

8 Pole elektryczne Zazwyczaj liczba ładunków elektrycznych dodatnich i ujemnych w danym ciele jest jednakowa. Ale niektóre ciała mają zdolność do elektryzowania się, czyli może na nich pojawić się nadmiar ładunków dodatnich lub ujemnych. Możliwe jest naelektryzowanie ciała wykonanego z metalu poprzez zbliżenie do niego innego ciała naelektryzowanego. Zjawisko to nosi nazwę indukcji elektrycznej. Ładunki elektryczne oznaczamy jako Q i wyrażamy w kulombach [C].

9 Natężenie prądu elektrycznego możemy zdefiniować jako przepływ przez przewodnik określonego ładunku w określonym czasie: Jeśli ładunek ten ma stałą wartość, to mówimy o prądzie stałym: Jednostką prądu jest amper [A].

10 Prawo Culomba Dwa naelektryzowane ciała, dostatecznie małe, aby ich ładunki równe Q i Q można było uważać za punktowe, oddziałują na siebie siłą, która jest proporcjonalna do iloczynu ich ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r między nimi. gdzie ε bezwzględna przenikalność elektryczna określająca środowisko, w którym ładunki oddziałują ze sobą. ε = ε 0 ε r gdzie ε 0 = 8, F/m (przenikalność elektryczna próżni). ε r względna przenikalność elektryczna próżni

11 Pole elektryczne charakteryzują: Natężenie pola elektrycznego: gdzie q ładunek próbny o znaku dodatnim Potencjał pola elektrycznego: V A = W A /q gdzie W A - praca wykonana podczas przesunięcia ładunku q z punktu A do nieskończoności.

12 Napięcie między dwoma punktami pola: Napięcie i potencjał wyrażamy w woltach [V]. Obraz pola elektrycznego:

13 Kondensatory U +Q -Q Ładunek Q wprowadzony do kondensatora jest proporcjonalny do napi cia ładowania U

14 Kondensatory Q = CU gdzie C pojemno elektryczna kondensatora Jednostk pojemno ci jest farad (F).

15 Kondensatory Pojemno kondensatora jest równa F, je eli pod wpływem napi cia V wyst puj cego mi dzy elektrodami, ładunek zgromadzony na ka dej elektrodzie jest równy C. pikofarad pf = 0 - F nanofarad nf = 0-9 F mikrofarad - µf = 0-6 F

16 Kondensatory Kondensator płaski dwie płyty przedzielone dielektrykiem C = ε d A gdzie: A pole powierzchni elektrody kondensatora płaskiego [m ] d odległo elektrod [m]

17 Kondensatory Kondensator kulisty (sferyczny) dwie współ rodkowe sfery. 4 Π ε C = r r gdzie: r promie wewn trznej kuli [m] r promie zewn trznej kuli [m]

18 Kondensatory Kondensator walcowy dwa współosiowe walce przedzielone dielektrykiem. C = Π ε l ln r r gdzie: l długo kondensatora walcowego [m] r promie wewn trznego walca [m] r promie zewn trznego walca [m]

19 Ł czenie kondensatorów Kondensatory mog by poł czone: - szeregowo - równolegle - szeregowo-równolegle

20 Poł czenie szeregowe kondensatorów Q Q a b c U U U

21 Poł czenie szeregowe kondensatorów C = Q Q C = U U lub U = Q C U = Q C

22 Poł czenie szeregowe kondensatorów U = U + U = Q C + Q C Q = Q = Q U = Q C + C

23 Poł czenie szeregowe kondensatorów Pojemno zast pcza układu dwóch kondensatorów: C = Q U C = C + C

24 Poł czenie szeregowe kondensatorów Pojemno zast pcza n kondensatorów poł czonych szeregowo: n = C k = C k

25 Poł czenie równoległe kondensatorów U U U C C Q Q

26 Poł czenie równoległe kondensatorów C U CU Q Q Q U U U + = + = = = + = + = Pojemno zast pcza dwóch kondensatorów poł czonych równolegle: C C U C U CU U Q C + = + = =

27 Poł czenie równoległe kondensatorów Pojemno zast pcza układu n kondensatorów poł czonych równolegle: C = n C k k =

28 Pole magnetyczne Pole magnetyczne jest to przestrzeń otaczająca magnes trwały lub przewodnik, w którym płynie prąd. Podobnie jak pole elektryczne, pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Są to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w polu magnetycznym.

29 Pole magnetyczne charakteryzują: Indukcja magnetyczna (wyrażana w teslach [T]): gdzie: F siła elektrodynamiczna działająca na przewód o długości l w którym płynie prąd I, a który znajduje się w polu magnetycznym.

30 Strumień magnetyczny (wyrażony w weberach [W]): gdzie S powierzchnia, przez którą przenika strumień o indukcji B Strumień skojarzony: gzie N ilość zwojów z których każdy jest skojarzony ze strumieniem Φ

31 Siła elektromotoryczna indukująca się w przewodzie przemieszczającym się w polu magnetycznym: gdzie: v prędkość przemieszczania się przewodu.

32 Natężenie pola magnetycznego H: gdzie: µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna wyrażona w henrach na metr [H/m]. µ = µ 0 µ r µ 0 = 4π 0-7 H/m - przenikalność magnetyczna próżni. µ r przenikalność magnetyczna względna środowiska.

33 Podział materiałów magnetycznych: diamagnetyki ich własne pole magnetyczne osłabia zewnętrzne pole magnetyczne (µ r < ), np.: neon, argon, ksenon, krypton, niektóre metale i związki organiczne. paramagnetyki ich pole magnetyczne jest zgodne ze zwrotem pola zewnętrznego (µ r > ), np.: powietrze, aluminium, platyna. ferromagnetyki pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego następuje w nich znaczny wzrost indukcji (µ r >> ). µ r jest w nich nieliniowe. Pojawia się zjawisko magnetyzmu szczątkowego. Zaliczamy do nich np. żelazo, stal, nikiel, kobalt, chrom. Rozróżniamy ferromagnetyki twarde i miękkie.

34

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