2017 Zapowiedź. Podstawy elektrotechniki w praktyce. Branża elektroniczna, informatyczna. i elektryczna. Podręcznik do nauki zawodu

Transkrypt

1 Podstawy elektrotechniki w praktyce Branża elektroniczna, informatyczna i elektryczna Podręcznik do nauki zawodu BRANŻA ElEktRoNiczNA informatyczna i ElEktRyczNA 2017 Zapowiedź Nowy podręcznik premiera: kwiecień 2017

2 Polecamy również inne nowości: Branża elektroniczna, informatyczna i elektryczna Technik mechatronik urządzeń i systemów mechatronicznych Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHATRONIK Tworzenie dokumentacji technicznej urządzeń i systemów mechatronicznych. Kwalifikacja E.19.1 Projektowanie urządzeń i systemów mechatronicznych Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHATRONIK technik elektryk, elektryk, technik elektronik, technik informatyk technik elektryk, elektryk, technik elektronik, technik informatyk Podstawy BRANŻA ElEktRoNiczNA informatyczna i ElEktRyczNA BRANŻA ElEktRoNiczNA informatyczna i ElEktRyczNA Podstawy elektroniki w praktyce. Część 2 KwalifiKacja E.14 KwalifiKacja E.14 E.3 KwalifiKacja E.18 TEcHniK mechatronik Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK ELEKTRONIK Podręcznik do nauki zawodu BRANŻA ElEktRoNiczNA informatyczna i ElEktRyczNA Repetytorium i testy egzaminacyjne. Kwalifikacja E.18 Podstawy elektrotechniki w praktyce Podstawy elektrotechniki w praktyce branża elektroniczna, informatyczna i elektryczna EFEKTY KSZTAŁCENIA WSPÓLNE DLA BRANŻY Zbiór zadań z elektrotechniki Technik elektryk Pracownia mechatroniki Kwalifikacja Użytkowanie urządzeń elektronicznych. Kwalifikacja E.20.1 Zbiór zadań Technik mechatronik Egzamin zawodowy Repetytorium i testy egzaminacyjne. Kwalifikacja E.3 urządzeń elektronicznych Podstawy elektrotechniki w praktyce +TEsTy Egzamin zawodowy Użytkowanie technik elektryk, elektryk, technik elektronik, technik informatyk część 2 Podręcznik do nauki zawodu +TEsTy Programowanie urządzeń i systemów mechatronicznych. Kwalifikacja E.19.3 technik elektryk, elektryk, technik elektronik, technik informatyk Technik mechatronik TEcHniK mechatronik Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHATRONIK elektroniki w praktyce Podstawy elektroniki w praktyce. Część 1 Technik mechatronik KwalifiKacja urządzeń i systemów mechatronicznych Zbiór zadań Podstawy elektrotechniki w praktyce Podstawy elektroniki Podstawy elektroniki w praktyce część 1 Technik elektronik Programowanie Podstawy elektroniki w praktyce Podręcznik do nauki zawodu Projektowanie urządzeń i systemów mechatronicznych. Kwalifikacja E.19.2 PRAKTYCZNA NAUKA ZAWODU Tworzenie dokumentacji technicznej Technik mechatronik E.3 TEChNiK mechatronik Pracownia mechatroniki. Kwalifikacja E.3 PRAKTYCZNA NAUKA ZAWODU Technik mechatronik Pracownia instalcji elektrycznych Kwalifikacja E.8 TEChNiK ElEKTRYK ElEKTRYK Pracownia instalacji elektrycznych. Kwalifikacja E.8 Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna z siedzibą w Warszawie przy Al. Jerozolimskich 96, Warszawa, wpisana do rejestru przedsiębiorców prowadzonego przez Sąd Rejonowy dla m.st. Warszawy w Warszawie, XII Wydział Gospodarczy Krajowego Rejestru Sądowego pod nr KRS: , NIP , kapitał zakładowy: złotych (wpłacony w całości).

3 Szanowni Państwo, z przyjemnością przedstawiamy Państwu fragmenty nowego podręcznika, spełniającego wszystkie wymagania podstawy programowej kształcenia zawodowego. Jest to publikacja gwarantująca skuteczne przygotowanie do egzaminu potwierdzającego kwalifikacje w zawodzie, napisana językiem zrozumiałym dla ucznia i wzbogacona o atrakcyjny materiał ilustracyjny. Prawdziwa nowość, warta Państwa uwagi. Podstawą systemu kształcenia zawodowego są klasyfikacja zawodów oraz podstawa programowa kształcenia w zawodach z wyodrębnionymi kwalifikacjami. Wynika z nich również formuła egzaminu zawodowego. Uczniowie i absolwenci zasadniczych szkół zawodowych i techników oraz słuchacze szkół policealnych przystępują do egzaminu potwierdzającego kwalifikacje w zawodzie. Po zdaniu egzaminu w części pisemnej i praktycznej otrzymują dyplom potwierdzający kwalifikacje zawodowe. Na tych samych zasadach dyplomy otrzymują słuchacze kwalifikacyjnych kursów zawodowych oraz osoby przystępujące do egzaminu w trybie eksternistycznym. Aby umożliwić Państwu zapoznanie się z naszym podręcznikiem, prezentujemy wykaz treści w nim zawartych oraz fragmenty wybranych rozdziałów. Branża elektroniczna, informatyczna i elektryczna Wierzymy, że stworzona przez nas oferta umożliwi Państwu efektywną pracę oraz pomoże w skutecznym przygotowaniu uczniów i słuchaczy do egzaminu zarówno w części pisemnej, jak i praktycznej. Zapraszamy do korzystania z naszego podręcznika. Warto uczyć z nami! Artur Dzigański Dyrektor Kształcenia Zawodowego Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna

4 Pracownie publikacje do praktycznej nauki zawodu PUBLIKACJE Z SERII PRACOWNIE SKUTECZNIE PRZYGOTOWUJĄ DO PRAKTYCZNEJ CZĘŚCI EGZAMINU ZAWODOWEGO. Karty pracy, ćwiczenia i zadania do samodzielnego wykonania. Ćwiczenia i zadania praktyczne do wykonania podczas zajęć w pracowniach. Powtórzenie kluczowych wiadomości teoretycznych. Ćwiczenia i zadania praktyczne podobne do tych, które należy rozwiązać podczas praktycznej części egzaminu zawodowego. Klucze odpowiedzi do testów. Materiał w podziale na kwalifikacje, zgodny z nową podstawą programową. Repetytoria i testy egzaminacyjne Egzamin zawodowy PRAKTYCZNA NAUKA ZAWODU Pracownia instalcji elektrycznych Kwalifikacja E.8 TECHNIK ELEKTRYK ELEKTRYK REPETYTORIA I TESTY EGZAMINACYJNE POMAGAJĄ W KOMPLEKSOWYM PRZYGOTOWANIU SIĘ DO EGZAMINU ZAWODOWEGO. Powtórzenie najważniejszych wiadomości. Sprawdzenie poziomu wiedzy i umiejętności. Testy sprawdzające wiedzę teoretyczną. Zadania praktyczne wraz z rozwiązaniami. Klucze odpowiedzi do testów. Informacja o wymogach i przebiegu egzaminu zawodowego w nowej formule. Materiał w podziale na kwalifikacje, zgodny z nową podstawą programową. + TESTY EGZAMIN ZAWODOWY KWALIFIKACJA E.18 TECHNIK MECHATRONIK

5 Artur Bielawski, Joanna Grygiel Podstawy elektrotechniki w praktyce Podręcznik do nauki zawodu BRANŻA ELEKTRONICZNA INFORMATYCZNA I ELEKTRYCZNA

6 Podręcznik przeznaczony dla uczniów branżowych szkół I i II stopnia, zasadniczych szkół zawodowych, techników oraz szkół policealnych do realizacji efektów kształcenia wspólnych dla branży elektronicznej, informatycznej i elektrycznej. Prezentuje treści z zakresu podstaw elektrotechniki. Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Warszawa 2017 Wydanie I (rzut 1) Opracowanie merytoryczne i redakcyjne: Zbigniew Dziedzic (redaktor koordynator), Roman Malczewski (redaktor merytoryczny) Konsultacja: mgr inż. Andrzej Rodak Redakcja językowa: Anna Rossa Redakcja techniczna: Elżbieta Walczak Projekt okładki: Dominik Krajewski Fotoedycja: Agata Bażyńska Skład i łamanie: ALINEA Ewa J.Kamińska Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna Warszawa, Aleje Jerozolimskie 96 KRS: Tel.: Infolinia: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne oświadczają, że podjęły starania mające na celu dotarcie do właścicieli i dysponentów praw autorskich wszystkich zamieszczonych utworów. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, przytaczając w celach dydaktycznych utwory lub fragmenty, postępują zgodnie z art. 29 ustawy o prawie autorskim. Jednocześnie Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne oświadczają, że są jedynym podmiotem właściwym do kontaktu autorów tych utworów lub innych podmiotów uprawnionych w wypadkach, w których twórcy przysługuje prawo do wynagrodzenia. Publikacja, którą nabyłaś / nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegała / przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty. Szanujmy cudzą własność i prawo. Więcej na Polska Izba Książki

7 SPIS TREŚCI 5 1. Wiadomości wstępne 1.1. Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka Środki ochrony przeciwporażeniowej Wielkości fizyczne stosowane w elektrotechnice Budowa ciał Własności elektryczne ciał Obwód elektryczny 2.1. Elementy obwodu elektrycznego Struktura obwodu elektrycznego Zasady oznaczania kierunku oraz zwrotu napięcia i prądu w obwodach elektrycznych Pole elektryczne 3.1. Elektryzowanie ciał Oddziaływanie ładunków. Prawo Coulomba Charakterystyka pola elektrycznego Natężenie pola elektrycznego Potencjał pola elektrycznego Napięcie elektryczne Indukcja elektryczna Strumień indukcji elektrycznej Pojemność elektryczna. Kondensator Ładowanie kondensatora Energia kondensatora Wytrzymałość dielektryczna Pole magnetyczne 4.1. Wielkości pola magnetycznego Cewka indukcyjność własna Indukcyjność wzajemna cewek Energia pola magnetycznego cewki Energia pola magnetycznego elektromagnesu Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Budowa i klasyfikacja obwodów magnetycznych Prawa obwodów magnetycznych Materiały stosowane w elektrotechnice i elektronice 5.1. Materiały przewodzące Materiały przewodzące przewodowe Materiały przewodzące oporowe Materiały przewodzące stykowe Materiały przewodzące specjalne

8 6 SPIS TREŚCI 5.6. Dielektryki i izolatory Materiały magnetyczne Materiały półprzewodnikowe Nadprzewodniki Elementy elektryczne 6.1. Rezystory budowa, zastosowanie, parametry Oznaczanie rezystorów Łączenie rezystorów Kondensatory budowa, zastosowanie, parametry Oznaczanie kondensatorów Łączenie kondensatorów Cewka budowania, zastosowanie, parametry Oznaczanie cewek Łączenie cewek Podstawowe prawa stosowane w obwodach prądu stałego 7.1. Natężenie prądu elektrycznego warunki przepływu Prawo Ohma Pierwsze prawo Kirchhoffa Układy regulacji natężenia prądu Drugie prawo Kirchhoffa Układy regulacji napięcia Zastosowanie podstawowych praw stosowanych w elektrotechnice 8.1. Źródła napięcia i źródła prądu Schemat zastępczy, łączenie źródeł Stany pracy źródła napięcia i prądu Obliczanie obwodów nierozgałęzionych i rozgałęzionych prądu stałego Praca i moc w obwodach prądu stałego Bilans mocy w obwodach elektrycznych Obwody prądu przemiennego 9.1. Parametry przebiegu sinusoidalnie zmiennego Liczby zespolone informacje podstawowe Elementy R, L, C w obwodach prądu sinusoidalnie zmiennego Dwójniki szeregowe RL, RC, RLC, LC w obwodach prądu przemiennego Dwójniki równoległe RL, RC, RLC, LC w obwodach prądu przemiennego Rezonans w obwodach prądu przemiennego Moc i energia w obwodach prądu przemiennego Filtry elektryczne

9 SPIS TREŚCI Układy trójfazowe Zasada otrzymywania obwodów trójfazowych Układy trójfazowe Sposoby kojarzenia odbiorników trójfazowych Moc i energia w trójfazowych obwodach prądu zmiennego Współczynnik mocy Przyrządy pomiarowe Wiadomości ogólne o stosowaniu przyrządów pomiarowych w obwodach elektrycznych Bezpieczeństwo podczas wykonywania pomiarów elektrycznych Symbole i oznaczenia stosowane w ustrojach przyrządów pomiarowych Błędy pomiarowe Rodzaje i budowa analogowych przyrządów pomiarowych Pomiary wielkości elektrycznych Wykaz podstawowych pojęć w języku polskim, angielskim i niemieckim Literatura

10

11 1 Wiadomości wstępne Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka Środki ochrony przeciwporażeniowej Wielkości fizyczne stosowane w elektrotechnice Budowa ciał Własności elektryczne ciał

12 10 WIADOMOŚCI WSTĘPNE 1.1 Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka ZAGADNIENIA Skutki porażenia prądem elektrycznym Oddziaływanie bezpośrednie i pośrednie prądu elektrycznego na organizm człowieka Lekkomyślność, nieostrożność, nieprzestrzeganie przepisów, nieodpowiednie zorganizowanie pracy, brak kontroli i nadzoru, a także nieznajomość instrukcji obsługi maszyn i urządzeń to najczęstsze przyczyny porażenia prądem elektrycznym. Prąd elektryczny przepływający przez ciało ludzkie może powodować niebezpieczne skutki w zależności od rodzaju prądu, jego wartości, drogi i czasu przepływu oraz stanu zdrowia osoby porażonej, a także warunków środowiskowych. Skutki te można podzielić na fizyczne cieplne, chemiczne: zmiany elektrolityczne oraz biologiczne zaburzenia czynnościowe narządów. Prąd mogący powodować te zmiany jest określany jako prąd rażeniowy. Podczas przepływu przez ciało ludzkie dotyka on jednocześnie dwóch punktów, pomiędzy którymi występuje różnica potencjałów elektrycznych (napięcie elektryczne). Porażenie prądem elektrycznym może wywołać zaburzenia w funkcjonowaniu wielu układów organizmu, zakłócenia pracy serca i uszkodzenia ciała, np. oparzenia. Na skutki porażenia prądem elektrycznym czyli działanie na organizm człowieka prądu rażeniowego mają wpływ konkretne elementy. Zostały one wymienione poniżej. 1. Rodzaj prądu: prąd stały, prąd przemienny Przypadki porażenia prądem stałym zdarzają się rzadziej niż porażenia prądem przemiennym. Jest to związane z mniejszą liczbą urządzeń zasilanych prądem stałym prąd stały jest odczuwany przez człowieka tylko podczas załączania i wyłączania prądu rażeniowego. W przypadku porażenia prądem przemiennym bardzo niebezpieczny jest prąd o częstotliwości w przedziale Hz. Wraz ze zwiększeniem częstotliwości zmniejsza się szkodliwość działania prądu rażeniowego. 2. Wartość napięcia i natężenia prądu rażeniowego oraz czas jego przepływu Czas przepływu prądu rażeniowego czas t < 5 s rażenie krótkotrwałe, czas t 5 s rażenie długotrwałe. Prąd, przy którym człowiek jest w stanie samodzielnie pokonać skurcz mięśni i uwolnić się od źródła porażenia, jest określany jako prąd samouwolnienia. Wartości tego prądu w zależności od jego rodzaju oraz płci osoby porażonej podano w tabeli 1.2.

13 WPŁYW PRĄDU ELEKTRYCZNEGO NA ORGANIZM CZŁOWIEKA 11 Tabela 1.1. Odczucia i reakcje organizmu człowieka powodowane przepływem prądu elektrycznego Prąd [ma] Prąd przemienny Hz Prąd [ma] Prąd stały 1 1,5 Początki odczuwania przepływu prądu 3 6 Powstają skurcze mięśni oraz odczucie bólu Silne skurcze mięśni. Ręce z trudem można oderwać od przewodu. Silne bóle palców, ramionach i pleców. Bardzo silny skurcz. Samodzielne oderwanie rąk od przewodu jest niemożliwe. Bardzo silne bóle. Utrudniony oddech. 5 8 Początek odczuwania przepływu prądu. Uczucie ciepła. Większy niż 30 Bardzo silne skurcze. Utrata przytomności i migotanie komór sercowych Powstają skurcze. Znaczne odczuwanie ciepła. Na podstawie danych Centralnego Ośrodka Szkoleń i Wydawnictw SEP ( Tabela 1.2. Wartości prądu samouwolnienia w odniesieniu do kobiet i mężczyzn Rodzaj prądu Kobiety Prąd samouwolnienia [ma] Mężczyźni DC AC 6 10 DC (ang. Direct Current) prąd stały AC (ang. Alternating Current) prąd zmienny, przemienny Niebezpieczna dla człowieka minimalna wartość prądu płynącego przez dłuższy czas wynosi: 30 ma w przypadku prądu przemiennego, 70 ma w przypadku prądu stałego. Napięcie, które nie wywołuje skutków negatywnych dla człowieka, jest określane jako napięcie bezpieczne dotykowe i oznaczane U L. Jego wartości podano w tabeli 1.3. Tabela 1.3. Wartości napięcia bezpiecznego dotykowego U L Warunki Napięcie przemienne [V] Napięcie stałe [V] Normalne Zwiększonego zagrożenia 25 60

14 12 WIADOMOŚCI WSTĘPNE 1.4 Budowa ciał ZAGADNIENIA Materia, cząsteczka Atom i budowa atomu Ładunek elektryczny Jony dodatnie i jony ujemne Zjawiska elektryczne są związane z właściwościami elektrycznymi ciał, właściwości natomiast zależą od struktury materii powiązań elementarnych jej składników. Przed przystąpieniem do dalszych rozważań należy powtórzyć kilka zagadnień omawianych na lekcji chemii. Świat materialny (materia wszystko, co nas otacza i ma masę) składa się z cząsteczek, które mają budowę ziarnistą i są w ciągłym ruchu. Cząsteczka jest najmniejszą częścią substancji, zdolną do samodzielnego istnienia i zachowuje cechy danej substancji. Cząsteczki składają się z kilku atomów różnych pierwiastków (związek chemiczny), z atomów jednego rodzaju (np. żelazo składa się z atomów żelaza) lub są pojedynczymi atomami (pierwiastki chemiczne). Pierwiastki używane w elektrotechnice to m.in. miedź, srebro, glin, ołów, żelazo. W atomie składającym się z cząsteczek rozróżniamy sferę z dodatnio naładowanym jądrem, znajdującym się w samym środku atomu, oraz sferę chmury elektronowej naładowanej ujemnie. Elektrony są ujemnie naładowanymi cząstkami poruszającymi się z dużą prędkością po zamkniętych orbitach wokół jądra i wokół własnej osi. Jądro atomu składa się z cząstek naładowanych dodatnio zwanych protonami oraz z cząstek pozbawionych ładunku zwanych neutronami. W elektrotechnice mają znaczenie właściwości protonów znajdujących się w jądrze atomu i elektronów krążących po zamkniętych orbitach wokół jądra. Ładunek elektryczny to określona liczba ładunków elementarnych (niepodzielnych) dodatnich i ujemnych. W atomie liczba protonów jest równa liczbie elektronów, a ujemny ładunek elektryczny elektronu jest równy dodatniemu ładunkowi protonu można więc stwierdzić, że atom jest elektrycznie obojętny. Wprowadzenie jednego lub kilku elektronów do atomu uaktywni atom elektrycznie i będzie on naładowany ujemnie. Jeżeli zaś atom pozbawimy choć jednego elektronu, to będzie on naładowany dodatnio. Masa elektronu wynosi 9, kg, a masa zarówno protonu, jak i masa neutronu jest ok razy większa. Atomy mające ładunek elektryczny dodatni lub ujemny nazywamy jonami jony dodatnie to kationy, jony ujemne to aniony. W elektrotechnice przyjęto, że ładunek elektryczny, którego nie można podzielić, nazywa się ładunkiem elementarnym. Obecny stan nauki nie daje odpowiedzi, czy elektron ma jakąkolwiek strukturę wewnętrzną.

15 BUDOWA CIAŁ 13 Rys Budowa atomu Ponadto eksperymenty przeprowadzane w największych akceleratorach, mające na celu zderzanie się ze sobą przeciwbieżnych wiązek elektronów rozpędzonych do prędkości bliskich prędkości światła, nie przyniosły argumentów za istnieniem struktury wewnętrznej. W związku z tym przyjęto, że ładunek elektronu jest ładunkiem elementarnym, a jego wartość w kulombach wynosi e = 1, C. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Co to jest cząsteczka? 2. Opisz budowę atomu. 3. Co nazywamy ładunkiem elektrycznym? 4. Podaj definicję i przykład ładunku elementarnego. 5. Co to są jony i jakie jony rozróżniamy?

16 14 POLE ELEKTRYCZNE 3.3 Charakterystyka pola elektrycznego ZAGADNIENIA Pole elektryczne i jego rodzaje Ładunek próbny, ładunek punktowy Linie pola elektrycznego Określenie pola występuje w każdej dziedzinie życia: pole zainteresowań, pole powierzchni, pole widzenia, martwe pole, pole uprawne itp. Pole w każdym przypadku oznacza obszar lub część przestrzeni. W odniesieni do pola elektrycznego jest to przestrzeń wokół naładowanego ciała, w której na ładunek elektryczny umieszczony wewnątrz działają siły elektryczne. Ładunki elektryczne w przewodniku lub na powierzchniach naładowanych dielektryków są źródłem pola elektrycznego. Pole elektryczne, w zależności od stanu ładunków je wywołujących, dzielimy na: pole elektrostatyczne jego źródłem są ładunki nieruchome względem Ziemi oraz niezmienne w czasie, pole elektryczne stacjonarne jego źródłem są przewody, w których płynie prąd stały. Aby zdefiniować, czym jest pole elektryczne, do rozważań wyprowadzimy pojęcia ładunku próbnego oraz ładunku punktowego. Ładunek próbny q to ładunek dodatni o tak małej wartości, że wytwarzane przez niego pole nie zakłóci w żaden sposób pola, w którym zostanie umieszczony. Ładunek punktowy to ładunek zgromadzony na powierzchni ciała o wymiarach pomijalnie małych w porównaniu z odległością od niego punktów, w których badamy pole elektryczne (zazwyczaj punkty umieszczenia ładunków próbnych). gdzie: + ładunek punktowy dodatni, źródło pola elektrycznego, q 1, q 2, q 3 ładunki próbne umieszczone w polu elektrycznym, F siła elektryczna działająca na ładunki.

17 CHARAKTERYSTYKA POLA ELEKTRYCZNEGO 15 Rys Obraz pola elektrycznego pojedynczych ładunków (+Q i Q) z umieszczonym wewnątrz pola ładunkiem próbnym +q Rys Obraz linii pola elektrycznego: a) ładunki jednoimienne, b) ładunki różnoimienne, c) dwie płytki naładowane różnoimiennie ułożone równolegle względem siebie Linie pola elektrycznego wypełniają przestrzeń wokół ładunku elektrycznego. Są to tory, po których porusza się ładunek próbny. Pole elektryczne wytworzone przez ładunek punktowy dodatni lub ujemny rozchodzi się promieniście od ładunku do chwili, przy której zanika oddziaływanie wzajemne ładunku punktowego i ładunku próbnego (rys. 3.3). Linie pola elektrycznego wokół dwóch ładunków punktowych różnoimiennych łączą się (rys. 3.4a), natomiast w przypadku ładunków jednoimiennych się odpychają (rys. 3.4b). Obraz linii pola między dwoma naładowanymi różnoimiennie płytkami ułożonymi równolegle względem siebie nazywamy polem jednorodnym lub równomiernym. W tym polu linie są ułożone równolegle, a wartość siły działającej na umieszczony wewnątrz w dowolnym punkcie ładunek próbny jest stała (rys. 3.4c). SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Co to jest pole elektryczne? 2. Podaj definicję pola elektrostatycznego. 3. Co to jest ładunek punktowy? 4. Jak rozchodzą się linie pola elektrycznego wokół ładunków różnoimiennych? 5. Co to jest pole elektryczne równomierne?

18 16 POLE ELEKTRYCZNE 3.12 Wytrzymałość dielektryczna ZAGADNIENIA Natężenie pola elektrycznego w kondensatorze Wytrzymałość dielektryczna Umieszczony między okładzinami dielektryk (izolator) jest poddany działaniu napięcia U, które przyłożono do jego okładzin. Okładziny są oddalone od siebie o odległość d, stąd na dielektryk oddziałuje natężenie pola elektrycznego: E = U d gdzie: E natężenie pola elektrycznego [V/m], U napięcie elektryczne przyłożone do kondensatora [V], d odległość między okładzinami [m]. Zbyt duże pole elektryczne może spowodować, że w najsłabszym miejscu zostanie uszkodzona struktura dielektryka i pogarszają się jego właściwości izolacyjne. Dielektrykiem w kondensatorach są ciała stałe, dlatego w miejscu uszkodzenia powstanie wyładowanie zupełne przebicie, czyli zmniejszenie rezystancji i przepływ prądu. Wytrzymałość dielektryczna właściwość materiału dielektryka kondensatora określana jako wartość maksymalnego natężenia pola elektrycznego, która nie powoduje w nim wyładowania zupełnego. Oznacza się ją jako E max, jednostką jest kv/cm. Odległość d między okładzinami kondensatora jest stała, dlatego natężenie pola elektrycznego oddziałującego na dielektryk zależy praktycznie od przyłożonego napięcia. Zbyt wysokie napięcie może więc spowodować przekroczenie wytrzymałości E max dla materiału dielektryka. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Podaj wzór na natężenie pola elektrycznego w kondensatorze. 2. Zdefiniuj wytrzymałość dielektryczną. 3. Jaka wielkość elektryczna może spowodować przekroczenie wytrzymałości dielektrycznej?

19 4 Pole magnetyczne Wielkości pola magnetycznego Cewka indukcyjność własna Indukcja wzajemna cewek Energia pola magnetycznego cewki Energia pola magnetycznego magnesu Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Budowa i klasyfikacja obwodów magnetycznych Prawa obwodów magnetycznych

20 18 POLE MAGNETYCZNE 4.1 Wielkości pola magnetycznego ZAGADNIENIA Definicja pola magnetycznego Źródła pola magnetycznego Obrazy pól magnetycznych Wyznaczanie kierunku linii pola magnetycznego Przenikalność magnetyczna środowiska Siła elektrodynamiczna Indukcja magnetyczna Strumień magnetyczny Prawo Biota Savarta Natężenie pola magnetycznego Prawo przepływu Pole magnetyczne własność przestrzeni charakteryzująca się tym, że na poruszające się cząstki, naładowane ciała oraz ciała mające moment magnetyczny działa siła. Pola magnetyczne dzielimy na: stałe, zmienne, magnetostatyczne, stacjonarne Ziemi. Źródła pól magnetycznych podano w tabeli 4.1. Pole magnetyczne można zobrazować za pomocą linii pola magnetycznego. Linia pola magnetycznego to tor, jaki wyznacza igła magnetyczna wprowadzona do obszaru pola magnetycznego. Tabela 4.1. Źródła pól magnetycznych Rodzaj pola stałe zmienne magnetostatyczne stacjonarne Ziemi przewody wiodące prąd stały przewody wiodące prąd zmienny Źródło pola naturalne magnesy zbudowane z rud magnetycznych żelaza, sztuczne magnesy zbudowane ze stali ferromagnetycznych poddanych magnesowaniu jądro Ziemi

21 WIELKOŚCI POLA MAGNETYCZNEGO 19 a) b) S N S N Rys Obraz pola magnetycznego magnesu trwałego: a) w kształcie sztabki, b) w kształcie podkowy a) b) c) d) Rys Obraz pola magnetycznego: a) wokół przewodu z prądem, b) reguła prawej dłoni, c) reguła śruby prawoskrętnej (korkociągu), d) reguła śruby lewoskrętnej Obrazem pola magnetycznego nazywamy zbiór linii pola magnetycznego. Przykładowe obrazy pól magnetycznych przedstawiono powyżej. Obraz pola magnesów trwałych sztabkowych Jak widać na rys. 4.1, linie pola magnetycznego wychodzą z bieguna N i wchodzą do bieguna S. Obraz pola magnetycznego wokół przewodu z prądem Kierunek linii pola magnetycznego wokół przewodu z prądem określa reguła prawej dłoni lub reguła śruby prawoskrętnej (rys. 4.2). Reguła prawej dłoni Jeżeli prawą dłonią obejmiemy przewód tak, że kciuk jest zgodny z kierunkiem płynącego prądu, to cztery palce określają zwrot linii pola magnetycznego.

22 20 POLE MAGNETYCZNE a) b) c) Rys Pole magnetyczne cewki cylindrycznej (selenoidu): a) obraz pola, b) wyznaczanie kierunku linii pola magnetycznego, c) zasada oznaczania kierunków prądów w przekrojach Reguła śruby prawoskrętnej (reguła korkociągu) Jeżeli kierunek ruchu postępowego śruby prawoskrętnej jest zgodny z kierunkiem prądu, to kierunek ruchu obrotowego śruby wyznacza zwrot linii pola magnetycznego. Obraz pola magnetycznego cewki cylindrycznej (selenoidu) Kierunek linii pola magnetycznego selenoidu wyznaczamy za pomocą reguły prawej dłoni lub reguły śruby prawoskrętnej. Reguła prawej dłoni Jeżeli prawą dłoń położymy na solenoid tak, aby cztery palce obejmowały selenoid i były zgodne z kierunkiem prądów w zwojach, to kciuk wyznaczy zwrot linii pola magnetycznego. Reguła śruby prawoskrętnej Jeżeli kierunek ruchu obrotowego śruby jest zgodny z kierunkiem prądów w zwojach selenoidu, to kierunek ruchu obrotowego śruby wyznacza zwrot linii pola magnetycznego. Obraz pola magnetycznego Ziemi Rys Obraz pola magnetycznego Ziemi

23 WIELKOŚCI POLA MAGNETYCZNEGO 21 Przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska Przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska wielkość, która określa własności magnetyczne środowiska (materiału). Wyraża się ją wzorem: m = m 0 m r gdzie: m 0 przenikalność magnetyczna próżni, m r przenikalność magnetyczna względna środowiska (materiału). Przenikalność magnetyczna próżni m 0 ma wartość stałą, dlatego traktuje się ją jako stałą środowiskową. Jej wartość wynosi 4p 10 7 H/m (henr na metr). Przenikalność magnetyczna względna środowiska m r określa właściwości magnetyczne środowiska (materiałów) tzn. ile razy przenikalność danego środowiska jest większa od przenikalności magnetycznej próżni. Jest wielkością bezwymiarową. Jednostką przenikalności magnetycznej bezwzględnej środowiska m jest henr na metr (H/m). Siła elektrodynamiczna Zjawisko oddziaływania siły elektrodynamicznej przedstawiono na rys Zjawisko to polega na tym, że jeżeli w polu magnetycznym zostanie umieszczony przewód o długości l, przez który płynie prąd I, to działa na niego siła F. Wartość siły jest tym większa, im większa jest wartość prądu, długość l oraz wartość indukcji magnetycznej B. Wyraża się ją wzorem: F = B I l sina gdzie: B indukcja magnetyczna [T], I natężenie prądu elektrycznego [A], l długość przewodu umieszczonego w polu magnetycznym [m], a kąt między przewodem a liniami pola magnetycznego. Siła F zależy także od kąta a. Gdy przewody są ułożone prostopadle do linii pola magnetycznego (a = 90 o ), to siła F ma największą wartość (sin 90 o = 1). Kierunek siły elektrodynamicznej wyznaczamy najczęściej na podstawie reguły lewej dłoni. prądu Rys Zjawisko oddziaływania siły elektrodynamicznej oraz wyznaczanie zwrotu wektora siły F za pomocą zwrotów wektora indukcji magnetycznej B i wektora prądu I (reguła lewej dłoni)

24 22 POLE MAGNETYCZNE Reguła lewej dłoni Jeżeli lewą dłoń ustawimy w taki sposób, że linie pola magnetycznego wchodzą do dłoni, a cztery palce są zgodne z kierunkiem prądu, to kciuk wyznacza zwrot siły F. Indukcja magnetyczna Indukcja magnetyczna podstawowa wielkość fizyczna charakteryzująca pole magnetyczne, która określa intensywność pola magnetycznego. Można to wyjaśnić na przykładzie wyżej opisanego zjawiska siły elektrodynamicznej. Im większa wartość indukcji magnetycznej, czyli pole magnetyczne jest bardziej intensywne, tym większa siła F działa na przewód przewodzący prąd. Można w uproszczeniu stwierdzić, że indukcja magnetyczna określa siłę pola magnetycznego. Przekształcając wzór na siłę elektrodynamiczną (4.2), otrzymujemy wzór na indukcję magnetyczną: F B = I l sina Jednostką indukcji magnetycznej B jest tesla [T]. Strumień magnetyczny Strumień magnetyczny przechodzący przez powierzchnię S jest określany iloczynem indukcji magnetycznej B i pola powierzchni S. Rys Obraz strumienia magnetycznego przecinającego ramkę Strumień magnetyczny oznaczamy literą F, a jego jednostką jest weber [Wb]. F = B S Zależność zapisana powyżej jest słuszna, gdy powierzchnia S jest prostopadła do indukcji magnetycznej B. Jeżeli powierzchnię tworzy kąt a z indukcją magnetyczną, to należy we wzorze uwzględnić ten kąt: F = B S sina gdzie: B indukcja magnetyczna [T], S pole powierzchni przenikanej przez strumień magnetyczny [m 2 ]. Strumień magnetyczny przecinający powierzchnię zamkniętą jest równy zeru, co oznacza, że linie pola magnetycznego są zamknięte i nie mają ani początku, ani końca.

25 WIELKOŚCI POLA MAGNETYCZNEGO 23 Rys Ilustracja prawa Biota Savarta Prawo Biota Savarta Prawo Biota Savarta umożliwia wyznaczenie indukcji magnetycznej wytworzonej przez przewód z prądem w dowolnym punkcie P środowiska o określonych własnościach magnetycznych, wyrażonych przenikalnością m. Ilustrację prawa przedstawiono na rys Prawo to zostało doświadczalnie ustalone w 1820 r. przez francuskich fizyków Jeana Baptiste a Biota i Felixa Savarta. Zgodnie z prawem Biota Savarta indukcję magnetyczną od przewodu z prądem można obliczyć w dowolnym punkcie P. Trzeba najpierw podzielić przewód na elementarne odcinki Δl. Następnie należy obliczyć indukcje magnetyczne cząstkowe ΔB dla każdego odcinka Δl zgodnie z poniższym wzorem, a później je geometrycznie dodać: ΔB = μ I Δl gdzie: 4 pr 2 Δl elementarny odcinek przewodu [m], I prąd płynący w odcinku Δl [A] q kąt pomiędzy kierunkiem przewodu z prądem a prostą łączącą odcinek Δl z punktem, w którym jest obliczana indukcja magnetyczna cząstkowa [ o ] lub [rad], μ przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska [H/m], r odległość punktu, w którym obliczamy pole magnetyczne, od elementarnego odcinka Δl [m]. Natężenie pola magnetycznego Z prawa Biota Savarta wynika, że indukcja magnetyczna B w dowolnym punkcie przestrzeni zależy od przenikalności magnetycznej bezwzględnej środowiska m. W związku z tym została wprowadzona wielkość fizyczna, która jest niezależna od własności magnetycznych środowiska. Wielkością tą jest natężenie pola magnetycznego. Oznaczamy ją literą H, a jednostką jest amper na metr [A/m]. Natężenie pola magnetycznego wyraża się wzorem: H = B gdzie: m B indukcja magnetyczna [T], m przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska [H/m]. Prawo przepływu Gdy mamy do czynienia nie z pojedynczym przewodem, ale z wieloma przewodami, np. w postaci zwojów na cewkach, do wyznaczania natężeń pól magnetycznych stosuje się prawo przepływu.

26 24 POLE MAGNETYCZNE Przepływ prądu wielkość wyrażana iloczynem prądu i liczby zwojów. Oznaczamy ją literą q, a jej jednostką jest amper [A]: q = I N gdzie: I natężenie prądu [A], N liczba zwojów (wielkość bezwymiarowa). Często jako jednostkę przepływu prądu podaje się amperozwoje [Az]. Zależność pomiędzy natężeniem pola magnetycznego H a przepływem prądu q określa prawo przepływu. To suma iloczynów natężenia pola magnetycznego i długości odcinków linii pola, wzdłuż których natężenie pola nie ulega zmianie, tworzących drogę zamkniętą l, równa przepływowi prądu obejmującemu tę drogę zamkniętą: å n H k l k = q k=1 Przykładowo rozpatrzmy obwód magnetyczny przedstawiony na rys Przedstawiony na rys. 4.8 obwód magnetyczny stanowi drogę zamkniętą dla strumienia magnetycznego F. Strumień magnetyczny jest wytworzony przez uzwojenie o liczbie zwojów z, przez które płynie prąd I. W przypadku, gdy obwód magnetyczny jest jednorodny, tzn. wykonany z materiału o jednakowej przenikalności magnetycznej względnej m r, wtedy nie podlega podziałowi, ponieważ wszędzie jest to samo natężenie pola magnetycznego. Z kolei gdy obwód magnetyczny składa się z części o różnej przenikalności magnetycznej, tak jak na rysunku, należy podzielić go na jednorodne odcinki, aby każdy miał tę samą przenikalność, a co za tym idzie na całym odcinku to samo natężenie pola magnetycznego. Na rysunku obwód magnetyczny podzielono na cztery odcinki l 1, l 2, l 3, l 4. Rys Obwód magnetyczny zastosowanie prawa przepływu I prąd, N liczba zwojów, Ff strumień magnetyczny, m r przenikalność magnetyczna względna, l odcinek obwodu magnetycznego

27 WIELKOŚCI POLA MAGNETYCZNEGO 25 Tabela 4.2. Zestawienie wielkości pola magnetycznego i ich jednostek Wielkość Jednostka nazwa wielkości oznaczenie wielości nazwa Układ SI oznaczenie przeliczenie natężenie pola magnetycznego H amper na metr A m strumień magnetyczny indukcja magnetyczna weber Wb Wb = V s = J kg m2 kg m2 s = s = s A s 2 A A s 2 B tesla T T = Wb m 2 = V s m 2 = kg m2 s s 2 A m 2 = kg A s 2 przenikalność magnetyczna m henr na metr H m H m = Wb A m = V s A m = Ω s m = kg m A 2 s 2 W tym obwodzie przepływ jest równy q = I N, więc prawo przepływu można zapisać następująco: q = I z = H 1 l 1 + H 2 l 2 + H 3 l 3 + H 4 l 4 W tabeli 4.2 przedstawiono jednostki wielkości pola magnetycznego w układzie SI oraz przeliczono te jednostki. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Podaj definicję pola magnetycznego. 2. Jakie są źródła pola magnetycznego? 3. Naszkicuj obrazy pól magnetycznych dla magnesu trwałego, przewodu wiodącego prąd, cewki solenoidalnej oraz ziemi. 4. Jak wyznacza się kierunek linii pola magnetycznego? 5. Co to jest przenikalność magnetyczna środowiska? 6. Opisz zjawisko siły elektrodynamicznej. 7. Co to jest indukcja magnetyczna? 8. Co to jest strumień magnetyczny? 9. Opisz prawo Biota Savarta. 10. Co to jest natężenie pola magnetycznego? 11. Opisz prawo przepływu.

28 26 POLE MAGNETYCZNE 4.2 Cewka indukcyjność własna ZAGADNIENIA Budowa cewki Strumień skojarzony z cewką Indukcyjność własna cewki Cewka jest urządzeniem (elementem) zbudowanym w ten sposób, że na rdzeniu wykonanym z materiału ferromagnetycznego zostało nawinięte uzwojenie zrobione z materiału przewodzącego prąd. Rdzeń stanowi obwód magnetyczny, przez który przenika strumień magnetyczny, dlatego do jego wytworzenia stosuje się materiały ferromagnetyczne, czyli dobrze przewodzące pole magnetyczne zazwyczaj stal. Uzwojenie stanowi obwód elektryczny, ponieważ płynie w nim prąd elektryczny, dlatego tworzy się je z materiałów przewodzących, które nie są jednocześnie ferromagnetykami zazwyczaj jest to miedź. Obwód magnetyczny cewki może być zamknięty lub otwarty. W cewce o obwodzie magnetycznym otwartym strumień magnetyczny wychodzi z rdzenia. W cewce o obwodzie magnetycznym zamkniętym strumień magnetyczny zamyka się w nim. Przykładem cewki z obwodem magnetycznym otwartym jest cewka cylindryczna (selenoid), z kolei z obwodem zamkniętym cewka toroidalna. Ilustracje przykładowych cewek przedstawiono na rys Symbole graficzne cewek w schematach elektrycznych podano w podrozdziale a) b) 2 Rys Przykład cewki: a) cylindrycznej (selenoid), b) toroidalnej 1 uzwojenie (miedź), 2 rdzeń (stal)

29 CEWKA INDUKCYJNOŚĆ WŁASNA 27 l [m] 1 S [mm 2 ] m r 2 N Rys Budowa cewki na przykładzie selenoidu 1 rdzeń (stal) o powierzchni przekroju rdzenia S [mm 2 ] i przenikalności magnetycznej względnej m r, 2 uzwojenie (miedź) o liczbie zwojów N, l długość rdzenia [m] Występują także cewki powietrzne, czyli takie, które nie mają rdzenia. Budowa cewki zostanie szczegółowo omówiona na przykładzie selenoidu (rys. 4.10). Po przyłożeniu napięcia do cewki przez uzwojenie zaczyna płynąć prąd, który wytwarza strumień magnetyczny. Wartość tego strumienia zależy od liczby zwojów N, długości rdzenia l, pola powierzchni przekroju rdzenia S, czyli od jej budowy. Indukcyjność własna cewki stosunek strumienia skojarzonego z cewką do prądu I płynącego przez cewkę. Indukcyjność własną oznaczamy literą L, a jej jednostką jest henr [H]: L = Y gdzie: I Y strumień magnetyczny skojarzony [Wb], I prąd [A]. Aby wyjaśnić pojęcie strumienia magnetycznego skojarzonego, na podstawie prawa przepływu należy wyznaczyć natężenie pola magnetycznego w rdzeniu cewki: I N = H l H = I N l Po przekształceniu wzoru na natężenie pola magnetycznego: H = B m B = H m i podstawieniu do niego H = I N otrzymujemy: l B = H m = I N m l Następnie otrzymane B podstawiamy do wzoru na strumień magnetyczny i otrzymujemy wzór na strumień magnetyczny płynący w rdzeniu cewki: F = B S I N m S l F = I N m l S

30 28 POLE MAGNETYCZNE Strumień skojarzony Y to strumień, który płynie przez rdzeń cewki f i przenika przez każdy zwój, więc wyraża się go wzorem: Y = F N Po podstawieniu Y = F N = I N m S N = I N2 m S l l otrzymujemy wzór na strumień skojarzony: Y = I N2 m S l Po przekształceniu wzoru na Y otrzymujemy: Y = N2 m S I l Jeżeli porównamy go z wzorem wynikającym z definicji indukcyjności własnej cewki L = Y, możemy zauważyć, że I L = N2 m S l gdzie: N liczba zwojów, S pole powierzchni przekroju rdzenia [mm 2 ], l długość rdzenia [m], m = m 0 m r przenikalność magnetyczna bezwzględna materiału, m 0 przenikalność magnetyczna próżni, m r przenikalność magnetyczna względna materiału rdzenia. Z tej analizy wynika, że indukcyjność własna cewki zależy tylko od budowy cewki. W konkretnym przypadku jej wartość jest podawana przez producenta na obudowie cewki. W tabeli 4.3 przedstawiono jednostkę indukcyjności własnej w układzie SI oraz ją przeliczono. Tabela 4.3. Oznaczenie i jednostka indukcyjności własnej Wielkość nazwa wielkości indukcyjność własna oznaczenie wielkości nazwa Układ SI oznaczenie Jednostka L henr [H] [H = Wb A = V s A przeliczenie kg m2 = Ω s = A 2 s 2 SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Opisz budowę cewki. 2. Wymień rodzaje obwodów magnetycznych cewek. 3. Co to jest strumień magnetyczny skojarzony? 4. Co to jest indukcyjność własna cewki? 5. Od czego zależy indukcyjność własna cewki? 6. Podaj wzór na indukcyjność własną cewki.

31 INDUKCYJNOŚĆ WZAJEMNA CEWEK Indukcyjność wzajemna cewek ZAGADNIENIA Sprzężenie magnetyczne Strumień magnetyczny główny oraz rozproszenia Współczynnik sprzężenia Współczynnik rozproszenia Indukcyjność wzajemna cewek Rozpatrzmy następujący przypadek prąd płynący przez cewkę wytwarza pole magnetyczne. Jeżeli umieścimy obok niej inną cewkę, to pole magnetyczne pierwszej cewki będzie ją obejmować. Czyli strumień magnetyczny wytworzony przez pierwszą cewkę przenika przez drugą cewkę w całości lub częściowo. Takie samo zjawisko nastąpi, gdy zamiast cewek będą inne elementy, np. przewód lub zezwoje przewodu. Podsumowując, dwa elementy są sprzężone magnetycznie, gdy są tak położone względem siebie, że pole magnetyczne pierwszego przenika przynajmniej częściowo przez drugi element. Na rysunku 4.11 przedstawiono dwie cewki sprzężone magnetycznie. Cewka pierwsza ma N 1 zwojów i płynie przez nią prąd I 1, który wytwarza strumień F 11. Strumień ten obejmuje całkowicie cewkę pierwszą, czyli strumień magnetyczny skojarzony z cewką pierwszą wynosi: Y 11 = N 1 F 1 11 s1 N 1 N 2 g1 s1 Rys Sprzężenie magnetyczne dwóch cewek N 1, N 2 liczby zwojów cewek, F 11, F 22 strumienie magnetyczne cewek, F g1 strumień główny, F s1 strumień rozproszenia

32 30 MATERIAŁY STOSOWANE W ELEKTROTECHNICE I ELEKTRONICE Stosowanie aluminium Aluminium jest wykorzystywane jako materiał przewodowy wtedy, gdy użycie droższej miedzi nie jest konieczne, a zastosowanie aluminium jest korzystniejsze ze względów ekonomicznych, a czasami także technicznych. Przykładowo, porównajmy dwa przewody: miedziany i aluminiowy, jednakowej długości i wartości rezystancji. Rezystancję przewodu określamy wzorem: R = l Sg Na podstawie wzoru (5.1) i założeniu równości obu rezystancji po wstawieniu wartości konduktywności zawartych w tabeli 5.2 otrzymamy: S AL = g Cu = 59,77 S Cu g AL 38,2 = 1,56 Można więc stwierdzić, że przewód aluminiowy musi mieć o 56% większy przekrój od przewodu miedzianego, aby uzyskać taką samą przewodność. W celu porównania masy obu przewodów korzystamy z wzoru: gdzie: d gęstość (masa właściwa). m = Sld Po wstawieniu odpowiednich wartości gęstości otrzymujemy: m AL = S ALd AL 1,56 2,7 m Cu S Cu d Cu 8,9 = 0,47 Na tej podstawie można stwierdzić, że przewód aluminiowy jest prawie o połowę lżejszy, co pozwala zmniejszyć koszty konstrukcji nośnych i słupów. Zwiększenie średnicy przewodów wpływa także na ograniczenie strat w wyniku ulotu w liniach wysokiego napięcia. Zastosowanie aluminium i jego stopów Aluminium używa się do produkcji: żył przewodów i kabli, odlewów wirników klatkowych silników asynchronicznych, folii wykorzystywanych w budowie kondensatorów stosuje się czyste aluminium 99,9%. Aluminium wchodzi w skład elementów konstrukcyjnych. Ze względu na wymagania wytrzymałościowe używa się w tym przypadku odpowiednich stopów aluminium. Należą do nich: duraluminium (np. AlCu 3 Mg 1 ) stopy aluminium z dodatkami miedzi, manganu, magnezu, także z domieszkami krzemu, żelaza; siluminy (np. AlSi 9 ) stopy aluminium z krzemem. Łączenie aluminium ze sobą oraz z innymi materiałami Elementy aluminiowe mogą być łączone ze sobą przez: lutowanie, spawanie, połączenia zaciskowe.

33 MATEWRIAŁY PRZEWODZĄCE PRZEWODOWE 31 Rys Przykłady złączek, podkładek i przejściówek cupalowych Połączenia zaciskowe można stosować tylko w przypadku połączeń gołych przewodów linii napowietrznych ze względu na zmniejszoną wytrzymałość przewodów na rozciąganie. Wtedy powszechnie stosuje się połączenia zaciskowe, zwykle za pomocą złączek karbowanych. Należy pamiętać, że w przypadkach aluminiowych połączeń szynowych oraz przewodów instalacyjnych, w których stosuje się łączenia zaciskowe skręcane śrubami, przy znacznych naprężeniach ściskających występuje zjawisko pełzania ( aluminium płynie ). Polega ono na zwiększeniu w aluminium odkształceń przy niezmienionej wartości naprężeń. W połączeniu pojawia się obluzowanie, wzrasta rezystancja przejścia, a to pociąga za sobą wzrost temeratury złącza i intensywniejsze utlenianie powierzchni styku. Przy małych mocach może to doprowadzić do przerwy w obwodzie, przy dużych mocach może nastąpić całkowite wytopienie styku. Zjawisko to można wyeliminować, dzięki zastosowaniu w złączach zaciskowych stalowych podkładek sprężynujących, które niwelują luzowanie się styków. W przypadku połączeń aluminium z miedzią, kiedy pojawia się wilgoć, występuje korozja elektrolityczna aluminium polegająca na utlenianiu i korozji aluminium stykającym się z miedzią. To zjawisko usuwa się poprzez stosowanie przekładek, złączek i przejściówek cupalowych. Elementy te składają się z dwóch materiałów aluminium i miedzi, które są zespolone w procesie produkcji. Przykładowe złączki, podkładki i przejściówki cupalowe pokazano na rys Stal Stal jest stopem żelaza z węgla. Żelazo ma małą konduktywność (g 20 = 10,3 MS/m), która jest niższa od przewodności miedzi i aluminium. Po dodaniu domieszek konduktywność stali ulega kilkakrotnemu zmniejszeniu. Cecha ta z punku widzenia zastosowań w produkcji przewodów stanowi wadę, która jest rekompensowana przez: niewielką cenę stali, dużą wytrzymałość mechaniczną, odporność na korozję, szczególnie po pokryciu powierzchni cynkiem.

34 32 OBWODY PRĄDU PRZEMIENNEGO 9.3 Elementy R, L, C w obwodach prądu sinusoidalnie zmiennego ZAGADNIENIA Rezystor R w obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego Cewka L w obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego Kondensator C w obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego Rezystor w obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego Napięcie sinusoidalnie zmienne przyłożone do rezystora wywołuje także przepływ prądu sinusoidalnie zmiennego. Schemat obwodu, przebiegi prądu i napięcia oraz ich wykresy wektorowe zostały przedstawione na rys Napięcie w obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego nazywamy napięciem sinusoidalnie zmiennym (przemiennym). Z przebiegów prądu i napięcia wynika, że rezystor nie wprowadza przesunięcia fazowego (j = 0). Odzwierciedlają to też wektory wirujące, ponieważ są do siebie równoległe. Ze schematu obwodu wynika, że napięcie zasilania jest jednocześnie napięciem na rezystorze u(t) = u R (t). Postać czasową napięcia wyraża się wzorem: u(t) = u R (t) = U mr sin(wt + y u ) Rys Rezystor w obwodzie prądu zmiennego: a) schemat obwodu, b) przebiegi prądu i napięcia oraz wykres wektorowy oparty na ich amplitudach

35 Klub Nauczyciela uczę.pl cenną pomocą dydaktyczną! Co można znaleźć w Klubie Nauczyciela? podstawy programowe programy nauczania materiały metodyczne: rozkłady materiału, plany nauczania, plany wynikowe, scenariusze przykładowych lekcji materiały dydaktyczne i ćwiczeniowe klucze odpowiedzi do zeszytów ćwiczeń

36 Kursy: System Certyfikacji Zawodowych WSiP Profesjonalny i kompleksowy system kształcenia i certyfikacji w obszarze uczenia się przez całe życie lifelong learning. Wyróżnij się zawodowo! zawodowe języków obcych zawodowych (angielski, niemiecki) z różnych branż Walidacja i certyfikacja kompetencji zawodowych Zawody wpisane do Międzynarodowego Standardu Klasyfikacji Zawodów ISCO Umiejętności zawodowe najbardziej poszukiwane na rynku pracy w Polsce i Europie Najpopularniejsze branże i zawody Profesjonalne materiały edukacyjne opracowane przez lidera rynku publikacji zawodowych w Polsce Sieć akredytowanych placówek szkoleniowych i egzaminacyjnych Akredytowani wykładowcy i egzaminatorzy Więcej informacji na stronie