PRZEWODNIKI ELEKTRYCZNO CI I IZOLATORY

Transkrypt

1 ELEKTROTECHNIKA Z elektrycznoci stykasz si wszdzie. Poznajesz coraz wicej skutków jej oddziaływania. Na przykład, pierwotnych ludzi przeraała błyskawica, uderzenie pioruna, jego niszczycielskie skutki. Te wielkie wyładowania elektryczne nam ju s dobrze znane. Boimy si burzy, ale wiemy, e cho moc elektryczna wyładowa atmosferycznych jest olbrzymia, to jednak - ze wzgldu na krótki czas tych wyładowa - ich energia nie jest dua. Nie opłaca si nawet korzysta z tego naturalnego ródła energii elektrycznej. Musimy natomiast coraz lepiej zapobiega negatywnym skutkom wyładowa elektrycznych. Pierwszy zadbał o to Benjamin Franklin w roku 1752, instalujc na wiey kocioła piorunochron. Uczeni cigle odkrywaj co nowego z zakresu elektrycznoci i daj tym podstawy do konstruowania coraz to lepszych urzdze. wiadectwem tego jest bardzo szybki rozwój elektroniki, komputerów, rónego sprztu elektronicznego i elektrycznego. Na pewno chcesz, eby urzdzenia, z którymi stykasz si na co dzie, nie były Ci obce, nieprzyjazne, a nawet czasem niebezpieczne. Musisz wiedzie, e ta poyteczna elektryczno, która jest w domu, w kadym gniazdku elektrycznym, dostpna dla kadego, moe człowieka porazi. Doprowadzona do urzdzenia dua energia pomaga Ci pracowa, uwalnia od fizycznego wysiłku. Ale czasem wymyka si spod Twojej kontroli, zwłaszcza wtedy, kiedy popełnisz błd w obsłudze sprztu elektrycznego. Tylko wiedza i umiejtnoci praktyczne z zakresu elektrotechniki mog Ci ustrzec przed wypadkiem. Wiedz t bdziesz czerpał z rónych ródeł. Na lekcjach fizyki poznasz fizyczne podstawy elektrotechniki i elektroniki, a na lekcjach techniki zetkniesz si z rónymi sytuacjami, w których zjawiska te bd miały zastosowanie praktyczne. Na zajciach z techniki bdziesz poznawał elektrotechnik poczwszy od przewodników i izolatorów, potem dowiesz si, jak si wytwarza energi elektryczn. Poznasz sposoby korzystania z tej energii. Zadania praktyczne bd dotyczyły obsługi urzdze, montau bardzo prostych przedmiotów technicznych i projektowania elementarnych układów lub zmian w układach. Pomiary elektryczne bd zwizane głównie z zadaniami praktycznymi, a zagadnienia bhp, ekonomii i ekologii bd powizane z rónymi tematami zaj. PRZEWODNIKI ELEKTRYCZNOCI I IZOLATORY W elektrotechnice stosuje si wiele rónych materiałów. Ogólnie mona je podzieli na trzy grupy: przewodzce prd elektryczny (przewodniki), nie przewodzce prdu elektrycznego (izolatory), półprzewodniki. Do materiałów przewodzcych prd elektryczny nale metale, np. srebro, mied, aluminium, mosidz, stal i stopy oporowe. Do materiałów nie przewodzcych prdu elektrycznego nale np. ceramika, jedwab, papier, oleje, powietrze.

2 Sdz, e podasz jeszcze wicej przykładów tych materiałów. Moe te wyrónisz z nich takie materiały, które przewodz prd elektryczny bardzo dobrze i takie, które przewodz gorzej, a take bardzo dobre izolatory i gorsze izolatory. Przewodniki elektrycznoci Z materiałów przewodzcych prd elektryczny na pewno wyróniłe mied i jej stopy, gdy ze wzgldu na swoje cenne właciwoci (przede wszystkim mał oporno właciw) nale one do materiałów najszerzej stosowanych w przemyle elektrotechnicznym. Około połowy wiatowego zuycia miedzi przeznaczone jest na cele tego przemysłu. Kady materiał przewodzcy prd elektryczny ma swoj okrelon rezystancj (w fizyce stosuje si okrelenie: oporno elektryczna). Jednak warto tej rezystancji ronie w funkcji temperatury. Na przykład rezystywno (oporno właciwa) wolframu wynosi w temperaturze 20 C - 0,055 [Omm 2 /m], w temperaturze 1200 C - 0,4[Omm 2 /m],a w temperaturze 2400 C - 0,85[Omm 2 /m]. W temperaturach bardzo niskich, bliskich zeru bezwzgldnemu, niektóre ciała trac rezystancj. Staj si nadprzewodnikami. Prowadzi si badania naukowe w zakresie nadprzewodnictwa w celu wykorzystania tego zjawiska w technice. Elektrotechników interesuj nie tylko materiały o małej rezystywnoci. Wykorzystuj oni równie materiały, które maj wysze od miedzi rezystywnoci, np. konstantan (Cu 55% i Ni 45%) - 0,458[Omm 2 /m], Konstantan i inne materiały oporowe stosowane s w rónych grzejnikach. Materiały oporowe, ze wzgldu na róne temperatury pracy dzieli si na trzy grupy. Do pierwszej grupy nale materiały o niskiej temperaturze pracy (do 500 C),do drugiej - o redniej (500-s-lOOO C) i trzeciej - o wysokiej temperaturze pracy (powyej 1000 C). Na przykład stosowana w grzejnikach chromonikielina (Ni 80% i Cr 20%) ma temperatur topnienia 1400 C, a najwysz temperatur zastosowania 1150 C. Tkaniny grzejne stosowane na poduszki i kołdry elektryczne zawieraj cienki drut oporowy z konstantatu lub chromonikieliny owinity rubowo na nici szklanej. 1. Czy znasz metale lepiej przewodzce prd elektryczny ni mied? 2. Na jakie grupy moesz podzieli materiały oporowe? 3. Wymie urzdzenia elektryczne, w których s zastosowane materiały oporowe. 4. Jak moc maj urzdzenia w Twoim domu, w których zastosowano grzałki elektryczne?

3 Izolatory Znaczenie materiałów izolacyjnych w elektrotechnice jest ogromne, poniewa maj one za zadanie przeciwdziała przepływowi prdu elektrycznego w niepodanym kierunku. W gospodarstwie domowym lekcewaymy czsto izolacyjne elementy urzdze elektrycznych i z tego powodu dochodzi do wielu wypadków, porae prdem elektrycznym, poparze i poarów. Istnieje wiele materiałów izolacyjnych pochodzenia rolinnego, zwierzcego i mineralnego, równie z tworzyw syntetycznych. Ich klasyfikacj mona przeprowadzi na podstawie rónych kryteriów. Ze wzgldu na stan skupienia oraz pochodzenie materiały te mona podzieli na: gazowe, płynne i stałe. Inny sposób klasyfikacji opiera si na odpornoci materiałów izolacyjnych na temperatur. Okres trwałoci właciwoci izolacyjnych zaley bowiem od rodzaju materiału i od temperatury pracy. Na przykład obnienie temperatury pracy o 8 C - w stosunku do temperatury znamionowej - dla izolacji bawełnianej, papierowej nasyconej lakierami olejowymi podwaja czas trwania izolacji; gdy podwyszymy o 8 C temperatur, to czas trwania izolacji skraca si o połow. Pamitaj o tym, e nawet tak odporne na temperatur materiały, jak ceramika, szkło maj ograniczon najwysz temperatur pracy cigłej. Pamitaj równie o tym, e w kadym materiale nie przewodzcym prdu elektrycznego moe doj do przepływu prdu w okrelonych warunkach (wysoka temperatura, silne pole elektryczne, wilgo). Kady materiał izolacyjny posiada bowiem wolne elektrony lub jony, które w pewnych warunkach mog przewodzi prd. Tylko w próni nie ma zupełnie noników elektrycznych. Jako izolatorów okrela si na podstawie ich właciwoci elektrycznych. Jedn z nich jest wytrzymało na napicie (przebicie). Przebicie powietrza pomidzy elektrodami płaskimi odległymi o 1 cm wynosi ponad V (30,2-31,6 kv). Wytrzymało na przebicie ronie proporcjonalnie wraz z cinieniem atmosferycznym. 1. Wymie urzdzenia elektryczne, w których zastosowano izolacj z tworzyw sztucznych i materiałów pochodzenia mineralnego. 2. Które urzdzenia domowe zawieraj układ wysokiego napicia? Okrel w przyblieniu wysoko napicia. 3. Czym grozi przebicie izolacji w układzie wysokiego napicia? 4. W jakich warunkach czci izolacyjne domowych urzdze elektrycznych mog przewodzi prd? Czy bezpieczne jest korzystanie w łazience z suszarki do włosów?

4 WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ Prdnice Obecnie najwicej energii elektrycznej powstaje w uzwojeniach rónych prdnic. Dowiesz si z lekcji fizyki, e w przewodniku powstaje napicie elektryczne wtedy, kiedy ten przewodnik znajduje si w zmiennym polu magnetycznym. S moliwe takie sytuacje, e przewodnik porusza si w polu magnetycznym, np. trwałego magnesu, lub odwrotnie - trwały magnes porusza si i wtedy pole magnetyczne zmienia si wokół stojcego przewodnika. Moliwa jest te trzecia sytuacja, e ani magnes, ani przewód nie poruszaj si. Dzieje si tak, gdy trwały magnes zastpimy elektromagnesem i jego uzwojenie jest zasilane zmieniajcym si prdem (zmienia si kierunek lub warto). Wtedy midzy biegunami elektromagnesu powstanie zmienne pole magnetyczne, które indukuje napicie elektryczne w nieruchomym przewodzie znajdujcym si w tym polu. Według takiej zasady działaj transformatory: podwyszaj lub obniaj napicie przemienne. Według pierwszej lub drugiej zasady działaj prdnice, i ta mała w Twoim rowerze, i ta wielka w elektrowni. Wiesz na pewno, e kady samochód musi mie swoj prdnic. We współczesnych samochodach prdnice prdu przemiennego zwane s alternatorami. W alternatorach prd jest wytwarzany w uzwojeniach stojana, tj. w elementach nieobracajcych si. Natomiast wirnik jest magnesem lub elektromagnesem, do którego prd elektryczny o małym nateniu doprowadzany jest przez piercienie i małe wglowe szczotki. W zalenoci od obcienia alternatora, warto tego prdu jest zmieniana regulatorem elektronicznym. Jest on przymocowany do konstrukcji alternatora, w którego obudowie znajduje si te elektroniczny, diodowy prostownik. Elektroniczne elementy obu tych układów s wraliwe na zbyt wysokie napicie. Alternator w swej budowie jest podobny do wielkich prdnic (generatorów) w elektrowniach. Z jego uzwoje otrzymuje si prd trójfazowy, tak jak z generatora elektrowni. Silnik sprzony z prdnic nazywa si agregatem prdotwórczym, a w elektrowni turbogeneratorem. Same prdnice w czasie swojej pracy nie zanieczyszczaj naturalnego rodowiska, nie liczc promieniowania elektromagnetycznego, które zawsze towarzyszy przepływowi prdu przemiennego. Natomiast zanieczyszczaj rodowisko silniki napdzajce prdnice. Najbardziej te silniki, dla których nonikiem energii jest wgiel. Czyste, ekologiczne s elektrownie wykorzystujce energi wiatru, wody i słoca. W naszym kraju w niewielkim stopniu korzysta si z tych ródeł. 1. Rozbierz zepsut prdnic rowerow, eby zobaczy, co si w te] prdnicy obraca: magnes czy cewki. Opisz, jak jest odprowadzone napicie z cewki prdnicy rowerowej.

5 2. Czy miniaturowy silnik do zabawek moe wytwarza napicie przy obracaniu jego wirnika? Jak moesz to sprawdzi praktycznie? 3. Czy prdnica rowerowa wytwarza napicie przemienne czy stale? Jak moesz to sprawdzi? 4. Czy prdnica prdu stałego moe te pełni funkcj silnika? Ogniwa galwaniczne W 1786 roku Luigi Galvani dokonał słynnego odkrycia, e przy jednoczesnym dotkniciu minia wypreparowanej koczyny aby dwoma rónymi metalami połczonymi ze sob jednym kocem - misie kurczy si. Od jego nazwiska wywodz si nazwy zwizane z procesami galwanicznymi, np. ogniwo galwaniczne. Pierwszym ródłem energii elektrycznej, które miało praktyczne zastosowania, było ródło chemiczne. Aleksander Volta zbudował w 1800 roku ogniwo galwaniczne, do którego uył kwasu siarkowego jako elektrolitu, a płytek cynkowych i miedzianych jako elektrod. Badał za pomoc tego ogniwa wpływ bodców elektrycznych na róne narzdy. Od jego nazwiska pochodzi nazwa jednostki napicia elektrycznego volt (V). Ogniwo, które zbudował, miało napicie równe 1,1 V. Ogniwo Volty nie miało wikszego zastosowania w praktyce. Due zastosowanie praktyczne znalazło dopiero ogniwo Leclanchego. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego wynalazcy Georgesa Leclanchego, który opatentował je w 1866 roku. W ogniwie Leclanchego elektrod dodatni jest specjalnie spreparowany wgiel, elektrod ujemn cynk, elektrolitem za jest roztwór chlorku amonu (salmiaku). Jest to najprostszy, a zarazem najstarszy rodzaj ogniwa stosowany do dzi. Współczesn jego konstrukcj przedstawia rysunek 10. W ogniwie tym zachodz procesy chemiczne midzy cynkiem, chlorkiem amonu i dwutlenkiem manganu, powodujc powstanie siły elektromotorycznej (SEM) o wartoci 1,5 V. Cech charakterystyczn ogniwa jest jego pojemno elektryczna mierzona w amperogodzinach. Pojemnoci elektryczn ogniwa nazywamy ilo energii elektrycznej, któr moe wytworzy ogniwo na drodze przemian chemicznych a do chwili jego wyczerpania. Kolejnym parametrem ogniwa jest jego rezystancja wewntrzna wyraona w omach. Ogniwo Leclanchego naley do grupy ogniw nieodnawialnych, tzn. e nie mona go naładowa prdem, tak jak akumulatora. Próba ładowania ogniwa jest niebezpieczna, bowiem grozi wybuchem gazów. Do ogniw nieodnawialnych nale alkaliczne ogniwa manganowe powszechnie stosowane jako popularne ogniwa o długim czasie ycia (ryc. 11). SEM tego ogniwa wynosi 1,5 V, jego czas ycia i pojemno s kilkakrotnie wiksze ni ogniwa Leclanchego. Inne ogniwa nieodnawialne to: * tlenkowo-srebrowe - stabilne SEM o wartoci 1,5 V, drogie; stosowane w zegarkach i aparatach słuchowych,

6 * litowe - SEM od 3,8 do 3,0 V, majce bardzo dobry stosunek magazynowanej energii do rozmiarów, długi czas magazynowania (90% pojemnoci po 5 latach); stosowane jako baterie podtrzymujce (back up batteries) w pamiciach komputerowych o małym poborze mocy. Baterie Bateria jest zbudowana z jednakowych ogniw połczonych szeregowo w celu uzyskania wikszego napicia. Na przykład płaska bateria do latarki jest złoona z trzech połczonych szeregowo ogniw Leclanchego. Jej napicie wynosi 3 x 1,5 V = 4,5 V, a pobór prdu nie powinien przekracza 0,5 A. Napicie na zaciskach baterii równa si sumie napi ogniw. Gdy czerpany prd jest wikszy od znamionowego, moe powsta gwałtowny spadek napicia na zaciskach baterii. Szeregowo mona łczy zarówno odnawialne, jak i nieodnawialne ródła energii elektrycznej. Na przykład w akumulatorze samochodowym (odnawialny) jest połczonych szeregowo sze ogniw kwasowo--ołowiowych, co daje na zaciskach akumulatora 6x2V= 12 V. Rezystancje wewntrzne ogniw połczonych szeregowo te sumuj si tak, jak ich napicia. Czasami łczy si ogniwa równolegle w celu zwikszenia wydajnoci prdowej i pojemnoci bez zwikszania napicia. Rezystancja dwóch jednakowych ogniw połczonych równolegle równa jest połowie rezystancji jednego ogniwa. 1. Opisz budow wybranego ogniwa galwanicznego. 2. Dlaczego ogniwa nieodnawialne nie mog by ładowane prdem? 3. Do jakich urzdze stosujesz baterie? Podaj parametry tych baterii. 4. Od czego zaley pojemno elektryczna baterii, a od czego napicie? 5. Jak mona wykona bateri 12-woltow z pojedynczych ogniw? 6. W naszym kraju nie zbiera si zuytych baterii w celu ich wykorzystania jako surowca wtórnego. Jakie rozwizanie zaproponowałby, aby zapobiec zatruwaniu rodowiska przez zuyte baterie?