Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Podstawowe elementy elektryczne Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Podstawowe elementy elektryczne Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński."— Zapis prezentacji:

1 Podstawowe elementy elektryczne Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński

2 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 2 Na tym wykładzie Cel: określenie właściwości podstawowych elementów obwodu elektrycznego. Zakres: Właściwości elektryczne środowisk, Rodzaje elementów elektrycznych, Rezystancja i rezystory, Kondensator, Cewka, Źródła napięcia i prądu.

3 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 3 Klasyfikacja elektryczna środowisk Przewodniki, które z łatwością przewodzą prąd, gdyż występują w nich swobodne nośniki ładunku (np. elektrony w metalach, jony w elektrolitach), Izolatory (dielektryki), które nie przewodzą prądu stałego, gdyż nie ma w nim swobodnych ładunków, Półprzewodniki, zajmują miejsce pośrednie pomiędzy przewodnikami a dielektrykami. 1Właściwości elektryczne

4 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 4 Fizyczne podstawy przewodnictwa Elektrony w ciałach związane są zwykle z atomami. Aby wyrwać elektron z atomu, potrzebna jest pewna energia. W izolatorach energia ta jest duża, dlatego w normalnym stanie wszystkie elektrony są związane w cząsteczkach i brak jest swobodnych ładunków. W metalach energia ta jest bliska zeru, więc w normalnym warunkach jest wiele swobodnych ładunków. W półprzewodnikach energia ta jest niezbyt duża; w normalnym stanie są one izolatorami, ale dostarczenie niewielkiej energii powoduje wyrwanie elektronów z powłok atomowych, czyli wytworzenie ładunków swobodnych. Właściwości elektryczne

5 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 5 Konduktywność Właściwości elektryczne środowiska charakteryzuje tzw. konduktywność n – ilość ładunków q w objętości V, μ – tzw. ruchliwość ładunków. Jednostką konduktywności jest 1 S/m (simens na metr), przy czym 1 S = 1 A/V. Konduktywność środowisk fizycznych przyjmuje wartości od S/m dla izolatorów do ponad 10 7 S/m dla metali. Właściwości elektryczne

6 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 6 Rezystywność Rezystywność to odwrotność konduktywności Jednostką rezystywności jest 1 Ωm (om razy metr), przy czym 1 Ω = V/A = 1/S. Używa się też jednostek Ωmm 2 /m, które są wygodniejsze w praktyce. Dany materiał tym lepiej przewodzi prąd, im większą ma konduktywność, czyli im mniejszą ma rezystywność. Właściwości elektryczne

7 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 7 Zależność od temperatury Rezystywność przewodników i półprzewodników zmienia się wraz z temperaturą w przybliżeniu wg wzoru T – temperatura wyrażona w stopniach Celsjusza, ρ(T) – rezystywność w temperaturze T, ρ 20 – rezystywność w temperaturze 20 °C, α, β – współczynniki charakterystyczne dla materiału. T ρ Typowy przewodnik Typowy półprzewodnik Właściwości elektryczne

8 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 8 Przewodniki Materiały przewodzące służą do prowadzenia prądu wzdłuż określonej drogi, np. wzdłuż przewodów. Konduktywność dobrych przewodników jest rzędu 10 7 S/m (metale), słabszych 10 2 S/m (woda nie destylowana). Konduktywność metali maleje wraz ze wzrostem temperatury. Przewodnik γ, S/m Srebro6, Miedź5, Złoto4, Glin3, Wolfram1, Żelazo1, Ołów0, Woda pitna0,05 Woda morska5 Właściwości elektryczne

9 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 9 Dielektryki Dielektryki służą do blokowania przepływu prądu (izolowania części obwodu elektrycznego). Konduktywność idealnego dielektryka wynosi 0. Dielektryki rzeczywiste mają konduktywność rzędu do S/m. Przyłożenie dużego napięcia do dielektryka powoduje jego jonizację i wtedy staje się on przewodnikiem (np. plazma). Dielektryk γ, S/m idealny0 teflon10 24 do szkło10 14 do parafina10 17 siarka10 15 guma10 13 gazyzależnie od warunków Właściwości elektryczne

10 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 10 Półprzewodniki Półprzewodniki znalazły szereg zastosowań w elektronice (diody, tranzystory, tyrystory) i w technice mikroprocesorowej. Konduktywność półprzewodników zależy od wielu czynników zewnętrznych, np. natężenia pola elektrycznego, temperatury, oświetlenia, sposobu obróbki, domieszkowania i może zmieniać się od 10 8 do 10 6 S/m. Wykorzystuje się to do budowy różnych czujników i elementów sterujących. Wraz ze wzrostem temperatury konduktywność półprzewodników rośnie (rezystywność maleje). Właściwości elektryczne

11 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 11 Element obwodu elektrycznego Elementem obwodu elektrycznego nazywamy jego część niepodzieloną pod względem funkcjonalnym bez utraty jej właściwości charakterystycznych, mającą wyprowadzony końcówki (zaciski). W elementach elektrycznych zachodzą trzy rodzaje procesów fizycznych: – Wytwarzanie energii, a ściślej przetwarzanie energii na jej formę elektryczną, – Akumulacja energii, – Rozpraszanie energii, a ściślej przetwarzanie jej formy elektrycznej w inne formy (np. cieplną, świetlną, mechaniczną). 2Elementy obwodu elektrycznego

12 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 12 Elementy idealne i rzeczywiste Element nazywamy idealnym, jeżeli następuje w nim tylko jeden z wyżej wymienionych procesów energetycznych. W rzeczywistych elementach występują co najmniej dwa z wymienionych procesów fizycznych. Elementy obwodu

13 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 13 Elementy pasywne i aktywne Element nazywamy pasywnym, jeżeli nie posiada zdolności do wytwarzania energii elektrycznej, Element nazywamy aktywnym, jeżeli posiada zdolność do wytwarzania energii elektrycznej. Element pasywny, w którym energia jest zamieniana na inną formę i rozpraszana, nazywamy dyssypatywnym lub rozpraszającym (np. rezystor). Elementy pasywny akumulujący energię w sposób odwracalny nazywa się elementem zachowawczym (np. kondensator, cewka). Elementy obwodu

14 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 14 Klasyfikacja elementów elektrycznych Elementy el. Pasywne Dyssypatywne Rezystor Zachowawcze KondensatorCewka Aktywne Źródło napięcia Źródło prądu Akumulacja lub rozpraszanie energii Wytwarzanie energii, ewentualnie akumulacja lub rozpraszanie energii Elementy obwodu

15 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 15 Elementy liniowe i nieliniowe Element nazywamy liniowym, jeżeli opisany jest równaniem algebraicznym lub różniczkowym liniowym. W elementach takich zachodzi proporcjonalność skutku do przyczyny, np. dwukrotny wzrost napięcia powoduje dwukrotny wzrost prądu. Element nieliniowy opisany jest równaniem algebraicznym lub różniczkowym nieliniowym. W elementach nieliniowych brak proporcjonalności skutku do przyczyny, np. dwukrotny wzrost napięcia nie powoduje dwukrotnego wzrostu prądu. Najpierw będziemy zajmować się tylko elementami liniowymi. Elementy obwodu

16 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 16 Elementy stacjonarne i niestacjonarne Element jest stacjonarny, jeżeli jego właściwości nie ulegają zmianie wraz z upływem czasu. Element jest niestacjonarny (parametryczny), jeżeli jego właściwości (parametry) ulegają zmianie wraz z upływem czasu (np. wskutek starzenia, wskutek okresowości pewnych zjawisk). Będziemy się zajmować tylko elementami stacjonarnymi. Elementy obwodu

17 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 17 Elementy odwracalne i nieodwracalne Element jest odwracalny, jeżeli ma takie same właściwości niezależnie od biegunowości przyłożonego napięcia (np. rezystor). Element jest nieodwracalny, jeżeli jego właściwości zależą od biegunowości przyłożonego napięcia (np. dioda). Najpierw zajmiemy się elementami odwracalnymi, a niektóre elementy nieodwracalne omówimy w dalszej kolejności. Elementy obwodu

18 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 18 Dwójniki i wielobiegunniki Element mający dwa zaciski nazywamy dwójnikiem (np. rezystor, cewka, bateria). Element mający więcej zacisków nazywamy wielobiegunnikiem (np. tranzystor jest trójnikiem, gdyż ma trzy zaciski). Elementy obwodu

19 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 19 Elementy niesterowane i sterowane Element niesterowany charakteryzuje się tym, że jego parametry nie zależą od prądu lub napięcia w innej części obwodu. Element sterowany charakteryzuje się tym, że jego parametry zależą od prądu lub napięcia w innej części obwodu. Najczęściej spotykanymi elementami sterowanymi są niektóre źródła napięcia lub prądu. W dalszej części wykładu będziemy się zajmować prawie tylko elementami niesterowanymi. Elementy obwodu

20 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 20 Rezystor (idealny) Rezystor (opornik) jest dwójnikiem pasywnym dyssypatywnym, w którym zachodzi przemiana energii elektrycznej na cieplną. Nazwa pochodzi od tego, że stawia on prądowi elektrycznemu pewien opór, ograniczając jego natężenie. Rezystory wykonuje się materiałów niezbyt dobrze przewodzących. Na schematach elektrycznych rezystor symbolizuje się białym prostokątem z dwoma końcówkami (zaciskami). 3Rezystor i rezystancja

21 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 21 Prawo Ohma Napięcie na zaciskach rezystora związane jest z przepływającym przez niego prądem tzw. prawem Ohma: gdzie R jest tzw. rezystancją (o niej dalej). Dotyczy to dowolnych przebiegów prądu i napięcia, nie tylko prądu stałego. W szczególności dla prądu stałego i u R U I I = U/R Rezystor i rezystancja

22 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 22 Rezystancja Iloraz napięcia U na zaciskach rezystora i prądu I płynącego przez niego nazywa się rezystancją (oporem) i oznacza R Jednostką rezystancji jest 1 Ω (om) Rezystory liniowe mają wartość rezystancji niezależną od płynącego przez niego prądu ani od napięcia na jego zaciskach. Rezystor i rezystancja

23 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 23 Konduktancja Odwrotność rezystancji R nazywamy konduktancją Jednostką konduktancji jest 1 S (simens) Rezystor i rezystancja

24 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 24 Rezystancja a wymiary ciała Rezystancja przewodu o długości l i stałym przekroju poprzecznym o polu S wynosi gdzie γ – konduktywność materiału, z którego wykonany jest przewód, ρ = 1/γ – rezystywność. Im dłuższy przewodnik, tym większa rezystancja. Im większy przekrój, tym mniejsza rezystancja. Rezystancja zależy od temperatury, gdyż zależy od niej rezystywność ρ. S l γ Rezystor i rezystancja

25 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 25 Przykład – rezystancja Jaki prąd popłynie w przewodzie miedzianym o długości l = 10 m i polu przekroju poprzecznego S = 0,5 mm 2, jeżeli pomiędzy jego końcami występuje napięcie U = 1 V? Rezystor i rezystancja

26 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 26 Rezystor – podsumowanie Rozprasza energię w postaci ciepła, Charakteryzuje się rezystancją R, która w przypadku rezystora liniowego nie zależy od napięcia i prądu, ale zależy od temperatury, Prąd, napięcie i rezystancja związane są prawem Ohma, Rezystancja R i konduktancja G = 1/R cechują konkretny rezystor, podczas gdy rezystywność ρ i konduktywność γ = 1/ρ cechują materiał, z którego można wykonać rezystor. Rezystor i rezystancja

27 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 27 Idealne źródło napięcia stałego Idealne źródło napięcia stałego to element aktywny, na zaciskach którego panuje napięcie U = const niezależne od płynącego przez niego prądu. Napięcie źródłowe nazywa się siłą elektromotoryczną (SEM) i często oznacza E lub E. Na schematach elektrycznych źródła napięcia oznacza się jednym z trzech symboli. U I U U I U I U I 4Elementy źródłowe

28 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 28 Rzeczywiste źródło napięcia Rzeczywiste źródło napięcia charakteryzuje się tym, że wraz ze wzrostem prądu napięcie na jego zaciskach zmniejsza się. Można to uwzględnić za pomocą rezystora R w, którego wartość interpretuje się jako rezystancję wewnętrzną źródła. Rezystancja wewnętrzna źródła napięciowego powinna być jak najmniejsza. W rzeczywistości wewnątrz rzeczywistego źródła nie ma oddzielnie idealnego źródła i rezystancji, lecz SEM E i rezystancja R w rozłożone są w całym obszarze źródła. Fikcyjne rozdzielenie SEM i rezystancji wewnętrznej jest wygodne w obliczeniach. U I E Uidealne rzeczywiste E I U RwRw UwUw Elementy źródłowe

29 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 29 Przykłady rzeczywistych źródeł napięcia Wszelkiego rodzaju baterie chemiczne, Akumulatory, Prądnice prądu stałego, Ogniwa fotowoltaiczne, Zasilacze sieciowe z prostownikiem (np. ładowarki komórek), Termopary (połączenia dwóch różnych metali). Istotą działania źródła napięcia jest to, że pewne siły (np. chemiczne w bateriach, magnetyczne w prądnicach) wymuszają różnicę potencjałów pomiędzy zaciskami źródła. Elementy źródłowe

30 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 30 Idealne źródło prądu stałego Idealne źródło prądu stałego to element aktywny, przez który płynie prąd I = const niezależne od napięcia panującego na jego zaciskach. Prąd źródłowy często oznacza się J. Na schematach elektrycznych źródła napięcia oznacza się zazwyczaj jednym z dwóch symboli. U I I U I J I U Elementy źródłowe

31 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 31 Rzeczywiste źródło prądu Rzeczywiste źródło prądu charakteryzuje się tym, że wraz ze wzrostem napięcia na jego zaciskach prąd zmniejsza się. Można to uwzględnić za pomocą rezystora R w, którego wartość interpretuje się jako rezystancję wewnętrzną źródła. Rezystancja wewnętrzna źródła prądowego powinna być jak największa. Zwróćmy uwagę na sposób podłączenia rezystora (równolegle, a nie szeregowo). Fikcyjna struktura w postaci idealnego źródła i równolegle podłączonego rezystora ułatwia obliczenia. U I J I idealne rzeczywiste Elementy źródłowe J I URwRw IwIw

32 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 32 Przykłady źródeł prądu Źródła prądu można zbudować, wykorzystując pewne specyficzne właściwości niektórych elementów elektronicznych lub maszynowych, np. Wzmacniacza operacyjnego (o nim na jednym z dalszych wykładów), Metadyny (rodzaj maszyny elektrycznej prądu stałego mogącej pracować na zasadzie przetwornicy źródła napięcia stałego na źródło prądu stałego). Elementy źródłowe

33 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 33 Charakterystyki rzeczywistych źródeł Porównajmy charakterystyki prądowo-napięciowe rzeczywistych źródeł napięcia i prądu. Obydwie mają taki sam kształt, co oznacza, że przy odpowiednim doborze parametrów jedno źródło można zastąpić drugim, co może ułatwić obliczenia. Z rysunku wynika, że aby obydwie charakterystyki były identyczne, wystarczy spełnić warunek U I E E/R w U I J RwJRwJ Elementy źródłowe

34 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 34 Zamiana rzeczywistego źródła napięcia Rzeczywiste źródło napięcia o SEM równej E i rezystancji wewnętrznej R w można zastąpić rzeczywistym źródłem prądu. Prąd źródłowy oblicza się ze wzoru Rezystancja źródła pozostaje bez zmian, ale jest teraz połączona równolegle. Rozpływ prądów i rozkład napięć w pozostałej części obwodu nie ulegnie przy tym zmianie. E I U RwRw U J I RwRw Elementy źródłowe

35 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 35 Zamiana rzeczywistego źródła prądu Rzeczywiste źródło prądu o prądzie źródłowym J i rezystancji wewnętrznej R w można zastąpić rzeczywistym źródłem napięcia. SEM źródła E oblicza się ze wzoru Rezystancja źródła pozostaje bez zmian, ale jest teraz połączona szeregowo. Rozpływ prądów i rozkład napięć w pozostałej części obwodu nie ulegnie przy tym zmianie. E I U RwRw U J I RwRw Elementy źródłowe

36 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 36 Kondensator Kondensator jest dwójnikiem pasywnym zachowawcznym zdolnym do akumulowania energii w polu elektrycznym. Nazwa pochodzi od tego, że zagęszcza (łac. condensat) on pole elektryczne. Na schematach elektrycznych kondensator oznacza się jako dwie równoległe kreski przerywające obwód. 5Kondensator i pojemność

37 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 37 Budowa i ładowanie kondensatora Kondensator składa się z dwóch przewodzących powierzchni rozdzielonych dielektrykiem. Przewodzące powierzchnie nazywa się okładkami lub okładzinami. Podłączenie kondensatora na napięcie stałe U skutkuje jego naładowaniem, tzn. elektrony z jednej okładki są przenoszone na drugą, wskutek czego jedna okładka zyskuje ładunek dodatni Q, a druga – ujemnyQ (o tej samej wartości bezwzględnej). U okładki dielektryk Kondensator i pojemność

38 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 38 Pojemność elektryczna Pojemnością C kondensatora nazywamy iloraz ładunku Q zgromadzonego na jednej z okładzin to napięcia U panującego między nimi. Jednostką pojemności jest 1 F (farad), przy czym Często używa się mF, μF i nF. Pojemność kondensatora liniowego jest niezależna od napięcia między okładzinami. U +Q+QQ Kondensator i pojemność

39 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 39 Pojemność a wymiary geometryczne Pojemność kondensatora płaskiego wynosi S – pole jednej okładki, d – odległość między okładkami, ε 0 – tzw. Przenikalność elektryczna próżni ( ε 0 8, F/m), ε r – przenikalność względna dielektryka znajdującego się między okładkami, np. dla powietrza ε r 1, dla papieru ε r 3÷5, Pojemność jest tym większa, im większe pole okładek. Pojemność jest tym mniejsza, im większa odległość między okładami. d S εrεr Kondensator i pojemność

40 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 40 Związek między prądem a napięciem Przekształcając wzór definicyjny pojemności, otrzymujemy Uwzględniając, że dq/dt = i, dostajemy Dla napięcia stałego w czasie u = U = const, czyli Wniosek: dla prądów stałych kondensator stanowi przerwę w obwodzie. u i C U I=0 Kondensator i pojemność

41 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 41 Kondensator podsumowanie Nie rozprasza energii, lecz magazynuje energię w polu elektrycznym, Charakteryzuje się pojemnością C, która w przypadku kondensatora liniowego nie zależy od przyłożonego napięcia, W stanie ustalonym dla prądu stałego stanowi przerwę w obwodzie – prąd nie płynie, ale pomiędzy jego zaciskami napięcie może być różne od zera. Kondensator i pojemność

42 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 42 Cewka (idealna) Cewka (induktor) jest dwójnikiem pasywnym zachowawczym zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Nazwa pochodzi od tego, że występuje przeważnie jako wiele nawiniętych ciasno zwojów drutu. Druga nazwa wzięła się od tego, że indukuje się w niej napięcie zwane siłą elektromotoryczną. Na schematach elektrycznych oznacza się ją w postaci trzech wybrzuszeń symbolizujących zwoje. 6Cewka i indukcyjność

43 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 43 Pole magnetyczne Oprócz pola elektrycznego oddziałującego na ładunki siłą qE, istnieje pole magnetyczne oddziałujące na ładunki siłą qv×B, gdzie v – prędkość ładunku q w polu magnetycznym B. Intensywność pola magnetycznego określa się za pomocą wektora indukcji magnetycznej B (jednostka 1 T – tesla, przy czym 1 T = Vs/m 2 ). Pole magnetyczne wytwarzane jest wyłącznie przez prądy elektryczne – nie istnieją ładunki magnetyczne. Źródłem pola magnetycznego magnesów są prądy subatomowe. B i B Cewka i indukcyjność

44 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 44 Strumień magnetyczny Strumień magnetyczny Φ przenikający powierzchnię S, to iloczyn wartości wektora B i pola tej powierzchni pomnożony przez kosinus kąta między wektorem B a wektorem prostopadłym do rozpatrywanej powierzchni. Jeżeli wektor B jest prostopadły do powierzchni S i niezmienny na tej powierzchni, to Jednostką strumienia magnetycznego jest 1 Wb (weber), przy czym B S B S α Cewka i indukcyjność

45 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 45 Indukcyjność własna Strumień magnetyczny skojarzony Ψ z cewką równa się iloczynowi strumienia magnetycznego Φ przenikającego zwoje cewki i liczby jej zwojów z Indukcyjnością własną L cewki nazywamy stosunek strumienia skojarzonego Ψ z cewką wytworzonego przez płynący przez nią prąd I do tego prądu Jednostką indukcyjności jest 1 H (henr), przy czym Φ I z zwojów Cewka i indukcyjność

46 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 46 Indukcyjność długiej cewki Indukcyjność długiej cewki wynosi w przybliżeniu z liczba zwojów, S – pole przekroju poprzecznego (cewki, nie drutu), l – długość cewki, μ 0 przenikalność magnetyczna próżni ( μ 0 = 4 π 10 7 H/m), μ r – przenikalność względna wnętrza cewki (rdzenia), dla powietrza μ r = 1, dla ferromagnetyków μ r zależy od prądu i wynosi od kilkudziesięciu do miliona. Indukcyjność jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów Cewki z rdzeniem nieferromagnetycznym są liniowe – wtedy μ r = const 1 i ich indukcyjność nie zależy od prądu. Cewki z rdzeniem ferromagnetycznym (np. żelaznym) są nieliniowe – ich indukcyjność zależy od prądu, gdyż wtedy μ r nie jest wielkością stałą. l S z Cewka i indukcyjność

47 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 47 Prawo Faradaya Zmienne w czasie pole magnetyczne B jest źródłem pola elektrycznego E (indukuje pole elektryczne). To zaindukowane pole działa na ładunki z siłą qE, a więc zdolne jest wytworzyć prąd elektryczny. Mówimy, że zmienny w czasie strumień magnetyczny indukuje siłę elektromotoryczną E (prawo Faradaya) Zwrot zaindukowanej SEM jest taki, że spowodowany przez nią przepływ prądu wytwarza strumień przeciwdziałający zmianom strumienia pierwotnego (reguła Lenza). Cewka i indukcyjność ΦiΦi S E > 0 i B Φ

48 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 48 SEM samoindukcji Jeżeli przez cewkę przenika strumień Φ, to w każdym zwoju indukuje się SEM równa Ponieważ zwojów jest z, to wypadkowa SEM wynosi Strumień skojarzony Ψ można wyrazić jako Li, więc dla L = const dostajemy tzw. SEM samoindukcji cewki E1E1 i u Φ Cewka i indukcyjność

49 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 49 Związek między napięciem i prądem Zauważmy, że zaindukowaną SEM strzałkujemy zgodnie z prądem. Jeżeli zastrzałkujemy napięcie przeciwnie do prądu, jak to się zwykło czynić, to wtedy u = E, czyli Dla prądu stałego i = I = const, więc wtedy Wniosek: dla prądu stałego cewka stanowi zwarcie. i u E L I U=0 Cewka i indukcyjność

50 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 50 Cewka podsumowanie Nie rozprasza energii, lecz magazynuje energię w polu magnetycznym, Charakteryzuje się indukcyjnością L, Cewka bez elementów ferromagnetycznych jest liniowa, a z elementami ferromagnetycznymi jest nieliniowa, W stanie ustalonym dla prądu stałego stanowi zwarcie napięcie na jej zaciskach jest równe zeru, ale może przez nią płynąć prąd. Cewka i indukcyjność

51 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 51 Rzeczywisty rezystor Rzeczywisty rezystor charakteryzuje się nie tylko rezystancją, ale także: – pewną indukcyjnością związaną z tym, że prądowi płynącemu przez niego towarzyszy pole magnetyczne, – pewną pojemnością pomiędzy jego zaciskami. Schemat zastępczy rzeczywistego rezystora pokazany jest na rysunku. W większości przypadków indukcyjność i pojemność są pomijalnie małe i można ich nie uwzględniać. 7Elementy pasywne rzeczywiste

52 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 52 Rzeczywisty kondensator Ponieważ dielektryk znajdujący się między okładkami kondensatora nigdy nie jest idealny, kondensator przewodzi w pewnym stopniu prąd stały. Schemat zastępczy kondensatora rzeczywistego zawiera zatem równolegle podłączony rezystor o pewnej konduktancji, którą w tym przypadku nazywa się upływnością. Dąży się do tego, aby kondensator miał jak najmniejszą upływność (jak największą rezystancję). Elementy rzeczywiste

53 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 53 Rzeczywista cewka Drut z którego wykonana jest cewka zawsze posiada pewną rezystancję (wyjątek stanowi tzw. nadprzewodnik). Dlatego rzeczywista cewka oprócz indukcyjności charakteryzuje się także pewną rezystancją, której przeważnie NIE MOŻNA pominąć. Dąży się, aby rezystancja rzeczywistej cewki była jak najmniejsza. Elementy rzeczywiste

54 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 54 Terminologia Terminów rezystor, kondensator, cewka, źródło napięcia, źródło prądu będziemy używać jako określenia idealnych elementów. Do określenia rzeczywistych elementów będziemy dodawać przymiotnik rzeczywisty. Wyjątki od powyższej terminologii będą wyraźnie zaznaczone. Dopuszcza się (ale nie zaleca) używanie terminów rezystancja, pojemność, indukcyjność, SEM jako nazw elementów o tych właściwościach, czyli na określenie odpowiednio rezystora, kondensatora, cewki i źródła napięcia (np. rezystancja 2 Ω zamiast poprawnie rezystor o rezystancji 2 Ω). Elementy rzeczywiste

55 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 55 Połączenia elektryczne Połączenia między elementami wykonuje się za pomocą przewodów elektrycznych poprzez zamocowanie jednego końca przewodu do jednego z zacisków pierwszego elementu, a drugiego końca przewodu do jednego z zacisków drugiego elementu. Idealny przewód jest elementem bezrezystancyjnym ( R = 0). Rzeczywiste przewody mają pewną (raczej niewielką) rezystancję. Przewody elektryczne wykonuje się z bardzo dobrych przewodników – typowo jest to miedź. W teorii obwodów połączenia między elementami traktuje się zawsze jako idealne ( R = 0), chyba że wyraźnie zaznaczono inaczej. 8Połączenia elektryczne

56 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 56 Rola przewodów elektrycznych Którędy wędruje energia, gdy jest przekazywana od źródła do odbiornika? Większość ludzi odpowie, że przewodami elektrycznymi, ale to nie jest prawda. Dokładna analiza zjawisk elektromagnetycznych pokazuje, że energia jest przekazywana do odbiornika wyłącznie dielektrykiem otaczającym przewody! Czemu zatem służą przewody elektryczne? Służą one jedynie do ukierunkowania przepływu energii! Do przekazywania energii wcale nie potrzeba przepływu prądu (np. światłowody), ale przekazywanie jej za pomocą połączeń elektrycznych okazało się bardzo efektywne. Połączenia elektryczne

57 Paweł Jabłoński, Podstawy elektrotechniki i elektroniki 57 Czego się nauczyliśmy? Jakie są podstawowe właściwości elektryczne różnych środowisk, Jakie rodzaje elementów elektrycznych spotyka się w obwodach elektrycznych, Co to jest rezystor i rezystancja, Co to jest źródło napięcia i źródło prądu, Co to jest kondensator i pojemność, Co to jest cewka i indukcyjność. Wniosek: mamy podstawy do omawiania obwodów elektrycznych. Podsumowanie


Pobierz ppt "Podstawowe elementy elektryczne Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński."

Podobne prezentacje


Reklamy Google