Wstęp do współczesnej inżynierii Elektrotechnika 2013 WdWI 2013 PŁ

Kontakt: Dr inż. Marek Ossowski marek.ossowski@p.lodz.pl Zakład Układów i Systemów Nieliniowych Al.Politechniki 11 pok.14 Ip Tel.(42) 6312515 Tel 501673231  tylko w sprawach niezwykle ważnych!!!! WdWI 2013 PŁ

Program wykładów Wprowadzenie Podstawowe prawa elektrotechniki Inżynieria? Próba definicji „elektrotechniki” Przegląd historyczny Elektrotechnika i społeczeństwo Podstawowe prawa elektrotechniki co należy wiedzieć aby próbować zrozumieć współczesną technikę (Ładunek i pole elektryczne, prąd elektryczny, pole magnetyczne i indukcja.....) WdWI 2013 PŁ

Program wykładów (cd) Energetyka Sposoby wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej Niekonwencjonalne rozwiązania Problemy z magazynowaniem energii Transport – współczesność i perspektywy Projekt KDP Przegląd wybranych dokonań współczesnej inżynierii ze szczególnym uwzględnieniem „wynalazków elektrotechnicznych” WdWI 2013 PŁ

Warunki zaliczenia przedmiotu: a) pozytywny wynik testu zaliczeniowego (10pkt.) sumarycznie >24pkt b) obecność na wykładach (nieobecność = -1pkt) *nieobowiązkowa prezentacja „Wybrany problem wpółczesnej elektrotechniki” – możliwość zaliczenia nieobecności nieusprawiedliwionych WdWI 2013 PŁ

Literatura Teoria Pola cz.I – A.Kuczyński Wykłady z Fizyki, t.2 cz.1 – Feyman Encyklopedia TECHNIKI, Świat Książki Internet Studium projektowe CTS CETRANS WdWI 2013 PŁ

Wykład 1i2 Inżynieria i elektrotechnika – podstawowe pojęcia Rys historyczny Naukowcy i wynalazcy Zastosowania wiedzy elektrotechnicznej Polacy w elektrotechnice Wielkości fizyczne i jednostki stosowane w elektrotechnice WdWI 2013 PŁ

Rodzaje sił w przyrodzie Co to jest pole elektromagnetyczne Podstawy pola elektrostatycznego Ładunek elektryczny Prawo Coulomba Wzór Lorentza Natężenie pola elektrycznego Linie sił pola WdWI 2013 PŁ

Zjawisko polaryzacji. Indukcja Strumień indukcji Prawo Gaussa Pole magnetostatyczne Natężenie i indukcja Siła Lorentza Prawo Biota-Savarta Strumień magnetyczny Napięcie magnetyczne. Prawo przepływu Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Indukcja własna i wzajemna WdWI 2013 PŁ

Inżynieria ??? projektowaniu, konstrukcji, modyfikacji i utrzymaniu działalność polegająca na projektowaniu, konstrukcji, modyfikacji i utrzymaniu efektywnych kosztowo rozwiązań dla praktycznych problemów, z wykorzystaniem wiedzy naukowej oraz technicznej. Wymaga ona rozwiązywania problemów różnej natury oraz skali, zajmuje się też rozwojem technologii. INACZEJ: inżynieria to używanie właściwości materii, energii oraz obiektów abstrakcyjnych dla tworzenia konstrukcji, maszyn i produktów, przeznaczonych do wykonywania określonych funkcji lub rozwiązania określonego problemu. WdWI 2013 PŁ

INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE osoba wykorzystująca wyobraźnię doświadczenie, umiejętność oceny rozumowanie, własną wiedzę do projektowania, tworzenia, eksploatacji i usprawnienia użytecznych maszyn oraz procesów. INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE WdWI 2013 PŁ

Skąd te słowa? ETYMOLOGIA "inżynieria" i "inżynier" pochodzą od francuskich słów ingénieur oraz ingénierie od starofrancuskiego terminu engigneor oznaczającego konstruktora machin wojennych. angielskie słowa engineering oraz engineer wywodzą się od łacińskiego terminu ingeniosus oznaczającego osobę wyszkoloną engine (maszyna) nie jest tu wzorcem!!!!! WdWI 2013 PŁ

Rozwój inżynierii Historia pojęcia "inżynieria" sięga starożytności, kiedy ludzkość dokonała takich wynalazków jak koło, dźwignia czy bloczek. "inżynier" oznaczał tu osobę dokonującą praktycznych i użytecznych odkryć. Przykłady dokonań starożytnej inżynierii Akropol i Partenon w Grecji, Via Appia i Koloseum w Rzymie, Wiszące Ogrody piramidy w Gizie. WdWI 2013 PŁ

Cd historii inżynierii Najstarszy znany z imienia inżynier Imhotep, jeden z urzędników faraona Dżesera, projektant i budowniczym Piramidy schodkowej w latach ok. 2630 – 2611 p.n.e. Prawdopodobnie był on pierwszym, który użył kolumn w architekturze. Za pierwszego inżyniera elektryka uważa się Williama Gilberta, który w roku 1600 w publikacji De Magnete użył jako pierwszy terminu elektryczność. WdWI 2013 PŁ

Cd historii inżynierii W XIX termin ten zaczął być stosowany w sposób bardziej wąski, do dziedzin, w których używano nauk przyrodniczych i matematyki  zawód inżynier Inżynieria elektryczna ma swoje źródło w eksperymentach z początków XIX w. dokonywanych przez Alessandro Volty. Wynalazki Thomasa Savery'ego i Jamesa Watta doprowadziły do powstania w Wielkiej Brytanii współczesnej inżynierii mechanicznej. WdWI 2013 PŁ

Początki inżynierii mechanicznej sięgają starożytności, kiedy to konstruowano wiele maszyn do użytku cywilnego i wojskowego. Spektakularne przykłady: Mechanizm z Antykithiry, maszyna o stopniu złożoności niespotykanym aż do XIV w. śruba Archimedesa, przenośnik śrubowy WdWI 2013 PŁ

cd historii inżynierii Inżynieria procesowa źródło w czasach rewolucji przemysłowej, wymuszona przez zapotrzebowanie na nowe materiały i nowe procesy wytwarzania konieczne do produkcji na skalę przemysłową. inżynieria chemiczna  zaprojektowanie i eksploatacja fabryk zajmujących się tą produkcją. WdWI 2013 PŁ

Metodologia Istnieją rozwiązania dla konkretnych dziedzin techniki, opracowania tworzone przez poszczególne firmy Brak uniwersalnej metodologii inżynieryjnej, niezależnej od specyfiki dziedzin inżynierii i używanych instrumentów! inżynieria systemów, inżynieria wiedzy (i meta-wiedzy) WdWI 2013 PŁ

TEORIA SYSTEMÓW (ogólna teoria systemów) Głównym paradygmatem teorii systemów jest holistyczne (całościowe) traktowanie rzeczywistości. Teoria systemów od samego początki istnienia wykorzystywała i włączała w swoje ramy koncepcje istniejące w innych naukach, w tym również humanistycznych. Teoria systemów jest zasobem wiedzy uzyskanej w wyniku badań systemowych w dającym się zaobserwować świecie. INŻYNIERIA SYSTEMÓW – INTERDYSCYPLINARNA INŻYNIERIA UKIERUNKOWANA NA ROZWIĄZYWANIU ZŁOŻO-NYCH PROBLEMÓW PROJEKTOWANIA I ZARZĄDZANIA. WdWI 2013 PŁ

AKSJOMATY SYSTEMOWE 1. Aksjomat synergii: system przejawia cechę synergii 2. Aksjomat kontekstu: na każdy system oddziałuje jego otoczenie. 3. Aksjomat równoważności systemów: różne systemy mogą pro-wadzić do tego samego celu. 4. Aksjomat różnorodności Ashby’ego – każda różnorodność może być zrównoważona tylko przez inną różnorodność. 5. Aksjomat sprawności systemu: sprawność systemu pod wzglę-dem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elemen-tu pod względem tegoż kryterium K. WdWI 2013 PŁ

MECHATRONIKA PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE SYSTEMOWEGO WIDZENIA RZECZYWISTOŚCI dział inżynierii systemów. synergiczna agregacja inżynierii mechanicznej, elektrycznej, elektronicznej i informacyjnej. WdWI 2013 PŁ

Wymiary i perspektywy poznawcze Lekcja natury Wymiary i perspektywy poznawcze mechatroniki jako części inżynierii systemów WdWI 2013 PŁ

Ewolucja mechatroniki z techniki mechanicznej Elektrotechnika WdWI 2013 PŁ

Podstawy metodologii zrozumienie celu zadania (problemu), wymagań i ograniczeń dotyczących oczekiwanego rozwiązania lub produktu. jakość produktu dostępność surowców, energochłonnością rozwiązania, ograniczenia technicznymi lub fizycznymi łatwość produkcji, wdrożenia i serwisowania. możliwość modyfikacji istniejących rozwiązań KOSZTY!!!! WdWI 2013 PŁ

Jak rozwiązywać problemy? Inżynierowie rozwiązują problemy konieczne do rozwiązania, ale zwykle nie określone na początku zbyt jednoznacznie, zwykle możliwych jest kilka rozwiązań. inżynierowie muszą oceniać wiele możliwości pod kątem ich przydatności, bezpieczeństwa i ekonomii i wybierać rozwiązania najlepiej spełniające założone wymagania wyjściowe. Stworzenie odpowiedniego modelu matematycznego jest zwykle niezbędnym narzędziem inżyniera, pozwalającym analizować i testować potencjalne rozwiązania. Genrich Altshuller postawił, tezę, iż na "niskim poziomie" rozwiązania inżynierskie są oparte na kompromisach, na "wyższym poziomie" praca inżyniera prowadzi do wybrania jako najlepszego takiego rozwiązania, które eliminuje główną trudność problemu. Mimo stosowania różnych matematycznych algorytmów optymalizacji, inżynieria zadowala się zwykle rozwiązaniami wystarczającymi. WdWI 2013 PŁ

Zasady rozwiązywania problemów inżynierskich – cechy rozwiązania bezpieczeństwo funkcjonalność niezawodność i trwałość sprawność prawidłowość doboru materiałów dobór właściwej technologii lekkość (to o konstrukcji), ergonomiczność łatwość eksploatacji i napraw niskie koszty eksploatacji zgodność z obowiązującymi normami i przepisami łatwość likwidacji .....................................inne zasady i wymagania. WdWI 2013 PŁ

Aksjomat synergii Synergia – efekt współdziałania dwóch lub więcej czynników (elementów składowych, części itp.) w jakimś procesie lub układzie. Przykładem efektu synergii jest praca zespołowa: w odróżnieniu od pracy grupowej, zespół wspólnie pracuje nad pewnym zagadnieniem, dążąc do wspólnego rezultatu, natomiast członkowie grupy pracują równolegle („współbieżnie”), ale każdy ma swój cel i zadanie. Całość, czyli system, nie jest prostą sumą części: nabiera właściwości, jakich nie mają jej po-szczególne części. Synergizm jest uważany za uniwersalne prawo przyrody. WdWI 2013 PŁ

Aksjomat kontekstu Każdy system jest wyselekcjonowaną częścią rzeczywistości. Zrozumienie systemu nie może ograniczać się wyłącznie do niego samego – do jego elementów składowych i relacji między nimi. Otaczająca nas rzeczywistość jest ciągła każdy system musi być traktowany jako element pewnej szerszej całości. W takim razie każdy system musi być podporządkowany owej szerszej całości, czyli podlegać określonym oddziaływaniom innych elementów, które – w razie traktowania go jako samodzielnej całości – stanowią jego otoczenie. WdWI 2013 PŁ

Aksjomat równoważności systemów systemy mogą być równoważne pod względem osiąganych rezultatów (celów, funkcji, właściwości). Każdy z nich może jednak charakteryzować się inną miarą skuteczności i efektywności oraz innymi kosztami budowy i funkcjonowania. WdWI 2013 PŁ

Aksjomat różnorodności Ashby’ego Stopień różnorodności i elastyczności elementów systemu zależy od różnorodności i zmienności wejść do systemu. Miarą trwałości systemu staje się wystarczający stopień różnorodności elementów składowych systemu oraz ich elastyczności w konfrontacji z otoczeniem. Elastyczność każdego elementu wchodzącego w skład systemu musi być zbilansowana i skorelowana z elastycznością wszystkich pozostałych elementów: system musi być zbilansowany, aby żaden z elementów nie stał się „wąskim gardłem” systemu pod względem jego funkcjonalności. Z kolei nadmierna elastyczność któregoś z jednostkowych elementów staje się jedynie przyczyną wzrostu kosztów funkcjonowania systemu: wprowadzenie i utrzymanie elastyczności kosztuje zarówno podczas konstruowania systemu oraz podczas jego funkcjonowania. WdWI 2013 PŁ

Aksjomat sprawności systemu sprawność systemu pod wzglę-dem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elementu pod względem tegoż kryterium K. Kryterium K może oznaczać niezawodność systemu, jego dynamikę, odporność na zakłócenia ze strony otoczenia, elastyczność, o której wspomina aksjomat Ashby’ego, siłę oddziaływania na otoczenie i każdą inną cechę, jaką obserwator przypisuje danemu systemowi. WdWI 2013 PŁ

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE Problem  Model  Rozwiązanie DWA MOŻLIWE PODEJŚCIA: 1. Problem  ModelP  RozwiązanieD(ModelP) ModelP – przybliżony model problemu 2. Problem  ModelD  RozwiązanieP(ModelD) ModelD – dokładny model problemu RozwiązanieP(ModelD) – rozwiązanie przybliżone modelu dokładnego WdWI 2013 PŁ

OGRANICZENIA MODELOWANIA: 1. Niedokładności modelowania. NIE MA MODELI IDEALNYCH !!!!! 2. Niewystarczające umiejętności zawodowe (wiedza, praktyka). 3. Niedokładności materiałowe. 4. Niedokładności wykonania elementów. 5. Niedokładności montażowe. 6. Niedokładności eksploatacyjne (nie przestrzeganie przepisów, procedur  KATASTROFY). WdWI 2013 PŁ

Heurystyka w optymalizacji Niepotrzebna jest znajomość „klasycznych” metod optymalizacji – wystarczy skoncentrować się na formułowaniu funkcji celu. Metody koncentrują się na poszukiwaniu optimów globalnych. Możliwość zastosowania do szerokiej klasy zadań optymalizacji (budowa maszyn, eksploatacja, zarządzanie, sterowanie itp.). Możliwość rozpoczynania procedury z różnych punktów startowych. Otrzymywanie kilku rozwiązań  uruchomienie procedury decyzyjnej WdWI 2013 PŁ

Mechanizm z Antykithiry starożytny mechaniczny przyrząd, zaprojektowany do obliczania pozycji ciał niebieskich. odkryty we wraku obok greckiej wyspy Antykithiry (Antikythera), pomiędzy Kíthirą i Kretą, datowany na lata 150-100 p.n.e. do czasu XVIII-wiecznych zegarów nie jest znany żaden mechanizm o podobnym stopniu złożoności. WdWI 2013 PŁ

Śruba Archimedesa podajnik zbudowany ze śruby umieszczonej wewnątrz rury ustawionej skośnie do poziomu. W czasie pracy dolny koniec śruby zanurzony jest w wodzie, a obrót śruby wymusza jej ruch do góry. WdWI 2013 PŁ

ELEKTROTECHNIKA: Dział nauki o elektryczności obejmujący rozległy krąg zjawisk fizycznych wraz z ich zastosowaniami Obejmuje analizę zjawisk fizycznych występujących w obwodach elektrycznych i magnetycznych oraz w polu elektromagnetycznym w zakresie ich zastosowań technicznych WdWI 2013 PŁ

WYBRANE DZIEDZINY ELEKTROTECHNIKI: aparaty elektryczne, urządzenia elektryczne, instalacje elektryczne, zabezpieczenia elektryczne, maszyny elektryczne, miernictwo elektryczne, automatyka, robotyka, mechatronika, technika świetlna, elektrotermia. WdWI 2013 PŁ

Zagadnienia dotyczące elektryczności są działami fizyki oraz techniki: W obrębie fizyki: Elektrostatyka - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi; Elektrodynamika - obejmuje oddziaływania pomiędzy ruchomymi ładunkami, a w szczególności elektromagnetyzm prąd elektryczny Magnetyzm - powstawanie oraz oddziaływanie pola magnetycznego na otoczenie . WdWI 2013 PŁ

Elektrotechnika W obrębie techniki: Elektroenergetyka Energoelektronika Elektronika Technika świetlna Elektrotechnologie Mechatronika WdWI 2013 PŁ

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Instytut Automatyki Organizacja Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Instytut Automatyki Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Instytut Elektroenergetyki Instytut Elektroniki Katedra Aparatów Elektrycznych Katedra Elektrotechniki Ogólnej i Przekładników Katedra Informatyki Stosowanej Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych WdWI 2013 PŁ

VI wiek p.n.e VI w pne Grecja, właściwości rudy żelazna Fe3O4 przyciągania przedmiotów żelaznych przyciąganie lekkich przedmiotów przez potarty bursztyn Tales z Miletu  opis zjawiska WdWI 2013 PŁ

Wiliam Gilbert 1600 r „O magnesie, ciałach magnetycznych i o wielkim magnesie ziemskim”: Dowiódł, że przyczyną orientacji igły magnesu jest magnetyzm ziemski Odkrył indukcję magnetyczną Niestety nie zauważył związku zjawisk elektrycznych z magnetycznymi Wprowadził nazwę elektryczność (elektron=bursztyn) WdWI 2013 PŁ

Butelka lejdejska Pieter VAN MUSSCHEN-BROEK (1746) Naukowiec z kamienia pomorskiego KLEIST (1745) próba naelektryzowania gwoździa (skóra ręki-warstwa wilgoci wewnątrz kolby=pierwszy opisany kondensator) Arka przymierza 1749 Watson naczynie oklejone folią cynkową WdWI 2013 PŁ

Butelka lejdejska SKOK W teraźniejszość Naczynie ze szkła wypełnione wodą i zatkane korkiem który był przebity na wylot miedzianym drutem. Butelkę można było naładować elektrycznie stykając pręt z naładowanym ciałem. Poprzez drut i wodę prąd dostawał się do środka naczynia i ładował dodatnio lub ujemnie jego wewnętrzne ścianki. Pojemność elektryczną można zwiększyć pokrywając szkło od zewnątrz i wewnątrz folią przewodzącą prąd, oraz przedłużając drut tak, aby zetknął się z zewnętrzną warstwą folii. WdWI 2013 PŁ

Teoria zjawisk elektrycznych Benjamin Franklin (1706-1790) człowiek renesansu Uniwersalna „materia elektryczna” Pojęcie ciał naładowanych (dodatnio: nadmiar materii elektrycznej; ujemnie  niedomiar) Elektryczna natura błyskawicy (1750) Wynalazca piorunochronu (Dalibard z Francji chyba był pierwszy) WdWI 2013 PŁ

Pierwsze eksperymenty Charles August Coulomb (F) 1736-1806 + + - WdWI 2013 PŁ

Pierwsze eksperymenty Charles August Coulomb (F) 1736-1806 Wyznaczył eksperymentalnie siłe oddziaływania na siebie ładunków Waga skrętna Ładunek punktowy  definicja (wymiary wielokrotnie mniejsze od odległości naładowanych ciał) WdWI 2013 PŁ

Określenie siłę wzajemnego oddziaływania dwóch naładowanych kul Zetknął trzecią nienaładowaną kulę z jedną z badanych (prawo zachowania ładunku) zmniejszając jej ładunek o połowę Zmieniając odległości 2,3,4 krotnie uzyskał 4,9,16 krotne zmniejszenie siły oddziaływania WdWI 2013 PŁ

Coulomb sformułował analogiczne prawo ujmujące w zależności ilościowe oddziaływanie na siebie mas magnetycznych Dokonał przełomu otwierając okres ilościowego określania wielkości elektrycznych WdWI 2013 PŁ

Narodziny elektrotechniki 1786 Luigi Galvani  włoski lekarz eksperymentujący z żabimi udkami (fałszywe przekonanie o odkryciu elektryczności zwierzęcej) Aleksander Volta (ur. 1745 w Como): Prąd elektryczny pobudzający mięsień żaby powstaje na skutek różnicy potencjałów pomiędzy dwoma metalami ( w doświadczeniu Galvaniego: miedź i żelazo) zanurzonymi w elektrolicie (tkanka mięśniowa) WdWI 2013 PŁ

Ogniwo Volty Stos srebrnych i cynowych krążków przedzielonych zwilżonymi kawałkami sukna lub papieru pozwalający na uzyskanie ciągłego prądu elektrycznego WdWI 2013 PŁ

Demonstracja ogniwa i zaszczyty Prezentacja wynalazku w listopadzie 1801 r Pamiątkowy medal od Napoleona Tytuł hrabiego i nominacja na senatora Mariaż polityki z nauką WdWI 2013 PŁ

Hans Christian Oersted (ur.1777) Zauważył, że igła magnetyczna umieszczona równolegle do przewodu odchyla się, gdy przez przewód płynie prąd Przyczynił się do wynalezienia elektromagnesu i telegrafu WdWI 2013 PŁ

Andre Maria Ampere (ur.1775) Kontynuator prac Oersteda Wzajemne oddziaływanie przewodników z prądem  zjawiska elektrodynamiczne Prekursor miernika prądu elektrycznego WdWI 2013 PŁ

Georg Simon Ohm „Matematyczne ujęcie obwodu elektrycznego” (1827) Protesty innych naukowców pozbawienie stanoiska wykładowcy w Kolonii Rehabilitacja po sześciu latach (dzięki Karolowi Gaussowi i Wilhelmowi Weberowi) WdWI 2013 PŁ

Michael Faraday Zjawisko indukcji elektromagnetycznej (1831) Model maszyny elektrycznej Odkrycie praw elektrolizy Koncepcja pól elektrycznych i magnetycznych „Exegi monumentum aere perennius” WdWI 2013 PŁ

James Clerk Maxwell Edynburg 1831, wychowany w dobrach swego ojca w Glenlair (Szkocja) Uniwersytet w Edynburgu (w wieku 16 lat) 1855 „O Faradayowskich liniach sił” 1856 profesor fizyki teoretycznej w Aberdeen Profesor Kings College 1871 profesor fizyki doświadczalnej w Cambridge WdWI 2013 PŁ

James Clerk Maxwell dokonania: 1873: „Traktat o elektryczności i magnetyzmie”  teoria fal elektromagnetycznych (doświadczalnie potwierdzona przez Hertza )  początek radiotechniki Opisanie i uogólnienie wszystkich znanych dotąd zjawisk elektromagnetycznych. WdWI 2013 PŁ

Równania Maxwella: 1863 WdWI 2013 PŁ

Fale elektromagnetyczne WdWI 2013 PŁ

Fale elektromagnetyczne WdWI 2013 PŁ

WdWI 2013 PŁ

Inne znane i ważne postacie: James Joule (GB) 1818-89 prawo dotyczące wydzielania ciepła podczas przepływu prądu Heinrich Emil Lenz (D) 1804-85 zasady elektrodynamiki Herman Helmholtz (D) 1824-94 prawo zachowania energii, uzupełnienie teorii Maxwella, teoria elektrolizy Gustaw Kirchhoff (D) 1824-77 twórca teorii obwodów elektrycznych Hendrik Lorentz (NL) 1853-1928 podstawy elektromagnetycznej teorii światła WdWI 2013 PŁ

Wybrane zastosowania elektryczności: Silnik elektryczny Faraday Samowzbudne maszyny elektryczne Werner Siemens Prądy trójfazowe Doliwo-Dobrowolski Silnik indukcyjny dwufazowy N.Tesla Ogniwa i akumulatory Volta, Kirchhoff, Bunsen AKUMULATOR Gaston Plante (ołowiany 1860), Tomasz Edison (zasadowy) Oświetlenie Lampa łukowa  Paweł Mikołajewicz WdWI 2013 PŁ

Wybrane zastosowania elektryczności: Żarówka 1879 Tomasz Edison Przesyłanie energii na odległość Marcel Deprez, Oskar Miller 1882 (57km, 1.1kW, 1.52kV) 1891 Michał Doliwo-Dobrowolski, O.Miller (175km 150kW, 14kV Laufen-Frankfurt) Telekomunikacja Telegraf  Paweł Szyling Klucz telegraficzny Samuel Morse, Joseph Henry WdWI 2013 PŁ

1838 TELEGRAF Samuel E.B. Morse wykorzystuje odkryte w 1820 Przez Ch.Oersteda właściwości elektromagnetyzmu WdWI 2013 PŁ

Wybrane zastosowania elektryczności: Telekomunikacja (cd) Kabel telegraficzny  Ernst Werner Siemens Telefon  Graham Bell(1876) , Philip Reiss Radio Aleksander Popow 1895 Gulielmo Marconi 1896 Światłowód (Tyndall 1870, Wheeler 1880) Laser 1957............... WdWI 2013 PŁ

1873 Telefon Graham Bell (1847-1922) Patent z 1876 roku WdWI 2013 PŁ

Radio 1865 Konstruktor pierwszego radia G.Marconi WdWI 2013 PŁ

Trochę o koncepcji światłowodu WdWI 2013 PŁ

1870 Rys.5 Doświadczenie Johna Tyndalla WdWI 2013 PŁ

1880 WdWI 2013 PŁ

Propagacja promieni świetlnych wzdłuż światłowodu WdWI 2013 PŁ

ŚWIATŁOWÓD jest (na ogół) cylindrycznym ŚWIATŁOWÓD –POJĘCIA PODSTAWOWE ŚWIATŁOWÓD jest (na ogół) cylindrycznym falowodem dielektrycznym wykonanym z niskostratnego materiału (np. szkła kwarcowego) WdWI 2013 PŁ

Dygresja : światło laserowe LIGT AMPLIFICATION BY THE SIMULATED EMISSION OF RADIATION ŚWIATŁA WZMACNIANIE WYMUSZONĄ EMISJĄ PROMIENIOWANIA WdWI 2013 PŁ

Rozkład elektronów w powłokach atomu sodu Dostarczenie energii może przesunąć elektron na wyższy poziom=> stan wzbudzenia Atom w takim stanie dąży do minimalizacji energii: emituje energię i wraca do STANU PODSTAWOWEGO Ta wyemitowana energia to może być FOTON światła WdWI 2013 PŁ

Ta sama energia, długość fali, kierunek ruchu, faza i polaryzacja Emisja wymuszona Z zasady nieoznaczoności Heisenberga: Czas życia stanu wzbudzonego Ta sama energia, długość fali, kierunek ruchu, faza i polaryzacja WdWI 2013 PŁ

Warunek dominacji emisji wymuszonej: Cząstka o dwóch poziomach energetycznych. Kiedy dominuje emisja wymuszona? Warunek dominacji emisji wymuszonej: WdWI 2013 PŁ

Efekt lawinowy Wzmocnienie uzyskamy jeśli doprowadzimy do tzw. inwersji obsadzeń WdWI 2013 PŁ

Dioda laserowa WdWI 2013 PŁ

Laser He-Ne Nastawa precyzyjna luster Zbiornik gazu Katoda Zwierciado Brewstera Izolacja antywstrząsowa Stabilne kovarove pytki lustra Zwierciado o wys. wsp odbicia. Mieszanka gazowa Osłona aluminiowa Osłona luster Soczewka kolimacyjna Anoda Zasilanie prądowo sterowane Strumień wyjściowy WdWI 2013 PŁ

Polacy w historii elektrotechniki: Michał Doliwo-Dobrowolski energetyka, prądy trójfazowe Kazimierz Drewnowski  działacz NOTU, elektryfikacja kraju, technika wysokich napięć Ignacy Mościcki technologia produkcji kondensatorów Wiktor Biernacki omal nie wynalazł radia Julian Ochorowicz człowiek renesansu (przesyłanie obrazów, mikrofon, właściwości elektryczne organizmu) Napoleon Nikodem Cybulski (fizjolog, twórca elektroencefalografii) WdWI 2013 PŁ

Józef Herman Osiński, w zakonie Kazimierz (1738-1802) Pierwszy elektryk polski, pionier techniki odgromowej, pedagog, autor i tłumacz dzieł z zakresu fizyki, chemii, i metalurgii, pionier fizjologii roślin w Polsce. W roku 1784 wydał pierwszą książkę z elektrotechniki w Polsce " Sposób ubezpieczający życie i majątki od piorunów". Otrzymał za nią złoty medal od króla Stanisława Augusta. Dawał w niej wskazówki jak należy konstruować i zakładać piorunochrony oraz przedstawiał poradnik ratowania osób porażonych piorunami. WdWI 2013 PŁ

Michał Doliwo-Dobrowolski(1862-1919) Pionier techniki prądu trójfazowego Autor pierwszej prądnicy prądu zmiennego 3-fazowego z wirującym polem magnetycznym. Uzyskał kilka patentów na transformatory trójfazowe, przyrządy pomiarowe (np. fazomierz) i Pracował nad generatorami dużej mocy dla hydroelektrowni Opracował założenia techniczne pierwszej na świecie trójfazowej elektrowni wodnej na Renie w Rheinfelden, zbudowanej w 1895r. WdWI 2013 PŁ

Kazimierz Drewnowski (1881-1952) Pierwszy mianowany w Polsce profesor elektrotechniki, mianowany w r.ak. 1915/16 w Politechnice Warszawskiej. Twórca szkół: miernictwa elektrycznego, techniki wysokich napięć materiałów elektrotechnicznych. Jego prace dotyczyły badania rozkładów napięcia w układach izolacyjnych i metod pomiarów wysokiego napięcia. Twórca metoda kompensacyjnego pomiaru rozkładu pola elektrycznego, WdWI 2013 PŁ

Ignacy Mościcki (1867-1946) - prezydent RP (VI 1926 - IX 1939) inżynier chemik, profesor elektrochemii, wynalazca wielkie zasługi w dziedzinie elektrotechniki (technika wysokich napięć i ochrona przepięciowa) odkrył wyładowania powierzchniowe i opublikował prace z dziedziny wytrzymałości dielektryków na przebicie. opracowywał technologie chemiczne (kwas azotowy, nawozy sztuczne i rafinacja ropy naftowej) projektował fabryki chemiczne. opracował wysokonapięciowe kondensatory produkowane we Fryburgu przez ok. 20 lat pod nazwą kondensatorów Mościckiego. WdWI 2013 PŁ

Napoleon Nikodem Cybulski (1854-1919) Twórca encefalografii. Badał zjawiska elektryczne w mięśniach, nerwach i korze mózgowej. Wyniki badań tych zjawisk stworzyły podłoże, na którym powstała współczesna encefalografia. Autor wielu prac z zakresu fizjologii fizykalnej, np.: - studia nad szybkością krążenia krwi przy pomocy foto-chemo-tachometru (przyrządu własnego pomysłu), - zjawiska elektryczne w mięśniach, nerwach i w korze mózgowej (ostatnie wspólnie z Beckiem), zastosowanie kondensatora przy badaniu pobudliwości nerwów i mięśni, - badanie ciepłoty z pomocą mikrokalorymetru własnego pomysłu itd. WdWI 2013 PŁ

Julian Ochorowicz (1850-1917) Pierwszy Polak zajmujący się przesyłaniem obrazów na odległość. Filozof, lekarz, psycholog, literat, wynalazca. Zasada szeregowego analizowania i odtwarzania obrazów podana przez niego jest wykorzystywana we współczesnej TV. Pionier w dziedzinie telefonii  wynalazca mikrofonów telefonu głośno-mówiącego. Eksperymentował w dziedzinie elektryczności i elektromagnetyzmu oraz badał zjawiska z zakresu parapsychologii, a zwłaszcza hipnotyzmu i właściwości elektrycznych ciała ludzkiego. WdWI 2013 PŁ

Wiktor Biernacki (1869 - 1918) Jeden z pionierów radiologii w Polsce pionier polskiej radiotechniki. organizuje pracowni fizycznej w szkole Wawelberga i Rotwanda. wyniki swoich badań publikuje, min. w: "Badania wstępne nad oporem iskry", "Promienie elektryczne",  "O zachowaniu przewodników wobec szybkich wahań magnetycznych". Jeden z pionierów radiologii w Polsce WdWI 2013 PŁ

Wielkości fizyczne i jednostki Wielkość fizyczna: cecha zjawiska fizycznego lub właściwość ciała, którą można zmierzyć. Przykłady: napięcie elektryczne 1[U]=1V admitancja (przewodność) 1[Y]=1S natężenie pola magnetycznego 1[B]=1H WdWI 2013 PŁ

Wielkości fizyczne i jednostki Układ wielkości fizycznych Zbiór wielkości fizycznych obejmujących wszystkie lub niektóre dziedziny fizyki WIELKOŚĆ PODSTAWOWA – umownie przyjęta za niezależną od pozostałych WIELKOŚĆ POCHODNA ->określana w zależności od wielkości podstawowych Jednostka miary wielkości fizycznej Wartość danej wielkości, której umownie przyporządkowuje się wartość liczbową równą jedności WdWI 2013 PŁ

Jednostki podstawowe układu SI Nr Wielkość Jednostka miary Definicja nazwa oznaczenie 1 ...... 4 Prąd elektryczny amper A Jest to prąd elektryczny stały, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m (metr) od siebie wywołałyby między tymi przewodami siłę 2*10-7 N na każdy metr długości 7 ....... WdWI 2013 PŁ

Wielokrotności jednostek miar Przedrostek Oznaczenie Mnożnik eksa E 1018 peta P 1015 tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hekto h 102 deka da 101 WdWI 2013 PŁ

Podwielokrotności jednostek miar Przedrostek Oznaczenie Mnożnik decy d 10-1 centy c 10-2 mili m 10-3 mikro  10-6 nano n 10-9 piko p 10-12 femto f 10-15 atto a 10-18 WdWI 2013 PŁ

Rodzaje sił w przyrodzie (1) Grawitacyjne  działające na wszystkie obiekty posiadające masę Elektromagnetyczne  między cząstkami niosącymi ładunek elektryczny Jądrowe silneodpowiedzialne za spajanie jądra i nukleonów, działają tylko we wnętrzu i maleją szybko z odległością Jądrowe słabe ujawniają się wobec cząstek bez ładunku (zwanych neutrinami) WdWI 2013 PŁ

Rodzaje sił w przyrodzie (2) Główne zadanie współczesnej fizyki: Opracowanie spójnej teorii ujmującej wszystkie rodzaje odziaływań występujących w przyrodzie. Zadanie współczesnej elektrotechniki teoretycznej: Teoria sił elektromagnetycznych  odpowiedzialnych za istnienie atomów i wiązań międzyatomowych w cząsteczkach WdWI 2013 PŁ

Rodzaje sił w przyrodzie (3) Ogólna równowaga skupisk cząsteczek dodatnich i ujemnych  brak oddziaływania Zakłócenie równowagi  teoretyczna możliwość wyzwolenia sił ‘ogromnych’: Jeśli każda z osób stojących blisko siebie miałaby o 1% więcej ładunków ujemnych niż dodatnich to siła odpychania byłaby zdolna zrównoważyć ciężar Ziemi!!!!!!! WdWI 2013 PŁ

Rodzaje sił w przyrodzie (4) Mechanizmy utrzymujące atomy w całości: Efekty kwantowe – zasada nieoznaczoności (średni pęd tym większy im bardziej ograniczony obszar) Mechanizmy utrzymujące jądro atomu w całości: Jądrowe siły nieelektryczne o małym zasięgu (maleją szybciej niż 1/r2) WdWI 2013 PŁ

Rodzaje sił w przyrodzie (wniosek) Kombinacja sił elektrycznych i efektów kwantowo-mechanicznych określa szczegółową strukturę substancji materialnych i ich właściwości. WdWI 2013 PŁ

Budowa materii (1) Cząsteczka (molekuła) Atom Najmniejsza część danej substancji zdolna do samodzielnego istnienia i zachowująca cechy tej substancji Związek chemiczny jeśli składa się z kilku atomów różnych Pierwiastek atomy jednakowe Atom Składa się z cząsteczek elementarnych stanowiących najmniejszą ilość pierwiastka zdolną do samodzielnego istnienia WdWI 2013 PŁ

Budowa materii (2) Teoria budowy atomu  Niels Bohr Dookoła jądra złożonego z protonów i neutronów krążą elektrony (liczba elektronów równa liczbie protonów  atom elektrycznie obojętny) Elektrony (cząsteczki ujemne) układają się w warstwy (powłoki) Od liczby elektronów w powłoce zewnętrznej zależy elektroprzewodnictwo WdWI 2013 PŁ

Uproszczony model poziomów energetycznych Elektrony otaczają jądro w ściśle określonych powłokach (poziomach energetycznych) Elektron aby zająć określoną powłokę musi posiadać odpowiednią energię, tym większą im dalsza to powłoka Powłokom odpowiadają skwantowane poziomy energetyczne (odległości między poziomami maleją ze wzrostem n) WdWI 2013 PŁ

Uproszczony model poziomów energetycznych. Liczba kwantowa. Każdy elektron posiadający energię większą od energii poziomów zwanych kontinuum to tzw. elektron swobodny Elektrony dążą do minimalizacji energii, czyli do obsadzania niższych poziomów energetycznych To dążenie ogranicza zasada PAULIEGO limitująca liczbę elektronów na danym poziomie: W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH IDENTYCZNYCH ELEKTRONÓW (TZN. ELEKTRONÓW POSIADAJĄCYCH IDENTYCZNE KODY ZWANE LICZBAMI KWANTOWYMI) WdWI 2013 PŁ

Maksymalna liczba elektronów 2n2 ELEKTRONY I POZIOMY oznaczane są tzw. Liczbami kwantowymi: 1) n => główna liczba kwantowa (poziom energetyczny) 2) l => orbitalna liczba kwantowa (kształt orbity) 3) ml => magnetyczna liczba kwantowa (określa kierunek orbity) 4) ms => spinowa liczba kwantowa (kierunek ruchu, czy spin jest zgodny z ruchem wskazówek zegara) Maksymalna liczba elektronów 2n2 POZIOMY ENERGETYCZNE ZAPEŁANIANE SĄ SEKWENCYJNIE (OD NAJNIŻSZEGO); NAJDALSZE MOGĄ NIE BYĆ ZAPEŁNIONE CAŁKOWICIE WdWI 2013 PŁ

Elektrony swobodne poruszają się w metalu ruchem bezładnym. Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu ładunków elektrycznych przez dany przekrój poprzeczny ciała przewodzącego pod wpływem pola elektrycznego nazywamy prądem elektrycznym. E Jądro atomowe WdWI 2013 PŁ

Prąd elektryczny Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu ładunków Wielkość skalarna będąca ilorazem elementarnego ładunku przenoszonego przez dany przekrój poprzeczny w ciągu ciągu pewnego czasu elementarnego do tego czasu WdWI 2013 PŁ

Co to jest pole? Tam gdzie pojawiają się ładunki powstają wzajemne odziaływania między nimi  pole elektryczne POLE  STAN PRZESTRZENI OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI FIZYCZNYMI Rodzaje pól Skalarne Wektorowe Wektorowo-skalarne WdWI 2013 PŁ

Poziomice Zbocza gór Obszary leśne Temperatura Kierunek wiatru Prędkość zmian WdWI 2013 PŁ

W danym punkcie przestrzeni pole opisane jest przez pewną funkcję: Pole może być płaskie lub przestrzenne. Stałe wartości pola są wyznaczone przez izopowierzchnie lub izolinie. Pole wektorowe scharakteryzowane jest przez wektor pola . Liniami pola wektorowego nazywamy linie wyznaczające kierunek pola. Wektor pola jest w każdym punkcie styczny do linii pola. WdWI 2013 PŁ

POLE ELEKTRYCZNE  wywołane przez ładunki elektryczne i charakteryzujące się tym, że na nieruchome ciała naładowane umieszczone w nim działa siła POLE ELEKTROSTATYCZNE pole elektryczne wywołane przez nieruchome ładunki POLE MAGNETYCZNE  wytworzone przez poruszające się ładunki elektryczne. Charakteryzuje się tym, że na poruszające się w nim ciała naładowane działa siła (magnetostatyczne: wytworzone przez magnesy trwałe i przepływ prądu stałego) WdWI 2013 PŁ

Ładunek elektryczny(1) To cecha cząstek elementarnych powodująca, że podlegają one działaniom elektromagnetycznym WŁAŚCIWOŚCI: Ładunki cząstek i ich układów stanowią krotność ładunku elementarnego: WdWI 2013 PŁ

Ładunek elektryczny (2) 1C (kulomb) jednostka ładunku to ładunek elektryczny jaki jest przenoszony w ciągu jednej sekundy przez dany przekrój przewodu stałym prądem 1 ampera Masa elekronu WdWI 2013 PŁ

Ładunek elektryczny (3) Ładunek elektryczny cząstek nie zmienia swej wartości podczas ruchu (nie zależy od prędkości) Jako ładunek rozumiemy określoną liczbę ładunków elementarnych Prawo zachowania ładunku Wypadkowy ładunek układu odosobnionego jest niezmienny lub Suma algebraiczna ładunków w układzie odosobnionym jest stała WdWI 2013 PŁ

Współczesna teoria pola elektromagnetycznego opiera się na mikrocząsteczkowej budowie materii Klasyczne, makroskopowe podejście do teorii zjawisk elektromagnetycznych prowadzi do uproszczonego ale często wystarczająco dokładnego opisu zjawisk Zakładamy ciągły rozkład ładunku -ładunek jest nieskończenie podzielny co umożliwia wprowadzenie definicji gęstości ładunku WdWI 2013 PŁ

Gęstość ładunku Jeżeli ładunek jest rozłożony równomiernie w pewnym obszarze przestrzeni to można zdefiniować gęstość objętościową ładunku ładunek „ro” objętość WdWI 2013 PŁ

Prawo Coulomba r wektor jednostkowy (wersor) Odległość ładunków WdWI 2013 PŁ

Przenikalność dielektryczna Prawo Coulomba Ładunki punktowe Przenikalność dielektryczna środowiska (bezwzględna) Siła oddziaływania WdWI 2013 PŁ

Prawo Coulomba (ładunki jednoimienne) WdWI 2013 PŁ

Prawo Coulomba (ładunki różnoimienne) WdWI 2013 PŁ

Natężenie pola elektrycznego (1) Siła oddziaływania na dany ładunek, bez względu na to ile jeszcze innych ładunków występuje i bez względu na to ja się one poruszają, zależy jedynie od położenia danego ładunku, jego prędkości i jego wielkości. WdWI 2013 PŁ

Wzór Lorentza (1) Odziaływanie pola elektrycznego na ładunek Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu WdWI 2013 PŁ

Wzór Lorentza (2) Ładunek punktowy Siła oddziaływania na ładunek Natężenie pola elektrycznego Natężenie pola magnetycznego WdWI 2013 PŁ

Wzór Lorentza (3) WdWI 2013 PŁ

Natężenie pola elektrycznego (def) Natężeniem pola elektrycznego w dowolnym punkcie, w którym pole istnieje, nazywamy wielkość wektorową, której wartość mierzymy ilorazem siły działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek próbny do wartości tego ładunku WdWI 2013 PŁ

Natężenie pola elektrycznego (wzór) WdWI 2013 PŁ

Pole elektryczne ładunku punktowego P(x,y,z) Ładunek próbny WdWI 2013 PŁ

Linie sił pola elektrycznego Jednym ze sposobów graficznego przedstawienia pola elektrycznego jest wyrysowanie linii pola. Są to krzywe, do których styczne w każdym punkcie pokrywają się z kierunkiem natężenia pola. (Po nich poruszałby się nie zakłócający pola dodatni ładunek próbny.) WdWI 2013 PŁ

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (+) WdWI 2013 PŁ

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (-) WdWI 2013 PŁ

Linie sił pola od dwóch równych ładunków różnoimiennych WdWI 2013 PŁ

Linie sił pola od dwóch równych ładunków dodatnich WdWI 2013 PŁ

Polaryzacja Cząsteczka jako całość jest obojętna  ładunki elektronów i jąder równoważą się Nie wyklucza to posiadania właściwości elektrycznych: zastąpmy ładunki jąder wypadkowym ładunkiem +q i umieśćmy go w środku ciężkości ładunków składowych; podobnie ujemne ładunki zastąpmy ładunkiem -q Otrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o momencie pe + - WdWI 2013 PŁ

Polaryzacja + - WdWI 2013 PŁ

Podatność bezwzględna Polaryzacja (cd) Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku w stosunku do natężenia w próżni jest efektem polaryzacji. Przy braku pola elektrycznego dielektryk jest obojętny elektrycznie; w zewnętrznym polu dipole wytwarzające własne pole elektryczne ustawiają się tak, że ich wypadkowe pole przeciwdziała zewnętrznemu osłabiając je. Stopień polaryzacji określa wektor polaryzacji proporcjonalny do wektora natężenia pola elektrycznego: Podatność bezwzględna WdWI 2013 PŁ

Wektor indukcji Wprowadźmy nową wielkość wektorową WdWI 2013 PŁ

Wektor indukcji (cd) WdWI 2013 PŁ

Wektor indukcji (interpretacja) W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane (efekt polaryzacji) Pierwotnym źródłem pola są ładunki swobodne W dielektryku na pole ładunków swobodnych nakłada się pole od ładunków związanych Wektor natężenia E odpowiada polu wypadkowemu Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od ładunków swobodnych (ale przy takim ich rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka) WdWI 2013 PŁ

Strumień indukcji Pole powierzchni przez którą przenika wektor indukcji Wartość wektora indukcji (prostopadła do powierzchni S i stała na całej powierzchni) S WdWI 2013 PŁ

Strumień indukcji w przypadku ogólnym normalna S WdWI 2013 PŁ

Strumień indukcji w przypadku ogólnym Całka powierzchniowa WdWI 2013 PŁ

Prawo Gaussa Strumień indukcji przez dowolną powierzchnię zamkniętą równa się sumie algebraicznej ładunków elektrycznych obejmowanych przez tę powierzchnię WdWI 2013 PŁ

Pole magnetostatyczne POLE MAGNETYCZNE  wytworzone przez poruszające się ładunki elektryczne. Charakteryzuje się tym, że na poruszające się w nim ciała naładowane działa siła POLE MAGNETOSTATYCZNE stałe w czasie pole wytworzone przez magnesy trwałe i przez prądy stałe. Wiele otrzymanych dla pól statycznych wyników jest również słuszna dla pól magnetycznych wolnozmiennych. Poruszające się ciała  to także przewodniki z prądem. WdWI 2013 PŁ

obraz pola magnetycznego WdWI 2013 PŁ

Siły w polu magnetycznym Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu Jednostka indukcji magnetycznej B wektor indukcji pola manetycznego. WdWI 2013 PŁ

Strumień magnetyczny normalna S WdWI 2013 PŁ

Bezźródłowość pola magnetycznego: Linie pola magnetycznego są krzywymi zamkniętymi wobec czego strumień magnetyczny przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest równy zeru. WdWI 2013 PŁ

Napięcie magnetyczne A B WdWI 2013 PŁ

Napięcie magnetyczne na odcinku o stałym natężeniu A B WdWI 2013 PŁ

Prawo przepływu: Napięcie magnetyczne wzdłuż dowolnej zamkniętej krzywej l równa się całkowitemu przepływowi przez powierzchnię ograniczoną krzywą l. WdWI 2013 PŁ

Ilustracja prawa przepływu Znak zgodnie z regułą śruby prawoskrętnej WdWI 2013 PŁ

Natężenie i indukcja magnetyczna przenikalność magnetyczna Wielkość fizyczna charakteryzująca środowisko ze względu na jego magnetyczne właściwości przenikalność magnetyczna próżni względna WdWI 2013 PŁ

Istota magnetyzmu N S Ładunek magnetyczny WdWI 2013 PŁ

mikroprądy WdWI 2013 PŁ

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Ruch magnesu trwałego Powstawanie napięcia w uzwojeniu (przewodzie) pod wpływem jakiejkolwiek zmiany strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem. Ruch obwodu z Prądem stałym Załączanie napięcia w obwodzie WdWI 2013 PŁ

Strumień skojarzony z danym uzwojeniem Prawo Faradaya Strumień skojarzony z danym uzwojeniem Indukuje się siła elektromotoryczna e o takim zwrocie, że pole towarzyszące przepływowi prądu zmniejsza strumień skojarzony z ramką WdWI 2013 PŁ

Prawo Faradaya (obwód otwarty) Przewód o długości l przemieszcza się w czasie t na odległość x, zmiana strumienia w tym czasie da się wyrazić wzorem: WdWI 2013 PŁ

skąd: Reguła wyznaczania zwrotu napięcia e (strumień i zwrot WNIOSEK: Wzór Faradaya jest uniwersalny i opisuje również zjawisko indukowania się napięcia w przewodzie poruszającym się w stałym polu magnetycznym (obwód otwarty) Reguła wyznaczania zwrotu napięcia e (strumień i zwrot napięcia zgodne z rysunkiem) WdWI 2013 PŁ

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza): + Pod wpływem siły Lorentza: ładunki przemieszczą się (zgrupują); wytworzy się w przewodzie pole elektryczne E równoważące działanie pola B WdWI 2013 PŁ

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza) (cd) - + WdWI 2013 PŁ

Cewka w polu magnetycznym 1 2 3 z Przy zmianie strumieni poszczególnych zwojów indukują się w nich siły elektromotoryczne (napięcia indukowane): WdWI 2013 PŁ

Indukcja wzajemna cewek Cewka 1 Cewka 2 WdWI 2013 PŁ

Cewka 1 Cewka 2 WdWI 2013 PŁ

Siły elektrodynamiczne Siły oddziaływania na siebie przewodów wiodących prąd. Rozpatrzmy dwa równoległe przewody prostoliniowe 1 i 2 z prądami i1 oraz i2 w środowisku jednorodnym (są one dostatecznie długie) Przypomnienie: pole o indukcji B działa na elementarny odcinek przewodnika z prądem z siłą: WdWI 2013 PŁ

Siły elektrodynamiczne WdWI 2013 PŁ

Siły elektrodynamiczne (cd) WdWI 2013 PŁ

Superkondensator - budowa W superkondensatorach nie zachodzą reakcje chemiczne Dużą pojemność uzyskujemy przez zwiększenie powierzchni elektrod Rolę dielektryka pełnią obszary styku przewodzących elektrod z przewodzącym elektrolitem Separator uniemożliwia bezpośrednie zwarcie elektryczne obu elektrod (nie jest barierą dla jonów) Na granicy elektrod i elektrolitu tworzą się dwie warstwy, gdzie gromadzą się nośniki prądu WdWI 2013 PŁ

Superkondesator – zasada działania Suprkondensatory- kondensatory elektrycznej warstwy podwójnej Napięcie graniczne (około 3V) powoduje ruch jonów Siły elektrostatyczne porządkują układ jonów w pobliżu elektrod WdWI 2013 PŁ

Budowa elektrycznej warstwy podwójnej Podwójna warstwa elektryczna składa się z dwóch części warstwy adsorbcyjnej i dyfuzyjnej. Cząstkę możemy przedstawić jako kondensator, którego jedną okładką jest powierzchnia cząstki, a druga okładka rozciąga się na pewną odległość w głąb cieczy. WdWI 2013 PŁ

Ładowanie i rozładowanie superkondensatora Ładowanie i rozładowanie kondensatora zbudowanego z nanorurek. Elektolit: 1.4 M TEABF4 w acetonitrylu. E. Frackowiak et al. / Fuel Processing Technology 77– 78 (2002) 213–219 WdWI 2013 PŁ

Zalety superkondensatorów Duża trwałość (nawet 500000 cykli ładowanie/rozładowanie) Prosty sposób ładowania (wprost ze źródła napięcia) Brak składników szkodliwych dla środowiska (Pb, Cd) Odporność na zwarcie WdWI 2013 PŁ

Fakty o superkondensatorach są stosowane w module hamulcowym hybrydowego samochodu Toyota Prius użyto ich w hybrydowym samochodzie VW z ogniwami paliwowymi, zastosowane są także w opracowywanych od lat samochodach Honda Civic IMA i FCX-V3, znajdują się we wprowadzonej przez firmę Nissan do sprzedaży w Japonii hybrydowej ciężarówce elektryczno-dieslowskiej z hamowaniem regeneracyjnym i wspomaganiem rozruchu, zostały zastosowane w lansowanym przez firmę Man elektryczno-dieslowskim autobusie miejskim z regeneracyjnym systemem hamulcowym, w wersji na napięcie 200V zostały użyte w hybrydowym BMW X5 do hamowania regeneracyjnego. WdWI 2013 PŁ