Leonardo da Vinci

Elektrotechnika i elektronika Prowadzący: dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. nzw., budynek WE, KAiE, p. 234, tel. 085 746 94 19, dawid@pb.edu.pl, konsultacje s.234 WE; czwartek 16.00-18.25; piątek 13.15-15.00, 17.40-18.25. UWAGA!!! Dodatkowe materiały nie zastąpią wykładu, mają jedynie charakter pomocniczy!!! Elektrotechnika i elektronika – Jakub Dawidziuk piątek, 24 marca 2017

Elektrotechnika i elektronika Przedmiot obejmuje wykład i ćwiczenia. Zasady zaliczania: wykład 50 pkt – zaliczenie od 30 pkt, ćwiczenia 50 pkt – zaliczenie od 30 pkt. Repetitio est mater studiorum.

Cel wykładu Celem wykładu jest przedstawienie: podstaw elektryczności obwodów prądu stałego, obwodów prądu sinusoidalnego, metod analizy obwodów, wybranych urządzeń w zastosowaniach.

Podstawy elektryczności Temat i plan wykładu Jakub Dawidziuk Podstawy elektryczności Budowa materii Metale i niemetale Pojęcie prądu elektrycznego Podstawowe modele zjawisk w obwodzie Prawa Ohma i Kirchhoffa Łączenie szeregowe i równoległe elementów 5

JEDNOSTKI MIAR - PRZEDROSTKI T – 1012 tera G - 109 giga M - 106 mega k - 103 kilo m - 10-3 mili  - 10-6 mikro n - 10-9 nano p - 10-12 piko f - 10-15 femto Przy skracaniu jednostki z przedrostkiem, symbol jednostki następuje po przedrostku, bez odstępu. Nazwy jednostki nie pisze się wielką literą, jeśli jest ona podawana w pełnym brzmieniu, zarówno z przedrostkim, jak i bez niego; duże litery stosuje się tylko w skrótach. Piszemy: herc i kiloherc, ale Hz i kHz; wat, miliwat i megawat, ale, W, mW i MW.

Symbole, duże i małe litery Wielkie litery Q, I, V, U, R, G, C, L i inne oznaczją wartości statyczne tzn. niezależne od czasu (lub bardzo wolno zmienne tzn. quasi-statyczne). Małe litery q, i, v, u, r, g i inne oznaczają funkcje czasu odpowiednich wielkości czyli naprawdę: q(t), i(t), v(t), u(t) lub wielkości dynamiczne tzn. definiowane w oparciu o przyrosty lokalne. Wyjątki: t – czas, T – temperatur w skali bezwzględnej, f – częstotliowść, ω- częstość.

A wszystko zaczęło się od elektryczności…

1874 F, Braun własności prostownicze siarczków metalicznych WAŻNIEJSZE WYDARZENIA W HISTORII ELEKTRYKI ROZWÓJ PROSTOWNIKÓW 1783-1897 1783 Volta termin półprzewodnik w elektrofizyce 1874 F, Braun własności prostownicze siarczków metalicznych 1897 Thomson odkrycie elektronu 1876 PROSTOWNIK SELENOWY (SIEMENS / ADAMS) 1896 Pollak 1897 Greatz

1903 Thomas patent sterowanie fazowe 1905 kenotron GE 19 kV 0,1 A WAŻNIEJSZE WYDARZENIA W HISTORII ELEKTRONIKI LAMPY ELEKTRONOWE I KENOTRON 1902-1907 1903 Thomas patent sterowanie fazowe 1905 kenotron GE 19 kV 0,1 A 1904 Wehnelt katoda tlenkowa 1904 Fleming dioda 1907 Forest trioda

WAŻNIEJSZE WYDARZENIA W HISTORII ELEKTRONIKI FET, TYRATRON, IGNITRON 1922-1931 ELEKTRONIKA NA PRZEŁOMIE WIEKÓW – Jakub Dawidziuk

FIFTH SOLVAY CONGRESS, BRUSSELS, 1927 „Wszyscy wiedzą, że czegoś nie da się zrobić, i przychodzi taki jeden, który nie wie, że się nie da, i on to właśnie robi” Albert Einstein „Wszyscy wiedzą, że czegoś nie da się zrobić, i przychodzi taki jeden, który nie wie, że się nie da, i on to właśnie robi” Albert Einstein ELEKTRONIKA NA PRZEŁOMIE WIEKÓW – Jakub Dawidziuk

POCZĄTEK ERY PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 1943-1959 Pierwszy ostrzowy tranzystor germanowy na stole laboratoryjnym w Bell Laboratories - rok 1947 1948 wynalezienie tranzystora ostrzowego Bardeen, Brattain, Shockley Nagroda Nobla w 1956 1950 opracowano diody mocy 100 A USA 1951 tranzystor złączowy Shockley 1957 tyrystor (SCR) (Bell Lab, USA) 1959 pierwszy układ scalony Kilby Nagroda Nobla w 2000 ELEKTRONIKA NA PRZEŁOMIE WIEKÓW – Jakub Dawidziuk

Definicja energoelektroniki Model atomu Elektron w atomie może znajdować się tylko w niektórych stanach kwantowych. Jądro (protony, neutrony) Elektron wartościowości Definicja energoelektroniki

Elektron o ładunku ujemnym (e -) Jądro atomu ładunek dodatni ( +) protony (p+) neutrony ( n o) Powłoki elektronowe

Powłoki elektronowe Powłoka walencyjna P - 6 e -2 e - 4 Liczba elektronów na powłokach ATOM WĘGLA

powłoka elektronowa atomu! Powłoka walencyjna? Jest to ostatnia, najdalej odsunięta od jądra powłoka elektronowa atomu!

Metale i niemetale Atomy dowolnego pierwiastka składają się z protonów i neutronów, tworzących jądro atomu, wokół którego krążą elektrony, przy czym liczba elektronów jest równa liczbie protonów. Elektrony rozmieszczone są na orbitach, lub na poziomach energetycznych, a najdalej położone poziomy tworzą pasmo walencyjne. Zapełnione pasmo walencyjne zawiera osiem elektronów i jest bardzo stabilne.

Metale i niemetale c.d. Metale posiadają zapełnione wewnętrzne poziomy energetyczne, natomiast w paśmie walencyjnym znajduje się jeden lub dwa elektrony. Atom miedzi ma zapełnione orbity K, L i M odpowiednio 2, 8 i 18 elektronami, natomiast 1 elektron znajduje się na N orbicie, która stanowi pasmo walencyjne. Elektron znajdujący się na N orbicie jest bardzo słabo związany z jądrem, dlatego też on łatwo opuszcza obszar swojego atomu i przemieszcza się między innymi atomami. W ten sposób, każdy atom miedzi dostarcza swobodny elektron, który porusza się przypadkowo. Pod wpływem pola elektrycznego ruch elektronów staje się ukierunkowany. W ten sposób odbywa się przepływ prądu przez metale.

Metale i niemetale c.d. Pierwiastki-niemetale, i ich związki mają częściowo zapełnione pasmo walencyjne, w którym brakuje jednego lub dwóch elektronów. Niemetale i ich związki chemiczne charakteryzują się silnymi wiązaniami elektronów walencyjnych z jądrem atomu.

Metale i niemetale c.d. Np. złoto jest materiałem dobrze przewodzącym prąd elektryczny i nie ulega utlenianiu, ale jest drogie. Niekiedy stosowane jest ono przy produkcji płytek drukowanych, w szczególności jako materiał na kontaktach drukowanych. Miedź jest dużo tańsza i znajduje częste zastosowanie jako dobry materiał przewodzący.

Co to jest prąd elektryczny? Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.

Przepływ prądu pod wpływem przyłożonego napięcia Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.

Kierunek przepływu prądu

Natężenie prądu to stosunek ładunku elektrycznego przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu jego przepływu. Raz, dwa, trzy...

Jednostką natężenia prądu jest amper. ładunek natężenie prądu czas przepływu ładunku Jednostką natężenia prądu jest amper.

Prąd elektryczny w przewodniku Electron + - I a) b) przypadkowy ruch elektronów nie wytwarza żadnego prądu, przepływ elektronów wywołany przez zewnętrzne źródło zasilające.

Definicja prądu elektrycznego Electron + - I kulomb=amperosekunda 1A=1C/1s 1C stanowi 6,28×1018 elektronów

Prąd elektryczny Kulomb – C – ładunek jaki przepływa przez pewną powierzchnię w czasie 1s, gdy prąd płynący przez tę powierzchnię wynosi 1A. Jeden ładunek elementarny: e=1,602·10-19 C Uporządkowany ruch nośników ładunku elektrycznego Nośniki ładunku elektrycznego to: elektrony – w metalach, dziury lub elektrony – w półprzewodnikach, jony dodatnie lub ujemne – w elektrolitach, Warunki powstania prądu elektrycznego: nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania się w przestrzeni tzn. nie być unieruchomione w sieci krystalicznej, musi istnieć przyczyna ruchu: gradient potencjału lub gradient koncentracji nośników.

Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz.

Opór elektryczny-rezystancja Opór elektryczny (rezystancja) to wynik oddziaływania elektronów przewodnictwa z jonami sieci krystalicznej. ρ - opór właściwy (rezystywność), G - przewodność (konduktancja), przewodność właściwa (konduktywność)

Opór elektryczny-rezystancja Opór przewodnika zależy od rodzaju materiału, z którego zastał wykonany i jego rozmiarów geometrycznych (tj. długości i przekroju poprzecznego). Do metali będących dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego należy srebro, złoto, miedz i aluminium. Jeżeli dwa przewodniki wykonane z tego samego materiału mają: taką samą długość to ten z nich ma większy opór, który ma mniejszy przekrój poprzeczny, taki sam przekrój poprzeczny to ten z nich ma większy opór, którego długości jest większa.

Opór właściwy  w temperaturze 200 C Metale  x 10-6  m Aluminium Cyna Cynk Miedź Ołów 0,0282 0,114 0,0522 0,0168 0,22 Platyna Rtęć Srebro Wolfram Żelazo (czyste) 0,111 0,958 0,0162 0,055 0,0978 Izolatory  x  m Stopy  x 10-6  m Bakelit Bursztyn Ebonit Szkło 1012 - 1014 1020 – 1022 1018 – 1020 1016 – 1017 Brąz fosforowy Mosiądz Stal Żeliwo 0,038 – 0,17 0,08 – 0,07 0,07 – 0,1 2,0 – 5,0   Stopy oporowe  x 10-6  m Konstantan (Cu, Ni) Nikielina (Cu, Ni, Zn) Manganian (Cu, Mn, Ni) Chromonikielina (Cr, Ni, Fe) Kantal (Fe, Cr, Al.) 0,47 – 0,50 0,33 0,43 – 0,45 1,06 1,35 – 1,45  

Przykłady Rodzaj urządzenia Opór elektryczny (Ω) Grzałka elektryczna Około 100 Spirala grzejna w żelazku Około 30 Włókno żarówki 400 – 2000 Uzwojenie głośnika radiowego Około 8

Zależność wartości rezystancji od temperatury R – rezystancja, R0 - rezystancja w danej temperaturze,  ‑ temperaturowy współczynnik rezystancji (cecha charakterystyczna substancji), T - różnica temperatur.

Napięcie Napięcie (symbol U lub E) jest różnicą potencjału elektrycznego między dwoma wybranymi punktami i jest wyrażane w woltach (V). 1V jest to różnica potencjałów (napięcie), przy której dla przesunięcia w obwodzie ładunku elektrycznego o wartości 1C (6,28∙1018 elektronów) prąd elektryczny wykona pracę 1J (Ws). Napięcie jest pracą przypadającą na jednostkowy ładunek. UEB = 5V oznacza, że między punktami E i B występuje napięcie 5V. Punkt E ma potencjał elektryczny dodatni (lub wyższy) względem punktu B. UC= 5 V oznacza, że między punktem C a wspólnym punktem odniesienia (“masą”) występuje napięcie o wartości 5 V.

Napięcie Należy odróżniać napięcia wymuszające prąd czyli siły elektromotoryczne SEM od spadków napięcia będących skutkiem wymuszania prądu. SEM występuje na zaciskach źródeł energii np. baterii elektrycznych, zasilaczy czy nawet elektrowni (symbole: E lub U). Spadki napięć (symbole: tylko U) to po prostu stopniowe obniżenia potencjału na elementach zamykających obwód elektryczny między zaciskami sił elektromotorycznych SEM.

Prawo Ohma Natężenie prądu płynącego w obwodzie jest wprost proporcjonalne do napięcia zasilającego obwód i odwrotnie proporcjonalne do oporu tego obwodu.

. Prawo Ohma I R U U=RI

DELTA

PPK (I) prawo Kirchhoffa węzeł I2=I1+I3+I4 I1+I3+I4-I2=0

NPK (II) prawo Kirchhoffa U1 U2 U5 U3 U4 oczko sieci

NPK (II) prawo Kirchhoffa U1 + _ E U2 U3

Łączenie oporników R1 R2 R3 szeregowe R1 równoległe R2

Połączenie równoległe (2)