1. Ogólne wiadomości z podstaw elektrotechniki, warunki przepływu prądu.
Materia zbudowana jest z cząsteczek. Cząsteczka zbudowana jest z atomów. Atom składa się z jądra, złożonego z protonów i neutronów, wokół którego, po orbitach krążą elektrony. Elektron to nośnik elementarnego ładunku ujemnego 1,6 * 10-19C, proton ma elementarny ładunek dodatni, neutron pozbawiony jest ładunku. Ilość protonów = il. elektronów. Elektrony znajdujące się na ostatniej orbicie mogą się z niej wydostać po dostarczeniu odpowiedniej energii. Stają się elektronami swobodnymi.
Elektrony dążą do pola o wyższym potencjale. Ilość ładunków przepływających w jednostce czasu przez dany przekrój przewodnika to natężenie prądu elektrycznego
I = Q/t [A = C/S]
Warunki przepływu prądu:
- różnica potencjałów
- zamknięta droga przepływu ładunków.
Ze względu na przewodzenie prądu ciała dzielimy na: przewodniki, dielektryki i półprzewodniki.
Przewodniki – ciała przewodzące prąd elektryczny. Dzielimy je na 2 klasy: I klasa to metale, II klasa to elektrolity. Mechanizm przewodzenia w metalach polega na ruchu swobodnych elektronów (ruch chaotyczny i uporządkowany), a w elektrolitach na ruchu jonów (występują zmiany chemiczne).
Dielektryki – ciała, które nie przewodzą. Idealne dielektryki nie występują, gdyż wszystkie ciała zawierają domieszki, ponadto może dojść do tzw. polaryzacji, czyli przesunięcia ładunków wewnątrz atomów.
Półprzewodniki – mają właściwości pośrednie. Stosowane w elektronice
2. Obwód elektryczny i jego elementy (opór źródła, stany źródła).
Obwód elektryczny – zamknięta droga złożona z przewodników, wzdłuż której płynie prąd. W skład obwodu wchodzą elementy aktywne (wytwarzające SEM) i pasywne (elementy łączące, niewytwarzające SEM).
Natężenie prądu płynącego w obwodzie jest proporcjonalne do SEM i odwrotnie proporcjonalne do oporu obwodu.
I = E / (Ro + Rw)
Siła elektromotoryczna E jest równoważona przez spadek napięcia na obwodzie wewnętrznym źródła prądu i napięcia na odbiorniku.
E = IRo + IRw = Uw + U
Zależność U = IR to prawo Ohma, które stanowi, że napięcie na zaciskach odbiorników jest wprost proporcjonalne do natężenie płynącego prądu, a współczynnikiem proporcjonalności jest rezystancja R.
U = IR [V = AW]
Stany źródła: jałowy, (znamionowy), zwarcia.
Stan jałowy: prąd nie płynie, I=0, napięcie na zaciskach U = SEM
Stan zwarcia: Ro = 0, I = max, Izw = E / Rw
Opór przewodników:
R = rl/S
R = R20 [1+a(t-20)]
3. Obliczanie obwodów liniowych, I, II prawo Kirchoffa, prawo Ohma.
Przy obliczaniu obwodów liniowych stosuje się prawa:
a) prawo Ohma R = U/I
b) I prawo Kirchoffa SI = 0
c) II prawo Kirchoffa SE = SU (kierunek umowny, kierunek prądu, rozpisanie na IRw + IRo)
4. Moc i praca prądu.
Ładunek elektryczny przepływając pod wpływem różnicy potencjałów U = Va – Vb wykonuje pracę
A = QU [J = CV = AsV]
Praca wykonana w jednostce czasu to moc prądu:
P = A / t [W = J / s]
Przy przepływie prądu przez opornik o oporze R występują zmiana energii elektrycznej na cieplną wyrażoną wzorem
P = IU = I2R = U2/R
A = Pt = IUt = I2Rt = U2t/R
5. Łączenie źródeł napięcia, regulacja natężenia prądu w obwodzie
Łączenie szeregowe – gdy chcemy otrzymać baterię ogniw o napięciu równym sumie napięć poszczególnych ogniw. Przez wszystkie ogniwa płynie całkowity prąd pobierany z baterii.
U = SU
I = I1 = I2
Łączenie równoległe - gdy chcemy otrzymać baterię ogniw o natężeniu prądu równym sumie natężeń poszczególnych ogniw. Wszystkie ogniwa powinny posiadać wówczas tą samą SEM. Napięcie baterii równe jest napięciu, jakie panuje na zaciskach każdego z ogniw.
I = SI
U = U1 = U2
Regulacja natężenia:
a) sumaryczna zmiana R b) zmiana U
I = U/R Iwej = Uwyj/R Uzas = E – IzasRw = Izas - Rr
6. Zjawiska elektrochemiczne.
W wyniku przepływu prądu przez elektrolit, na elektrodach osadzają się produkty elektrolizy, których masa wynosi wg I prawa Faradaya
m = kIt [g]
k – równoważnik elektrochemiczny (masa wydzielona w czasie 1s przy przepływie prądu 1A)
Zgodnie z II prawem Faradaya stosunek mas wydzielonych substancji przy przepływie tego samego prądu w tym samym czasie jest równoważny stosunkowi ich gramorównoważników. Gramorównoważnik to masa substancji, która łączy się z 8 g tlenu, wydzielona przez ładunek 96500 [C] – stała Faradaya.
Elektroliza znalazła zastosowanie w elektrometalurgii, galwanoplastyce, galwanostegii itp.
7. Ogniwo, akumulatory
Ogniwa elektryczne – źródło prądu zbudowane z dwóch metali zanurzonych do swoich jonów. Po złączeniu płytek następuje przepływ prądu. Na elektrodach osadzają się produkty elektrolizy zgodnie z m = kIt.
Akumulator – ogniwo wtórne – elektrolityczne źródło prądu stałego, które w czasie ładowania zamienia energię elektryczna na chemiczną, a przy rozładowywaniu odwrotnie. Pojemność = ładunek [Ah]. Aby zwiększyć pojemność łączymy szeregowo, aby zwiększyć napięcie łączymy równolegle. Sprawność to ilość amperogodzin ładowania do rozładowania. Rozróżniamy akumulatory:
- kwasowe (Pb) – ładowane okresowo, tanie koszty, pojemność zależna od temperatury Q = It, nie może pozostawać nie naładowany dłuższy czas,
- zasadowe (Fe - Ni) – niewrażliwe na wstrząsy, drogie koszty, mogą być trzymane rozładowane
8. Napięcia przemienne i ich wytwarzanie (wartość średnia, skuteczna)
Energie elektryczną wytwarza się w prądnicach w pobliżu naturalnych złóż energetycznych, a następnie transformuje i przesyła pod wysokim napięciem by ponownie obniżyć u odbiorcy.
Zmiana U powodowana:
a) DP = I2Rl
b) mniejszy przekrój przewodów
Wartość średnia – taki prąd stały, który w ciągu ½ okresu przenosi ten sam ładunek, co prąd zmienny
Wartość skuteczna – taki prąd stały, który płynąc w obwodzie o R = const wytworzy w ciągu okresu T tą sama ilość ciepła, jaką w tym czasie wytworzy prąd zmienny.
9. Moc prądu przemiennego. Sumowanie wartości sinusoidalnych.
Występują trzy rodzaje mocy:
- moc czynna, P – średnia moc chwilowa za okres, P = UR Icos f [W]
- moc bierna Q – Q = UC/L I sin f [VAr]
- moc pozorna S – S = UI [VA]
Są związane zależnością wynikającą z trójkąta mocy:
S2 = P2 + Q2 = (UR Icos f )2 + (UC/L I sin f)2 = (UI)2
10. Elementy RLC prądu przemiennego.
R - opornik – oporność czynna,
R= rl/S
R = U/I [W]
L – cewka – indukcyjność, oporność (reaktancja) bierna indukcyjna Xl
Xl = wL = 2pfL [W]
Ul = IwL = 2pfLI [H]
Ql = UlI = I2wL = XlI2 [VAr]
VAr – woltoamper reaktancyjny
C – kondensator – oporność bierna pojemnościowa,
Xc = 1/wC = 1/2pfC [W]
Uc = I/wC = I/2pfC [H]
Qc = UcI = I2/wC = XcI2 [VAr]
Impedancja – opór całkowity
Z = √[R2 + (Xl - Xc)2]
11. Kompensacja mocy biernej.
a) kompensacja indywidualna
b) kompensacja grupowa
c) kompensacja zbiorcza:
W zakładach przemysłowych większość odbiorników energii elektrycznej pobiera oprócz mocy czynnej także moc bierną (silniki, transformatory). W danym okresie rozliczeniowym oblicza się średni cosf i tgf. Gdy współczynnik cosf < 0,8, zakład energetyczny nalicza dodatkową opłatę. Jest to związane z pokryciem strat w przesyle energii, mniejszym (mniej efektywnym) wykorzystaniem generatorów, większym przekrojem przewodów zasilających.
12. Prąd trójfazowy, ukł. 3-faz
Wirująca jednostajnie dwubiegunowa magneśnica prądnicy obejmuje swoim polem umieszczone w żłobkach cewki, indukowany jest prąd. Indukowane w uzwojeniach (R,S,T) napięcia, różnią się między sobą fazami:
e1 = Emsin wt, e2 = Emsin (wt-120), e3 = Emsin (wt-240)
e1 + e2 + e3 = 0
Układy trójfazowe:
a) nieskojarzone (nie rozpowszechnił się z powodu ilości przewodów łączących)
b) skojarzone: - gwiazda - trójkąt
13. Moc symetrycznych ukł 3-faz.
Moc czynna pobierana przez odbiornik 3-faz jest równa sumie mocy czynnych pobieranych przez poszczególne fazy odbiornika.
P = P1 + P2 + P3, ponieważ Uf = UA = UB = UC, If = IA = IB = IC, ff...
wojtekklimczak1