PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

1

PORAŻENIE ELEKTRYCZNE

Porażeniem elektrycznym nazywamy szkodliwe dla
organizmu zmiany biologiczne, chemiczne lub fizyczne,
powstające w następstwie przepływu prądu przez ciało
człowieka. Płynący wówczas prąd nazywamy prądem
rażeniowym, a odpowiadający mu spadek napięcia wzdłuż
drogi przepływu prądu przez ciało człowieka - napięciem
rażeniowym.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

2

PRZYCZYNY PORAŻEŃ

Wypadki porażenia zachodzą wskutek:
- dotknięcia części urządzeń elektrycznych znajdujących się

pod napięciem (np. nieizolowanych przewodów, zacisków
itp.),

- dotknięcia części urządzeń elektrycznych, które znalazły się

pod napięciem wskutek uszkodzenia izolacji.

Skutki porażenia zależą od: wartości prądu przepływającego

przez organizm, czas przepływu tego prądu oraz drogi
przepływu prądu w organizmie.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

3

NAJGROŹNIEJSZE PORAŻENIA

Najgroźniejsze są porażenia, przy których serce i ośrodki
nerwowe znajdują się na drodze przepływu prądu
rażeniowego, a wartość płynącego prądu rażeniowego osiąga
niebezpiecznie duże wartości.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

4

NIEWYCZUWALNE DZIAŁANIE

PRĄDU NA ORGANIZM CZŁOWIEKA

Klasa 0,
Skuteczna wartość prądu rażeniowego - 0

÷1 mA,

Czas działania prądu - nieokreślony,
Objawy - skutek przepływu prądu elektrycznego przez

organizm człowieka jest niewyczuwalny.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

5

SILNE SKURCZE MIĘŚNI

Klasa - A 1,
Skuteczna wartość prądu rażeniowego - do 15 mA,
Czas przepływu prądu - nieokreślony,
Objawy - w miarę wzrostu prądu coraz silniejsze

skurcze mięśni palców i ramion, aż do

objawów bólu; ręce obejmujące

przedmiot przywierają tak, że nie można
ich oderwać.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

6

SILNY SKURCZ RAMION

Klasa - A 2,
Skuteczna wartość prądu - 15

÷30 mA,

Czas przepływu prądu - ok. kilkadziesiąt sekund
Objawy - silny skurcz ramion, utrudniony oddech,

wzrost ciśnienia krwi, granice
wytrzymałości.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

7

NIEREGULARNA PRACA SERCA

Klasa A 3,
Skuteczna wartość prądu 30

÷50 mA,

Czas działania prądu - do 1 min
Objawy - nieregularność w pracy serca, bardzo silne

skurcze, utrata przytomności, przy dłuższym
działaniu prądu w górnym zakresie
migotanie komór serca.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

8

MIGOTANIE KOMÓR SERCOWYCH

Klasa - B 1,
Skuteczna wartość prądu - 50 ÷ kilkuset mA,
Czas przepływu prądu - powyżej średniego cyklu

pracy serca (ok. 0,75 s)

Objawy - migotanie komór serca, zaburzenia systemu

nerwowego, utrata przytomności.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

9

UTRATA PRZYTOMNOŚCI

Klasa - B 2,
Skuteczna wartość prądu ponad kilkaset mA,
Czas działania prądu powyżej jednego cyklu pracy serca
Objawy - powtarzające się zatrzymania pracy serca,

utrata przytomności, oparzenia.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

10

PORAŻENIE PRĄDEM STAŁYM

Przy prądzie stałym oddziaływanie na organizm ludzki jest
słabsze; można przyjąć, że dopiero przy dwa razy większym
prądzie szkodliwe skutki są takie, jak przy prądzie
przemiennym o częstotliwości 50 Hz.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

11

PRĄD RAŻENIOWY

Prąd rażeniowy przepływający przez organizm ludzki zależy
od trzech czynników:
- napięcia roboczego w obwodzie zamykającym się przez
organizm człowieka;
- rezystancji ciała ludzkiego;
- rezystancji pozostałych elementów tego obwodu.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

12

OBWÓD RAŻENIA

R

c

U

f

R

l

A

B

C

R

p

R

r

R

n

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

13

WARTOŚĆ PRĄDU RAŻENIA

Wpływ tych czynników na prąd rażenia rozpatrzy się na
przykładzie przebicia izolacji między uzwojeniami
a obudową nieuziemionego silnika przyłączonego do sieci
z uziemionym punktem neutralnym. Jeżeli człowiek dotknie
obudowy silnika, to przez ciało jego przepłynie prąd
rażeniowy

f

r

r

l

n

c

p

U

I

R

R

R

R

R

=

+

+

+

+

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

14

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRĄD

RAŻENIA

U

f

- napięcia fazowe,

R

l

- rezystancja linii zasilającej,

R

r

- rezystancja uziemienia punktu neutralnego,

R

n

- rezystancja naskórka,

R

c

- rezystancja ciała ludzkiego,

R

p

- rezystancja stanowiska (przejścia).

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

15

WPŁYW REZYSTANCJI NASKÓRKA

i WNĘTRZA CIAŁA

W stanie suchym i nieuszkodzonym naskórek jest bardzo
dobrym izolatorem o rezystancji do 100 000

Ω/cm

2

, ale

maleje niemal do zera w stanie wilgotnym lub gdy jest
uszkodzony. Natomiast rezystancja wnętrza R

c

zmienia się

nieznacznie wraz ze zmianą drogi przepływu prądu przez
organizm człowieka. Przyjmuje się, że R

c

= 700 ÷ 1000

Ω.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

16

R

p

- rezystancja przejścia od stóp człowieka do ziemi,

składająca się z rezystancji obuwia i podłoża (rezystancja
obuwia mokrego o podeszwach skórzanych spada do ok. 100

Ω; rezystancja podłoża wynosi setki tysięcy omów przy
podłogach izolacyjnych; przy mokrych podłogach
drewnianych - powyżej 10 000

Ω, a przy mokrych

posadzkach betonowych jest bliska zeru).

WPŁYW REZYSTANCJI STANOWISKA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

17

Napięcie rażenia w najgorszym przypadku może być równe
napięciu fazowemu Ponieważ rezystancje R

r

i R

l

są o dwa

rzędy mniejsze niż R

c

, przeto można je pominąć i wtedy

r

r

n

c

p

U

I

R

R

R

≈

+

+

UPROSZCZONA POSTAĆ WZORU NA

PRĄD RAŻENIA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

18

Ze wzoru wynika, że podłoże izolacyjne (np. mata lub
dywanik izolacyjny) zmniejsza wartość prądu rażenia w
przybliżeniu dziesięciokrotnie. W najbardziej niekorzystnych
warunkach, a więc gdy R

n

≈ 0 i R

p

≈ 0 oraz R

c

≈ 1000 Ω, prąd

f

r

0,24A

1000

U

I

=

≤

WPŁYW REZYSTANCJI PODŁOŻA

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

19

NAPIĘCIE DOTYKOWE

Napięcie dotykowe U

d

to napięcie występujące między takimi

dwoma punktami, które człowiek może dotknąć jednocześnie.
Wartość napięcia dotykowego U

d

zależy od wzajemnego

usytuowania uziomu i przedmiotu uziemianego. Może ona
stanowić część U

z

lub niemal być równa tej wartości.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

20

ROZKŁAD NAPIĘCIA W POBLIŻU

UZIOMU

U

z

I

k

U

d

U

k

20 m

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

21

NAPIĘCIE DOTYKOWE W PEWNEJ

ODLEGŁOŚCI OD UZIOMU

U

z

U

d

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

22

NAPIĘCIE ROBOCZE

Z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej napięcie
robocze jest to napięcie między częściami przewodzącymi
obwodu elektrycznego a ziemią lub między częściami
należącymi do różnych biegunów obwodu elektrycznego.
Napięcie to ma zbliżoną wartość do napięcia znamionowego.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

23

NAPIĘCIE BEZPIECZNE

Napięcie robocze lub dotykowe jest bezpieczne, jeśli w
określonych warunkach środowiskowych nie przekracza
wartości podanych niżej:
25 V dla prądu o częstotliwości 50 Hz,
50 V dla prądu stałego

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

24

NAPIĘCIE KROKOWE

Napięcie krokowe U

k

stanowi różnicę potencjałów, jaka

powstaje między dwoma punktami powierzchni gruntu
w odległości 1 m wskutek przepływu prądu
ziemnozwarciowego.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

25

NAPIĘCIE RAŻENIOWE

Ze względu na rezystancję przejścia R

p

napięcia rażeniowe są

w przeważającej liczbie przypadków mniejsze niż napięcia
dotykowe lub krokowe. Do obliczeń przyjmuje się jednak
R

p

≥ 0 (najbardziej niekorzystne warunki).

Graniczne wartości napięć bezpiecznych określa się na
podstawie przyjętych granicznych prądów rażenia
i rezystancji ciała człowieka.
Rezystancję ciała człowieka stanowi suma rezystancji
wewnętrznej (ok. kilkuset omów) oraz rezystancji naskórka,
która może się zmieniać w bardzo szerokich granicach (od
kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy omów).

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

26

REZYSTANCJA CIAŁA CZŁOWIEKA

Minimalne wartości rezystancji ciała człowieka

Napięcie dotyku,V

25

50 250

Rezystancja ciała,

Ω

2500 2000 650

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

27

PODSTAWOWE ŚRODKI OCHRONY

PRZECIWPORAŻENIOWEJ

Podstawowe środki ochrony przed porażeniem mają za

zadanie zabezpieczenie przed dotknięciem elementów
urządzeń elektrycznych znajdujących się pod napięciem; do
środków tych zaliczamy między innymi:

- umieszczanie nieizolowanych przewodów na wysokościach

poza zasięgiem ręki;

- izolowanie przewodów i urządzeń;
- umieszczanie maszyn i aparatów w osłonach ochronnych

z blachy, siatki stalowej itp. zabezpieczających przed
przypadkowym dotknięciem części pod napięciem.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

28

ŚRODKI OCHRONY DODATKOWEJ

Środki ochrony podstawowej, mimo, że znacznie ograniczają
niebezpieczeństwo porażenia, to jednak nie eliminują go
zupełnie. Dlatego konieczne jest zastosowanie również
ochrony dodatkowej, której zadaniem jest w przypadku
wystąpienia niebezpieczeństwa porażenia ograniczenie jego
skutków. Polega to na zmniejszeniu wartości prądu rażenia,
a także skróceniu czasu przepływu prądu rażenia.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

29

DODATKOWE ŚRODKI OCHRONY

PRZECIWPORAŻENIOWEJ

Dodatkowe środki ochrony mają za zadanie niedopuszczenie
do porażenia prądem - w następstwie pojawienia się napięcia
na obudowach maszyn i aparatów wskutek uszkodzenia
izolacji; do środków tych zalicza się:
uziemienie ochronne, zerowanie, wyłączniki
przeciwporażeniowe, izolację ochronną, ochronne obniżenie
napięcia roboczego, separację odbiorników, sieć ochronną,
izolowanie stanowiska.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

30

ŚRODKI OCHRONY

PRZECIWPORAŻENIOWEJ W SIECIACH

DO 1 kV

W urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu
znamionowym do 1 kV ochronę przeciwporażeniową należy
zapewnić przez zastosowanie napięć bezpiecznych albo
ochrony przeciwporażeniowej podstawowej oraz co najmniej
jednego ze środków ochrony dodatkowej.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

31

UŻYTKOWANIE ENERGII

ELEKTRYCZNEJ

Napęd elektryczny,
Oświetlenie,
Nagrzewanie elektryczne

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

32

OŚWIETLENIE ELEKTRYCZNE

Pojęcia podstawowe,
Elektryczne źródła światła

żarówki,
lampy wyładowcze,
świetlówki
rtęciówki
inne źródła światła

Zasady doboru oświetlenia

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

33

ŚWIATŁO JAKO RODZAJ

PROMIENIOWANIA

ELEKTROMAGNETYCZNEGO

λ

[m]

Fale radiowe

dł

ugie

średnie

krótkie

ultrakrótkie

Promieniowanie

podczerwone

Świat

ło widzialne

Promieniowanie

ultrafioletowe

Promieniowanie

Roentgena

Promieniowanie

γ

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

34

ZAKRES DŁUGOŚCI FALI ŚWIATŁA

Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali
zawierającej się w granicach od ok. 380 do ok. 760 nm
wywołuje wrażenie wzrokowe. Promieniowanie o takiej
długości nosi nazwę promieniowania widzialnego lub światła.
Intensywność odbieranego przez oko wrażenia zależy od
długości fali promieniowania widzialnego. Oko najsilniej
reaguje na promieniowanie o długości fali 555 nm (światło o
barwie żółtozielonej).

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

35

WZGLĘDNA SKUTECZNOŚĆ ŚWIETLNA

1 - oko przystosowane
do jasności (dzień)
2 - oko przystosowane
do ciemności (noc)

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

36

WZGLĘDNA SKUTECZNOŚĆ ŚWIETLNA

Stosunek intensywności wrażenia wzrokowego wywołanego
przez promieniowanie o określonej długości fali do
intensywności wrażenia wzrokowego wywołanego przez
promieniowanie o długości fali 555 nm nazywa się względną
skutecznością

świetlną

promieniowania

monochromatycznego albo współczynnikiem widzialności,
który oznaczamy przez V

λ

.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

37

WIELKOŚCI FOTOMETRYCZNE

Strumień świetlny

Φ

,

Natężenie oświetlenia E,
Światłość I,
Luminacja L.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

38

STRUMIEŃ ŚWIETLNY

Iloczyn mocy wypromieniowanej przez źródło światła i
względnej skuteczności świetlnej odpowiadającej długości
fali wypromieniowanego światła nosi nazwę strumienia
świetnego

Φ

-

moc promienista przenoszona przez

promieniowanie zawarte między

λ

a

λ

+d

λ

, W; V

λ

- względna

skuteczność świetna; K

m

- fotometryczny równoważnik

promieniowania K

m

= 680 lm/W.

2

1

m

eλ λ

d

Φ K

F V

λ

λ

λ

=

∫

eλ

d

F

λ

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

39

JEDNOSTKA STRUMIENIA

ŚWIETLNEGO

Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (lm),
Odpowiada on wypromieniowanej mocy około
1/680 W przy długości fali 555 nm,
Strumień świetlny określa całkowitą moc
promieniowaną ocenianą według wrażenia
wzrokowego

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

40

NATĘŻENIE OŚWIETLENIA

Gęstość powierzchniowa strumienia padającego na daną
powierzchnię

to natężenie oświetlenia E. Natężenie

oświetlenia elementu dS powierzchni oświetlanej jest to
stosunek strumienia świetlnego podającego na ten element do
jego pola dS

d

d

Φ

E

S

=

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

41

JEDNOSTKA NATĘŻENIA

OŚWIETLENIA

Jednostką natężenia oświetlenia jest luks (lx), przy czym
lx = 1 lm/m

2

.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

42

ŚWIATŁOŚĆ

Gęstość kątowa strumienia świetlnego d

Φ

wysyłanego przez

źródło punktowe w danym kierunku nosi nazwę światłości I

Światłość jest wielkością wektorową. W przypadku źródła
punktowego promieniującego równomiernie we wszystkich
kierunkach, moduł wektora światłości jest stały i wynosi

gdzie

Φ

0

- całkowity strumień

źródła.

d

d

Φ

I

ω

=

0

4

Φ

I

π

=

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

43

JEDNOSTKA ŚWIATŁOŚCI

Jednostką światłości jest kandela (cd), przy czym
1 cd = 1 lm/steroradian
1 kandela jest to 1/60 maksymalnej światłości 1 cm

2

powierzchni ciała doskonale czarnego o temperaturze
krzepnięcia platyny (2046 K) pod ciśnieniem 101 325 Pa.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

44

LUMINANCJA

Wielkością decydującą o wrażeniu wzrokowym, jakie
wywołuje obraz źródła światła albo powierzchni odbijającej
lub przepuszczającej światło, jest luminancja L.
Luminancja jest to światłość w danym kierunku przypadająca
na jednostkę pozornej powierzchni źródła albo powierzchni
odbijającej lub przepuszczającej światło.
Powierzchnia pozorna elementu dS ciała świecącego jest to
rzut powierzchni rzeczywistej na płaszczyznę prostopadłą do
kierunku, w którym określa się luminancję.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

45

OBLICZANIE LUMINACJI

d

d cos

I

L

S

α

=

Przy równomiernie świecącej powierzchni

cos

I

L

S

α

α

=

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

46

JEDNOSTKA LUMINACJI

Jednostką luminacji jest kandela na metr kwadratowy
(1 cd/m

2

).

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

47

RODZAJE ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA

-

wskutek termicznego wzbudzenia atomów ciała

promieniującego (źródła),
- przez luminescencję czyli wzbudzenie atomów wywołane
kosztem innego rodzaju energii np. elektrycznej.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

48

ŻARÓWKA Z ŻARNIKIEM Z DRUTU

WOLFRAMOWEGO

Źródłem światła w żarówce jest żarnik wykonany w postaci
skrętki z drutu wolframowego, umocowanej na wspornikach
wewnątrz bańki szklanej oraz połączonej z instalacją za
pomocą trzonka gwintowego lub bagnetowego i oprawki.
Aby uniknąć utleniania żarnika, z wnętrza bańki usuwa się
powietrze. Drut wolframowy ulega w wysokiej temperaturze
rozpylaniu, skutkiem czego maleje średnica drutu, zwiększa
się jego rezystancja i w wyniku tego zmniejsza się moc
żarówki i wysyłany przez nią strumień świetlny. Rozpylony
wolfram osiada na wewnętrznych ściankach bańki i
zmniejszając jej przezroczystość

powoduje dalsze

zmniejszenie strumienia świetlnego wysyłanego przez
żarówkę.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

49

ŻARÓWKA DWUSKRĘTKOWA

W celu ograniczenia zjawiska rozpylania wolframu w
lampach próżniowych stosuje się temperaturę żarnika nie
wyższą niż 2200

o

C. W lampach większej mocy, w celu

uniknięcia rozpylania, stosuje się napełnianie bańki gazem
obojętnym oraz formowanie żarnika w postaci dwuskrętki
tzn. skrętki zwiniętej ze skrętki o mniejszej średnicy. Dzięki
napełnieniu bańki gazem, temperaturę żarnika można
podwyższyć do 2500-2600

o

C. Żarnik dwuskrętkowy stosuje

się tylko w żarówkach średniej mocy, gdyż w żarówkach o
dużej mocy drut wolframowy jest tak dużej średnicy, że
rozpylanie nie ma większego znaczenia.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

50

MOC CZYNNA ŻARÓWEK

Obecnie wykonuje się żarówki o mocy do 25 W jako
próżniowe, o mocy 40-100 W jako gazowane dwuskrętkowe i
o mocy powyżej 100 W jako gazowane jednoskrętkowe.
Wielkościami znamionowymi żarówek są napięcie i moc.
Żarówki stosowane powszechnie w instalacjach mają
napięcie znamionowe 230 V.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

51

SKUTECZNOŚĆ ŚWIETLNA ŻARÓWEK

Skuteczność świetlna żarówek zależy przede wszystkim od
temperatury żarnika. Przyczyną tego jest fakt, że tylko
niewielka część energii wypromieniowanej przez żarówkę ma
charakter promieniowania widzialnego.
Skuteczność świetlna żarówek zwiększa się więc wraz z ich
mocą znamionową.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

52

ZASADA DZIAŁANIA ŚWIETLÓWKI

W świetlówkach zwanych także lampami fluoroscencyjnymi
wyładowanie jarzące odbywa się w mieszaninie argonu z
parami rtęci. Emitowane jest promieniowanie ultrafioletowe,
które pada luminofory. Pod wpływem ich naświetlania
luminofory świecą. Kolor światła zależy od składu
chemicznego luminoforu. Świetlówki mają na przykład
postać rury pokrytej od wewnątrz luminoforem. W obu
końcach rury wtopione są elektrody między którymi odbywa
się wyładowanie.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

53

ZAPŁON ŚWIETLÓWEK

Natężenie pola elektrycznego wytworzonego w świetlówce,
której elektrody są połączone z siecią niskiego napięcia nie
wystarcza do zainicjowania jonizacji lawinowej. W celu
zapoczątkowania wyładowania należy zwiększyć liczbę
swobodnych elektronów w przestrzeni między elektrodami i
przyłożyć do elektrod napięcie rzędu 1000 V chociażby w
postaci krótkotrwałego impulsu. Do podtrzymania
zapoczątkowanego wyładowania wystarcza napięcie
kilkudziesięciu woltów. Po zaświeceniu świetlówki dalsze
podgrzewanie elektrod jest zbędne. Do uzyskania
podwyższonego napięcia stosuje się wiele różnych układów,
w większości z użyciem zapłonnika.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

54

x

UKŁAD POŁĄCZEŃ ŚWIETLÓWKI

C

1

220V

∼

Świetlówka

D

C

.

Z

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

55

DZIAŁANIE UKŁADU ZAPŁONOWEGO

ŚWIETLÓWKI

Zapłonnikiem Z jest mała lampka neonowa, w której jedną z
elektrod jest zgięty pasek bimetalu. Po doprowadzeniu
napięcia do zapłonnika Z rozwija się słabe wyładowanie
świetlące. Elektroda bimetalowa nagrzewając się do
wyładowania odgina się i dotyka drugiej elektrody. Na skutek
zwarcia w obwodzie: źródło napięcia - dławik D - elektroda
świetlówki - zapłonnik Z - druga elektroda świetlówki -
źródło napięcia, płynie dość duży prąd powodujący
podgrzanie elektrod świetlówki.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

56

SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA

W DŁAWIKU

W zwartym zapłonniku nie ma oczywiście żadnego
wyładowania i elektroda bimetalowa stygnąc wraca do
poprzedniego kształtu i rozwiera obwód. Przerwanie
przepływu prądu powoduje pojawienie się dużej siły
elektromotorycznej w dławiku, co umożliwia zapłon
świetlówki. Po zaświeceniu świetlówki napięcie na jej
zaciskach wynosi kilkadziesiąt woltów i nie wystarcza do
powtórnego wyładowania świetlącego w zapłonniku.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

57

SPRAWNOŚĆ ŚWIETLÓWKI

Sprawność świetlówek jest 3 - 4 razy większa niż żarówek.
Strumień świetlny, pobór mocy i sprawność świetlówek
zmieniają się nieznacznie ze zmianą napięcia. Trwałość ich
prawie nie zależy od zmian napięcia zasilającego i w
przeciętnych warunkach wynosi ok. 6000 h świecenia
(zależnie od liczby włączeń).

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

58

ZASADA DZIAŁANIA RTĘCIÓWKI

Źródłem światła w lampie rtęciowej jest jarznik mający
postać krótkiej rurki z wtopionymi na końcach elektrodami.
Jarznik jest umieszczony w zewnętrznej szklanej bańce
ochronnej. W jarzniku znajduje się niewielka ilość płynnej
rtęci oraz neon lub argon o ciśnieniu kilkuset Pa. Rtęciówkę
włącza się do sieci niskiego napięcia przez dławik
stabilizujący bez zapłonników lub specjalnych układów
zapłonowych. W celu zapoczątkowania wyładowania mimo
małej wartości napięcia zasilającego, do jednej z elektrod jest
podłączona poprzez rezystor o dużej rezystancji elektroda
zwana zapłonową, umieszczona w pobliżu elektrody o
przeciwnym znaku.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

59

INICJACJA WYŁADOWANIA

Dzięki małej odległości tych dwóch elektrod natężenie pola
elektrycznego jest wystarczająco duże do zainicjowania
wyładowania. Rezystor w obwodzie elektrody zapłonowej
ogranicza wartość płynącego przez nią prądu. W miarę
postępującej jonizacji gazu prąd zaczyna płynąć między
elektrodami głównymi. Liczba atomów gazu zawartego w
jarzniku jest jednak zbyt mała, aby mogło rozwinąć się
intensywne wyładowanie, prąd jest niewielki i lampa wysyła
niewielki strumień świetlny.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

60

UKŁAD POŁĄCZEŃ RTĘCIÓWKI

K1, K2 - elektrody główne
K3 - elektroda zapłonowa
R - rezystor

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

61

SKUTECZNOŚĆ I BARWA RTĘCIÓWKI

Rtęciówki w zależności od ciśnienia par rtęci dzieli się na
niskoprężne (ciśnienie mniejsze od 100 Pa), wysokoprężne
(ciśnienie 10

5

Pa i więcej) i bardzo wysokoprężne (ciśnienie

10

6

Pa i więcej). Rtęciówki wytwarzają przede wszystkim

światło niebieskie i zielone oraz promieniowanie
ultrafioletowe. Ilość wytwarzanego w lampie światła o innych
barwach jest tym większa im większe jest ciśnienie par rtęci.
W celu uzyskania światła o korzystniejszym składzie
widmowym stosuje się rtęciówki o skorygowanej barwie oraz
lampy o świetle mieszanym.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

62

SKUTECZNOŚĆ ŚWIETLNA RTĘCIÓWKI

W rtęciówkach korekcję barwy światła uzyskuje się poprzez
pokrycie wewnętrznej powierzchni bańki ochronnej
luminoforem przemieniającym padające nań promieniowanie
ultrafioletowe w promieniowanie czerwone, którego brak w
świetle wytwarzanym w jarzniku.
W bańce ochronnej można oprócz jarznika umieścić skrętkę
żarówkową spełniającą rolę stabilizatora i wysyłającą światło
przede wszystkim czerwone korygujące barwę światła
wytwarzanego w lampie. Skuteczność świetlna rtęciówki jest
bardzo duża, lecz barwa światła różni się znacznie od światła
dziennego. Trwałość lamp nisko- i wysokoprężnych wynosi
3000-6000 h.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

63

LAMPY SODOWE (SODÓWKI)

Zasada działania lamp sodowych jest podobna do zasady
działania lamp rtęciowych. Po pełnym rozgrzaniu lampy pary
sodu osiągają ciśnienie rzędu kilku paskali. Rozruch lampy
trwa zwykle 5-15 min. W zależności od ciśnienia par sodu
rozróżniamy lampy sodowe wysokiego i niskiego ciśnienia.
Światło wytwarzane w lampie jest praktycznie
monochromatyczne o barwie żółtej i znakomicie zwiększa
kontrastowość widzenia. Dzięki temu oraz dzięki dużej
skuteczności świetlnej sodówki są najlepszym źródłem
światła do oświetlenia dróg o dużym nasileniu ruchu
kołowego.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

64

ELEKTROTERMIA

Elektrotermia jest działem nauki i techniki zajmującym się
celowymi przemianami energii elektrycznej w ciepło do
celów użytkowych. Elektrotermia wykorzystuje techniki
nagrzewania elektrycznego. Jako synonim słowa
elektrotermia używa się pojęcia elektrotechnologia.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

65

NAGRZEWANIE ELEKTRYCZNE

Nagrzewanie elektryczne jest to technika wytwarzania i
wykorzystywania ciepła z energii elektrycznej.
Problematyka nagrzewania elektrycznego nie ogranicza się
więc do technik wytwarzania ciepła z energii elektrycznej,
lecz obejmuje także zagadnienia wykorzystywania tego ciepła
we wszystkich obszarach działalności człowieka.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

66

NAGRZEWANIE ELEKTRYCZNE

BZEPOŚREDNIE I POŚREDNIE

Nagrzewanie elektryczne bezpośrednie

jest to nagrzewanie

elektryczne znamienne tym, że przemiana energii w ciepło
odbywa się w obszarze nagrzewanym (wsadzie), w którym
rozprzestrzenia się ono zgodnie z prawami termokinetyki.

Nagrzewanie elektryczne pośrednie

jest to nagrzewanie

elektryczne znamienne tym, że przemiana energii w ciepło
dokonuje się poza obszarem nagrzewanym (wsadem), a do
obszaru tego jest dostarczane zgodnie z prawami
termokinetyki.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

67

METODY NAGRZEWANIA

ELEKTRYCZNEGO

Wyodrębnia się 12 metod nagrzewania:

rezystancyjną, promiennikową, elektrodową,

łukową,

indukcyjną, pojemnościową, mikrofalową, plazmową,
elektronową, fotonową, jonową oraz ultradźwiękową.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

68

TECHNOLOGIE NAGRZEWANIA

ELEKTRYCZNEGO

Urządzenia elektrotermiczne stosowane są w następujących
procesach technologicznych:

- obróbka cieplna,
- obróbka plastyczna,
- topienie,
- cięcie,
- suszenie,
- lutowanie,
- ogrzewanie.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

69

NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE

Nagrzewanie rezystancyjne wykorzystuje efekt Joule’a w
ośrodku przewodzącym stałym, połączonym galwanicznie ze
źródłem energii. W 1801 r. L. Tenar przeprowadził
doświadczenie polegające na nagrzewaniu prądem
elektrycznym drutu platynowego. Doświadczenie to
wyprzedziło sformułowanie prawa Ohma (1827 r.) i prawa
Joule’a-Lenza (1842 r.).
.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

70

NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE

BEZPOŚREDNIE

Nagrzewanie rezystancyjne bezpośrednie stosowane jest
głównie do nagrzewania elementów metalowych przed
obróbką plastyczną. Proces przebiega bardzo szybko. Zbędne
jest stosowanie komór termoizolacyjnych. Często natomiast
istnieje konieczność automatycznego wyłączania prądu po
osiągnięciu przez element żądanej temperatury.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

71

NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE

POŚREDNIE

Nagrzewanie rezystancyjne pośrednie polega na
wykorzystaniu ciepła wydzielanego przy przepływie prądu
przez elementy grzejne stanowiące źródło ciepła. Ciepło to na
drodze termokinetycznej przenoszone jest od elementów
grzejnych do wsadu.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

72

MATERIAŁY NA ELEMENTY GRZEJNE

Metalowe

stopy Fe-Cr-Al. np. kanthal,
metale czyste np. platyna lub molibden,
spieki np. superkanthal

Niemetalowe:

karborund,
węgiel,
grafit.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

73

TYPY URZĄDZEŃ REZYSTANCYJNYCH

Piece rezystancyjne

do topienia
do obróbki cieplnej i obróbki cieplno-chemicznej,
fluidalne,

Suszarki,
Cieplarki (utrzymanie w komorze stałej temperatury do
100

o

C),

Ogrzewacze wody
Nagrzewnice rezystancyjne

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

74

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE

Nagrzewanie indukcyjne polega na wydzielaniu się ciepła we
wsadzie metalowym wskutek indukowania się prądów
wirowych wywołanych zmiennym strumieniem
magnetycznym.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

75

GŁĘBOKOŚĆ WNIKANIA POLA

ELEKTROMAGNETYCZNEGO DO

WSADU

Głębokość wnikania pola elektromagnetycznego

δ

jest

jednym z podstawowych parametrów wsadu nagrzewanego
indukcyjnie. Decyduje o większości wskaźników techniczno-
ekonomicznych procesu

ω

- pulsacja,

μ - przenikalność magnetyczna, γ -

konduktywność.

2

,

δ

ωμγ

=

m

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

76

TŁUMIENIE GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ

MOCY CZYNNEJ W FUNKCJI

WZGLĘDNEJ ODLEGŁOŚCI

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

77

WARTOŚCI GŁĘBOKOŚCI WNIKANIA

δ, 10

-3

m

miedź

aluminium

stal

f, kHz

υ = 20

o

C

μ

r

= 1

γ = 56· 10

6

S/m

υ = 1100

o

C

μ

r

= 1

γ = 5· 10

6

S/m

υ = 20

o

C

μ

r

= 1

γ = 34· 10

6

S/m

υ = 660

o

C

μ

r

= 1

γ = 5,1· 10

6

S/m

υ = 20

o

C

μ

r

= 16

γ = 5· 10

6

S/m

υ = 800

o

C

μ

r

= 1

γ = 10

6

S/m

0,05

0,15

1,00

10,00

100,00

1000,0

0

9,5

5,5

2,1

0,67

0,21

0,067

31,8

18,4

7,1

2,25

0,71

0,22

12,2

7,0

2,7

0,86

0,27

0,086

31,5

18,2

7,0

2,2

0,7

0,22

3,0

4,6

1,8

0,56

0,18

0,056

71,2

41,1

15,9

5,0

1,6

0,5

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

78

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE

SKROŚNE

Nagrzewanie indukcyjne skrośne uzyskuje się umieszczając
wsad w zmiennym polu magnetycznym o takiej
częstotliwości, aby uzyskać nagrzewanie całej objętości.
Często stosuje się nagrzewnice indukcyjne skrośne o
częstotliwości sieciowej. Często konieczne są długie czasy
nagrzewania celem wyrównania rozkładu temperatury.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

79

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE

POWIERZCHNIOWE

Nagrzewanie indukcyjne powierzchniowe stosuje się
wówczas, gdy chcemy nagrzać jedynie cienką warstwę
przypowierzchniową. Wymaga to użycia prądu wzbudnika o
wysokiej częstotliwości, a także krótkich czasów
nagrzewania.
Zastosowanie: hartowanie indukcyjne powierzchniowe.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

80

TYPY URZĄDZEŃ INDUKCYJNYCH

Nagrzewnice indukcyjne
Piece indukcyjne

tyglowe,
kanałowe.

Urządzenia do topienia lewitacyjnego.

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

81

PIECE INDUKCYJNE TYGLOWE

1,3 - tygiel, 2 - obudowa,
4 - otwór wentylacyjny,
5 - pokrywa, 6 - spust,
7 - chłodnica, 8 - wzbudnik
9 - jarzmo

PRZETWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii ZIP30

82

INNE TYPY URZĄDZEŃ

ELEKTROTERMICZNYCH

Piece łukowe do produkcji stali,
Piece łukowo-rezystancyjne do produkcji żelazostopów,
Kotły elektrodowe,
Nagrzewnice dielektryczne do materiałów nieprzewodzących,
Lasery do cięcia i mikroobróbki.