Napięcie (U,czasem E)
Definicje
Napięcie między dwoma punktami jest to wypadek energii (wykonana praca), ko0nieczny do przeniesienia jednostkowego ładunku dodatniego z punktu bardziej ujemnego (o niższym potencjale) do punktu bardziej dodatniego (o wyższym potencjale)
Jest to energia uwolniona gdy ładunek jednostkowy „spada” z punktu o wyższym potencjale do punktu o niższym potencjale
Aby ładunek jednego kulomba pokonał różnicę potencjałów jednego wolta, trzeba wykonac pracę jednego dżula (Kolumb = ładunek 6·1018 elektronów)
Nazywane różnica potencjałów lub siłą elektromotoryczną (SEM)
Zawsze należy mówić o napięciu „miedzy” dwoma punktami układu, często mawiamy tez o napięciu „w danym punkcie układu” - napięcie jest wtedy rozumiane jako napiecie między danym punktem a masa (wspólnym punktem o którym wszyscy zdają się wiedzieć)
Wytwarzamy napięcia, zmuszając do pracy urządzenia takie jak
Bakterie(siły elektrochemiczne)
Turbogeneratory (siły magnetyczne)
Ogniwa słoneczne (fotoelektryczne przekształcanie energii fotonów)
Jednostka miary jest wolt
Zwykle wyraża się się woltach (V), kilowoltach (kV), miliwoltach (mV), lub mikrowoltach (μV)
Rzadko posługujemy się nanowoltami (nV) i megawoltami (MV)
Prąd (I)
Definicja
Prąd wyraża szybkość ładunku elektrycznego obok pewnego punktu.
Prąd jednego ampera jest przepływowi ładunku jednego Kolumba na sekunde.
Umownie przyjmuje się, że prąd płynie od punktu bardziej dodatniego dodo punktu bardziej ujemnego, mimo, że faktycznie kierunek przepływu jest przeciwny
Zawsze należy mówić o prądzie przepływającym „ przez” urządzenie lub połączenie w układzie.
Otrzymujemy prądy, wymuszając napięcia między punktami obwodu.
Jednostka miary - amper
Zwykle wartość prądu w układach elektronicznych podaje się w amperach podaje się w amperach (A), miliamperach (mA), mikroamperach (μA), nanoamperach (nA) lub sporadycznie (pA)
W rzeczywistych układach łączymy elementy za pomoca drutów, czyli przewodów metalowych, których każdy punkt ma to samo napięcie ( względem masy oczywiście). W zakresie dużych częstotliwości lub małych impedancji nie jest prawdą
Impedantacji Z
wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu i napięciem w obwodach prądu zmiennego.
Impedancja jest uogólnieniem oporu elektrycznego charakteryzującego tę zależność w obwodach prądu stałego.
Impedancja jest wielkością zespoloną. Część rzeczywista impedancji opisuje opór związany z prądem płynącym w fazie zgodnej z przyłożonym napięciem, część urojona – z prądem przesuniętym w fazie, który wyprzedza przyłożone napięcie lub jest opóźniony względem niego.
Uwaga: Czasem skrótowo i błędnie impedancją jest nazywany moduł impedancji czyli zawada, ale także odwrotnie – impedancja zawadą.
W opisie z użyciem funkcji zespolonych napięcie elektryczne przemienne przedstawia się z użyciem funkcji wykładniczej o argumencie i wartości będącej liczbami zespolonymi. Impedancja jest równa ilorazowi napięcia i natężenia prądu:
Przykładowo napięcie można przedstawić jako Pod wpływem napięcia w obwodzie płynie prąd, którego natężenie: i(ω,t) = i1ej(ωt+φ) = i1 ejφ ejωt = i0 ejωt, gdzie:
u0 oraz i0 są amplitudami zespolonymi odpowiednio napięcia i prądu,
jest przesunięciem fazowym między napięciem a natężeniem prądu.
Impedancja wiąże się z tymi wielkościami:
Część rzeczywista i urojona
Użycie funkcji zespolonych umożliwia pominięcie części oscylacyjnej funkcji. Z tego względu, że przesuniecie fazowe φ zależy też od częstotliwości, w ogólności zapisuje się impedancję jako wielkość zależną od częstości kołowej:
Część rzeczywistą impedancji R nazywa się rezystancją lub oporem czynnym, i odpowiada za prąd płynący w fazie z napięciem i moc czynną urządzenia.
Część urojoną impedancji nazywa się reaktancją lub oporem biernym, odpowiada za prąd przesunięty względem napięcia o ±90° i moc bierną.
Faza impedancji φ ma sens fizyczny przesunięcia fazowego między przyłożonym napięciem a płynącym prądem.
Moduł impedancji
Moduł impedancji, zwany również zawadą, wyrażony jest wzorem
Właściwości
Impedancja idealnego rezystora
Impedancja idealnego rezystora jest rzeczywista (ma zerową część urojoną)
O impedancji będącej liczbą rzeczywistą mówi się, że ma charakter rezystywny lub czynny.
Impedancja kondensatora
Impedancja idealnego kondensatora jest urojona (ma zerową część rzeczywistą) i wyraża się przez
Jeżeli reaktancja X jest ujemna, wtedy nazywa się ją kapacytancją, a o impedancji mówi, że ma charakter pojemnościowy.
Impedancja indukcyjności
Impedancja idealnej indukcyjności jest urojona (ma zerową część rzeczywistą) i wyraża się przez
Jeżeli reaktancja X jest dodatnia, nazywa się ją wtedy induktancją, a o impedancji mówi, że ma charakter indukcyjny.
Łączenie impedancji
Szeregowe połączenie impedancji
Przy obliczaniu impedancji zastępczych postępuje się podobnie jak przy łączeniu rezystorów.
Jeżeli łączone są szeregowo elementy o impedancjach Z1 ... Zn, impedancja zastępcza ma wartość:
Równoległe połączenie impedancji
Jeżeli łączone są równolegle elementy o impedancjach Z1 ... Zn, to impedancja zastępczą określa wzór:
Zastosowanie
Pojęcie impedancji ma duże znaczenie w fizyce, do analizy właściwości elektrycznych materiałów (spektroskopia impedancyjna). W elektrotechnice i elektronice jest używana przy analizie obwodów prądu przemiennego. Przykładem może być analiza obwodów rezonansowych..
Szeregowy obwód rezonansowy RLC[edytuj]
Równoległy układ RLC
Impedancja szeregowo połączonych elementów rezystora R, kondensatora C i indukcyjności L jest sumą impedancji elementów obwodu:
moduł impedancji
Impedancja osiąga minimum o wartości R przy częstości równej
Przy tej częstości prąd płynący przez obwód przy danym przyłożonym napięciu osiągnie maksimum (zjawisko rezonansu).
Równoległy obwód rezonansowy RLC
Dla równolegle połączonych elementów rezystora R, kondensatora C i indukcyjności L, odwrotność wypadkowej impedancji jest sumą odwrotności impedancji elementów obwodu:
Wzór na moduł impedancji będzie miał postać
Ze wzoru tego widać, że częstość rezonansowa układu jest taka sama, jak w połączeniu szeregowym, natomiast wartość modułu impedancji osiąga w rezonansie maksimum równe R.
Jednostka
Jednostką impedancji w układzie SI jest 1 om.
Reguły dotyczące prądu i napięcia
1) suma pradów wpływających do danego punktu jest równa sumie prądu wypływających z niego (zasada zachowania ładunku, Prądowe prawo Kirchoffa). Taki punkt nazywa się węzłem. Z podanej zasady wynika właściwość: w układzie szeregowym (zbiór elementów dwukońcówkowych połączonych ze sobą kolejnymi końcówkami) prąd jest wszędzie taki sam
2)Na elementach połączonych równolegle występuje to samo napięcie. Inaczej mówiąc suma „spadków napięcia” miedzy punktami A i B układu, obliczana dla jednej drogi miedzy tymi punktami, jest równa sumie spadków napięcia dla każdej drogi i równa się napięciu między A i
B . Czasami wyraża się to następująco: suma spadków napięcia na elementach połączonych w zamknięty obwód równa się zeru(napięciowe prawo Kirchoffa)
3)Moc (praca w jednostce czasu) pobierana przez urządzenie wynosi: P = UI . Jest to po prostu (praca/ładunek)·(ładunek/czas). Dla U w woltach i I w amperach, otrzymuje się P w watach. Waty to dżule na sekundę (1W=1J/s). Moc zamienia się w ciepło(zazwyczaj) lub czasami w pracę mechaniczną (silniki), energię promieniowania (lampy, nadajniki) lub energię zmagazynowana (baterie, kondesatory). Opanowanie ciepła wydzielanego w skomplikowanym systemie (np. w komputerze, gdzie wiele kilowatów energii elektrycznej zamienia się w ciepło, dając energetycznie nieistotny produkt