,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Piotr Ziółek

Analizowanie obwodów elektrycznych i elektronicznych
723[03].O1.06

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
mgr inż. Piotr Nowak
mgr inż. Tomasz Kacperski

Opracowanie redakcyjne:
inż. Piotr Ziółek



Konsultacja:
mgr inż. Andrzej Kacperczyk

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 723[03].O1.06
,,Analizowanie obwodów elektrycznych i elektronicznych”, zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu mechanik–operator pojazdów i maszyn rolniczych.






















Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

3

2. Wymagania wstępne

5

3. Cele kształcenia

6

4. Materiał nauczania

7

4.1. Podstawowe pojęcia, wielkości, elementy w obwodach elektrycznych

i elektronicznych

7

4.1.1. Materiał nauczania

7

4.1.2. Pytania sprawdzające

14

4.1.3. Ćwiczenia

14

4.1.4. Sprawdzian postępów

15

4.2. Źródła prądu i obwody elektryczne

16

4.2.1. Materiał nauczania

16

4.2.2. Pytania sprawdzające

20

4.2.3. Ćwiczenia

20

4.2.4. Sprawdzian postępów

21

4.3. Prawa i parametry opisujące obwody elektryczne i elektroniczne

22

4.3.1. Materiał nauczania

22

4.3.2. Pytania sprawdzające

27

4.3.3. Ćwiczenia

27

4.3.4. Sprawdzian postępów

29

4.4. Ochrona przeciwporażeniowa

30

4.4.1. Materiał nauczania

30

4.4.2. Pytania sprawdzające

32

4.4.3. Ćwiczenia

32

4.4.4. Sprawdzian postępów

34

5.

Sprawdzian osiągnięć

35

6.

Literatura

39

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoże Ci w przyswajaniu wiedzy o zasadach i sposobach analizowania

obwodów elektrycznych i elektronicznych. Poradnik zawiera:

−

wymagania wstępne, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś opanować przed
przystąpieniem do realizacji jednostki modułowej,

−

cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z tym
poradnikiem,

−

materiał nauczania, który umożliwi Ci samodzielne przygotowanie się do wykonywania
ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów,

−

pytania sprawdzające, które pomogą sprawdzić, czy opanowałeś podany materiał
nauczania z zakresu naprawiania części maszyn i urządzeń rolniczych,

−

ćwiczenia, które ułatwią nabycie umiejętności praktycznych,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć.
W materiale nauczania zostały przedstawione zagadnienia dotyczące: organizacji,

wyposażenia stanowiska pracy, technologii analizowania obwodów elektrycznych
i elektronicznych. Przy wyborze treści pomoże Ci nauczyciel, który wskaże zagadnienia
szczególnie ważne, jak i pomocnicze potrzebne do wykonywania zadań określonych dla
zawodu operator pojazdów i maszyn rolniczych. Do poszerzenia wiedzy powinieneś
wykorzystać literaturę oraz skorzystać z innych źródeł informacji. W przypadku trudności
z opanowaniem materiału lub zrealizowaniem ćwiczenia poproś nauczyciela o pomoc.
Z rozdziałem Pytania sprawdzające możesz zapoznać się przed przystąpieniem do rozdziału
materiał nauczania – poznając przy tej okazji wymagania wynikające z potrzeb zawodu, a po
przyswojeniu wskazanych treści, odpowiadając na te pytania sprawdzisz stan swojej
gotowości do wykonywania ćwiczeń.

Kolejnym etapem poznawania oraz uzupełniania i utrwalania zagadnień dotyczących

analizowania obwodów elektrycznych i elektronicznych będzie wykonywanie ćwiczeń. Po
wykonaniu ćwiczeń sprawdź poziom swoich postępów rozwiązując Sprawdzian postępów,
zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu: przeczytaj pytania i odpowiedz na nie wstawiając
X w odpowiednie miejsce. Odpowiedzi NIE wskazują na luki w Twojej wiedzy. Oznacza to
powrót do treści, które nie są dostatecznie opanowane i uzupełnienie wiedzy. Poznanie przez
Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości będzie stanowiło dla nauczyciela
podstawę do przeprowadzenia sprawdzianu przyswojonych wiadomości i ukształtowanych
umiejętności. W tym celu nauczyciel posłuży się zestawem zadań testowych.

Przykładowy zestaw zadań testowych zamieszczony jest w rozdziale 5 tego poradnika.

Zawiera on instrukcję, w której wyjaśniono tok przeprowadzania sprawdzianu, przykładową
kartę odpowiedzi, w której, w odpowiednich miejscach zaznacz odpowiedzi na pytania;
będzie to stanowić dla Ciebie trening przed sprawdzianem zaplanowanym przez nauczyciela.

W czasie zajęć dydaktycznych musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy, przepisów przeciwpożarowych i ochrony środowiska zgodnie
z obowiązującymi normami prawnymi.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

Schemat układu jednostek modułowych

723[03].O1

Podstawy techniki

ogólnej

723[03].O1.01

Stosowanie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy,

ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska

723[03].O1.02

Posługiwanie się

dokumentacją

techniczną

723[03].O1.03

Stosowanie materiałów

konstrukcyjnych i

eksploatacyjnych

723[03].O1.04

Wykonywanie operacji

techniczno - technologicznych

723[03].O1.05

Wykonywanie operacji

obróbki skrawaniem

723[03].O1.06

Analizowanie obwodów

elektrycznych i elektronicznych

723[03].O1.07

Obsługiwanie maszyn i urządzeń

elektrycznych

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji jednostki modułowej analizowanie obwodów elektrycznych

i elektronicznych powinieneś umieć:

−

czytać ze zrozumieniem informacje przedstawione w formie opisu, instrukcji, rysunków,
szkiców, wykresów, dokumentacji technicznej,

−

rozpoznawać elementy, zespoły i układy na rysunkach, schematach, zgodnie z instrukcją,

−

określać funkcje zespołów i układów,

−

wykonywać proste szkice i rysunki,

−

weryfikować podzespoły i części,

−

nazywać i użytkować narzędzia,

−

organizować stanowisko pracy do diagnostyki, naprawy i obsługi sprzętu technicznego
zgodnie z wymaganiami ergonomii,

−

radzić sobie w sytuacjach problemowych,

−

samodzielnie podejmować decyzje,

−

podejmować decyzje dotyczące wyboru technologii naprawy,

−

podejmować decyzje zawodowe zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska,

−

skutecznie komunikować się z innymi uczestnikami procesu pracy,

−

oceniać własną pracę,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

przewidywać i wskazywać zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego oraz środowiska
przyrodniczego,

−

udzielać pomocy przed lekarskiej ofiarom wypadków przy procesie pracy.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

wyjaśnić podstawowe pojęcia z zakresu elektrotechniki i elektroniki,

−

wyjaśnić zjawisko powstawania i przepływu prądu elektrycznego w obwodach
elektrycznych,

−

rozróżnić materiały przewodzące, półprzewodzące, izolacyjne, magnetyczne oraz
wskazać ich zastosowanie,

−

rozróżnić źródła i rodzaje prądu elektrycznego,

−

rozróżnić podstawowe elementy obwodu elektrycznego,

−

włączyć przyrządy pomiarowe w obwód elektryczny,

−

odczytać wskazania przyrządów pomiarowych,

−

dokonać pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych: napięcia, natężenia prądu,
rezystancji i mocy oraz zinterpretować ich wyniki,

−

zastosować wzory do obliczania podstawowych wielkości elektrycznych,

−

rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne,

−

wyjaśnić działanie i zastosowanie elementów elektronicznych w wyposażeniu
elektrycznym maszyn i urządzeń,

−

rozróżnić i odczytać symbole i oznaczenia elektryczne i elektroniczne na schematach
oraz na maszynach i urządzeniach,

−

rozpoznać typowe usterki i uszkodzenia występujące w obwodach instalacji i osprzęcie
elektrycznym maszyn i urządzeń,

−

przewidzieć zagrożenia i ich skutki podczas pracy z urządzeniami zasilanymi prądem
elektrycznym oraz zastosować zasady bezpiecznej obsługi,

−

udzielić pierwszej pomocy osobom porażonym prądem elektrycznym.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

4.

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Podstawowe pojęcia, wielkości elementy w obwodach

elektrycznych i elektronicznych

4.1.1. Materiał nauczania

Analizowanie obwodów elektrycznych i elektronicznych jest bardzo obszernym tematem

ze względu na powszechne zastosowanie obwodów elektrycznych i elektronicznych. Wiele
maszyn i urządzeń wykorzystywanych jest wyposażonych w elektronikę oraz obwody
elektryczne. Wynika to z konieczności konstruowania złożonych mechanizmów, które
powinny być napędzane niezależnie od siebie. Również przekazywanie energii elektrycznej
do poszczególnych elementów wykonawczych jest łatwiejsze niż doprowadzenie napędu
mechanicznego od jednego silnika. Jest to powodem zapotrzebowania na energię elektryczną,
potrzebną do zasilania obwodów elektrycznych i elektronicznych. Energia elektryczna jest
stosunkowo tanim źródłem energii, ekologicznym, dostępnym i prostą w eksploatacji –
wymaga tylko przewodów doprowadzających, a nie złożonych układów napędowych do jej
przekazania.. Energia elektryczna inaczej nazywana prądem elektrycznym powstaje jako
uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Jest utożsamiany w obwodach elektrycznych
jako natężenie prądu elektrycznego. Natężenie jest definiowane jako stosunek ładunku
elektrycznego przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodu (elementu) do czasu
w jakim on przepływa. Natężenie prądu elektrycznego oznaczane jest literą „i” (dużą lub małą
–dla wartości chwilowych). Jest to wielkość skalarna, a jej jednostką w układzie SI jest
1 amper oznaczany duża literą „A”. Każdemu punktowi w środowisku przewodzącym prąd
elektryczny można przyporządkować określony potencjał mierzony względem punktu
odniesienia. Różnicę potencjałów miedzy dwoma punktami tego środowiska nazywamy
napięciem elektrycznym. Napięcie elektryczne oznaczane będzie literą „U” (dużą lub wartości
chwilowe małą). Jest to wielkość skalarna, a jej jednostką w układzie SI jest 1 wolt oznaczany
dużą litera „V”.

Prąd elektryczny jest to ruch ładunków elektrycznych i dlatego ciała występujące

w przyrodzie klasyfikujemy pod względem właściwości elektrycznych na przewodniki,
izolatory i półprzewodniki.

Przewodniki są to ciała przez które może przepływać prąd elektryczny nazywany prądem

przewodzenia. Przewodniki dzielimy na dwie klasy: pierwsza klasa to metale, druga to
elektrolity. Przewodzenie prądu w metalach polega na ruchu elektronów swobodnych.
Przewodnikami drugiej klasy są roztwory wodne kwasów, zasad i soli zwane elektrolitami.
Przewodzenie prądu polega na uporządkowanym ruchu jonów wywołanymi zewnętrznymi
siłami elektrycznymi. Podczas przepływu prądu przez elektrolity zachodzą zmiany
chemiczne.

Izolatory to dielektryki charakteryzujące się tym, że w strukturze ich budowy nie

występują elektrony swobodne, nie posiadają zdolności przewodzenia prądu elektrycznego.
Do dielektryków zaliczamy wiele ciał stałych: porcelana, mika, szkło, papier, bawełna,
tworzywa sztuczne. Izolatorami są także niektóre ciecze: woda (destylowana lub czysta
chemicznie nie posiadająca w swoim składzie minerałów i soli), olej mineralny i gazy.

Półprzewodniki są to ciała posiadające właściwości pośrednie w stosunku do

przewodników i izolatorów. Zaliczamy do nich np. krzem, german, selen, niektóre tlenki
metali. W określonych warunkach stają się bardzo dobrymi przewodnikami np. pod wpływem
wysokiej temperatury. Technika półprzewodnikowa jest obecnie najbardziej dynamicznie
rozwijającą się gałęzią elektroniki.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

Elementy półprzewodnikowe wypierają elementy lampowe używane w starych

konstrukcjach. Półprzewodniki posiadają różne właściwości i charakteryzują się
niejednakowymi zdolnościami przewodzenia prądu co jest wykorzystywane w produkcji
układów scalonych. Układy scalone znalazły szerokie zastosowanie jako elementy sterujące.
Za pośrednictwem układów scalonych możemy sterować dowolnie parametrami pracy
maszyn i urządzeń. Właściwości te spowodowały, że układy elektroniczne znalazły szerokie
zastosowanie w technice.

Materiały magnetyczne

Wszystkie pierwiastki chemiczne i ich związki wykazują pewne własności magnetyczne

(zobacz tabela pierwiastków na dole strony). Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk
fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez
prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne. Pole magnetyczne w fizyce jest
przestrzenią, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała
mające moment magnetyczny, niezależnie od ich ruchu. Stałe pole magnetyczne jest
wywoływane przez ładunki elektryczne znajdujące się w ruchu jednostajnym. Istnieje kilka
podstawowych

typów

materiałów

magnetycznych:

diamagnetyki,

paramagnetyki,

ferrimagnetyki, ferromagnetyki, antyferromagnetyki.

Rys. 1. Wykaz pierwiastków z podziałem na typy materiałów magnetycznych [http://pl.wikipedia.org.]

Grupa

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

Okres

1

1

H

2

He

2

3

Li

4

Be

5

B

6

C

7

N

8

O

9

F

10

Ne

3

11

Na

12

Mg

13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

4

19

K

20

Ca

21

Sc

22

Ti

23

V

24

Cr

25

Mn

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

5

37

Rb

38

Sr

39

Y

40

Zr

41

Nb

42

Mo

43

Tc

44

Ru

45

Rh

46

Pd

47

Ag

48

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

Te

53

I

54

Xe

6

55

Cs

56

Ba

*

72

Hf

73

Ta

74

W

75

Re

76

Os

77

Ir

78

Pt

79

Au

80

Hg

81

Tl

82

Pb

83

Bi

84

Po

85

At

86

Rn

7

87

Fr

88

Ra

?

104

Rf

105

Db

106

Sg

107

Bh

108

Hs

109

Mt

110

Ds

111

Rg

112

Uub

113

Uut

114

Uuq

115

Uup

116

Uuh

117

Uus

118

Uuo

8

119

UUe

120

Ubn

121

Ubu

122

Ubb

Lantanowce

*

57

La

58

Ce

59

Pr

60

Nd

61

Pm

62

Sm

63

Eu

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

Ho

68

Er

69

Tm

70

Yb

71

Lu

Aktynowce

?

89

Ac

90

Th

91

Pa

92

U

93

Np

94

Pu

95

Am

96

Cm

97

Bk

98

Cf

99

Es

100

Fm

101

Md

102

No

103

Lr

Legenda do układu okresowego

Diamagnetyk

Paramagnety

k

Ferromagnetyk

Ferrimagnetyk

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

Ferromagnetyki są grupą najbardziej znaczących i najszerzej stosowanych materiałów

magnetycznych. Dzieli się je na trzy podgrupy. Są to materiały magnetycznie miękkie, twarde
i półtwarde. W zależności od sposobu wytwarzania, składu chemicznego, obróbki oraz
zastosowania, te trzy podgrupy dzielą się na szereg mniejszych kategorii. Na rys. 1 pokazano,
które z pierwiastków należą do materiałów magnetycznych.

Obwód elektryczny

Za obwód elektryczny uważa się takie połączenie elementów ze sobą, że istnieje

możliwość przepływu prądu w tym połączeniu. Obwód jest odwzorowany (przedstawiany)
poprzez schemat, na którym elementy zaznaczone są symbolami graficznymi, sposoby ich
połączenia ze sobą, tworząc określoną strukturę. W skład obwodu oprócz odbiorników
wchodzą również: gałęzie, węzły, oczka - pełniącą ważną rolę w strukturze obwodu:

−

gałąź obwodu jest tworzona poprzez jeden lub kilka elementów połączonych ze sobą,

−

węzłem obwodu jest zacisk będący końcówką gałęzi do którego można dołączyć
następną gałąź lub kilka gałęzi,

−

źródła energii elektrycznej takie jak: akumulatory, baterie, prądnice,

−

oczko obwodu to zbiór gałęzi tworzących obwód zamknięty dla prądu elektrycznego.
Oczko ma właściwość, która charakteryzuje się tym, że po usunięciu dowolnej gałęzi ze
zbioru pozostałe gałęzie nie tworzą drogi zamkniętej dla prądu elektrycznego,

−

element obwodu to część obwodu, która jest nie podzielna pod względem
funkcjonowania. W przypadku podzielenia elementu traci on swoje właściwości oraz
funkcje jakie pełni w obwodzie. Elementy tworzą gałąź obwodu, przetwarzają energię
elektryczną na inną formę energii np. ciepło, ruch obrotowy. Elementy posiadają
właściwości kumulujące energię oraz rozpraszające ją, tworząc grupę elementów
pasywnych. Nie wytwarzają one energii, a jedynie ją przetwarzają. Elementy, które mają
zdolność generowania energii nazywamy źródłami.

Najważniejsze elementy o w obwodach elektrycznych i elektronicznych to:

−

rezystor potocznie nazywany opornikiem,

−

kondensator,

−

cewka.
Rezystor nazywany opornikiem to element pasywny rozpraszający energię. Rezystorowi

przypisuje się jeden parametr (cechę) nazywany rezystancją lub oporem. Rezystancję
(oporność) oznaczamy dużą literą „R”. Właściwości rezystora możemy przedstawić w formie
wzoru matematycznego wynikającego z prawa Ohma:

gdzie:
U – napięcie prądu,
R – rezystancja,
I – natężenie prądu.

Spadek napięcia na rezystorze jest proporcjonalny do przepływającego przez niego prądu,

a współczynnik proporcjonalności jest równy rezystancji (R). Wartość rezystancji
określonego rezystora jest wartością stałą, a jednostką rezystancji jest Ohm (Ω). Opornik jest
zbudowany (wykonywany) z drutu metalowego lub innych materiałów oporowych. Symbol
graficzny rezystora ma postać:

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

Rys. 2. Oznaczenie rezystora (opornika), U

r

napięcie opornika, I

r

wartość prądu płynącego przez opornik,

R rezystancja opornika [opracowanie własne]

W obwodach elektrycznych podstawowym rezystorem jest przewód, którym jest

rozprowadzana energia elektryczna. Im jest dłuższy, tym posiada większą rezystancję, czyli
oporność, co powoduje większy spadek napięcia w instalacji. W przypadku dużych instalacji,
podstawowym kontrolowanym parametrem jest pomiar wielkości rezystancji w obwodzie.

Nadmierna rezystancja powoduje zbyt duże spadki napięcia w instalacji, co może

spowodować przepalenie przewodu. Skutkiem zwiększonego oporu jest wydzielanie się
ciepła, zwiększanie temperatury podczas przepływu prądu, który napotyka opór podczas
przepływu. Wysoka temperatura może spowodować nieodwracalne uszkodzenie instalacji
(zniszczenie izolacji) oraz powstania zagrożenia pożarem.

Cewka, zwana również induktorem, jest elementem pasywnym i ma zdolności do

gromadzenia energii w polu magnetycznym. Cewka ma postać zwojów drutu nawiniętych na
rdzeń, który może być usunięty lub ruchomy w polu cewki (elektromagnes). Cewce
przypisuje się właściwość nazywaną indukcyjnością własną, oznaczoną dużą literą „L”.
Indukcyjność cewki, to stosunek strumienia skojarzonego do prądu płynącego przez nią.
Strumień skojarzony cewki o „z” zwojach jest równy sumie strumieni wszystkich zezwojów
cewki.

Obok indukcyjności własnej wprowadzone się pojęcie indukcyjności wzajemnej.

Indukcyjność wzajemna dotyczy obwodów, w których zostały podłączone do układu dwie
cewki, położone bardzo blisko siebie. W tych cewkach zachodzi zjawisko przenikania
wzajemnego strumieni magnetycznych. Jeżeli strumień wytworzony przez jedną cewkę jest
skojarzony z druga cewką, czyli łączy się ze strumieniem drugiej cewki, to takie cewki
nazywamy sprzężonymi magnetycznie.

Rys. 3. Schemat graficzny dwóch cewek L

1

,L

2

indukcyjność poszczególnych cewek, U

M1

, U

M2

napięcia

w poszczególnych cewkach, I

L1

, I

L2

wartość prądu, M indukcyjność wzajemna [opracowanie własne]

Cewki stosuje się w obwodach, których właściwości uzależnione są od częstotliwości

prądu. Indukcyjność jest to cecha cewki, która przeciwdziała wszelkim zmianom płynącego
przez nią prądu. Jest stosowana do tłumienia wszelkiego rodzaju zmian częstotliwości tak,
aby obwód elektryczny nie reagował na te skoki i pracował bez zakłóceń. Cewki w układach
pełnią rolę filtra przeciwzakłóceniowego, tłumiąc niepożądane chwilowe zmiany

I

r

U

r

R

L

1

L

1

L

2

L

2

U

U

I

I

M1

M2

M.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

częstotliwości. Stosuje się je głównie w zasilaczach, transformatorach, składających się
z kilku cewek oraz w instalacji przed odbiornikami prądu.

Kondensator to kolejny element pasywny, w którym jest gromadzona energia

elektryczna. Kondensator charakteryzuje się pojemnością oznaczaną dużą literą „C”. Jest
zbudowany z okładzin, izolatora, które często są nasączone olejem. Pojemność kondensatora
jest definiowana jako stosunek ładunku elektrycznego zgromadzonego w kondensatorze do
napięcia między okładzinami tego kondensatora.

W układzie SI jednostką ładunku jest Kolumb (C), a pojemność jest mierzona

w Faradach (F) przy czym 1F =1C/V. Symbol graficzny kondensatora jest pokazany na
rysunku 4.

Rys. 4. Schemat graficzny kondensatora, U

c

napięcie między okładzinami kondensatora, I

c

natężenie prądu

kondensatora, C pojemność kondensatora [opracowanie własne]

Podobnie jak w przypadku cewki, jeśli napięcie na zaciskach kondensatora jest stałe, jego

prąd jest równy 0. Kondensator zachowuje się wtedy jak przerwa (pomimo istnienia napięcia
na zaciskach, prąd nie płynie).

Źródło energii może mieć różną postać, w zależności od sposobu jej wytwarzania.

Rozróżniamy dwa typy źródeł elektrycznych:

−

niesterowalne,

−

sterowalne.
Głównym zadaniem źródła jest generowanie energii elektrycznej, powstającej zwykle ze

zmiany innego rodzaju energii na energię elektryczną. Najczęściej energia elektryczna
powstaje z energii mechanicznej, słonecznej, jądrowej i chemicznej. Symbol idealnego, nie
sterowalnego, źródła prądu przedstawia poniższy rysunek:

Rys. 5. Schemat graficzny niesterowalnego źródła prądu I natężenie źródła prądu, U napięcie źródła prądu,

[opracowanie własne]

Kolejnymi elementami stosowanymi w automatyce i elektronice są:

−

potencjometry,

−

trymery,

−

diody,

−

tyrystory,

−

tranzystory,

−

układy scalone,

−

mikrofony, głośniki,

−

przełączniki,

−

inne.

I

c

C

U

c

I

U

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

Potencjometry nazywane są również jako rezystory nastawne. Stosuje się je gdy

dobieranie rezystancji zwykłych rezystorów jest pracochłonne np. zmiana głośności
w radioodbiorniku. Potencjometry mogą być obrotowe, suwakowe. Podobnie jak rezystory
stałe, potencjometry charakteryzują się określoną rezystancją (zakresem regulacji) oraz
obciążalnością. Mogą one mieć różne charakterystyki regulacyjne. W tym celu przyjęto
oznaczenia A, B, C:

−

w potencjometrze oznaczonym literą A przyrost rezystancji jest proporcjonalny do kąta
obrotu, czyli liniowy,

−

w potencjometrze oznaczonym literą B rezystancja rośnie początkowo powoli, potem
bardzo szybko,

−

w potencjometrze oznaczonym literą C rezystancja rośnie bardzo szybko, a później
powoli.

Rys. 6. Ogólny schemat graficzne potencjometru [opracowanie własne]

Trymery zwane jako kondensatory dostrojeniowe, służą do regulacji pojemności od kilku

do kilkudziesięciu pikofaradów, (przede wszystkim w zakresie małych pojemności). Stosuje
się je w obwodach, w których zachodzi potrzeba zmian wartości pojemności, w zależności do
warunków pracy. Konstrukcja trymerów może być bardzo zróżnicowana.

Diody posiadają właściwość jednokierunkowego przewodzenia prądu. Stosowane są,

w zasilaczach, jako prostowniki prądu zmiennego, a także jako elementy progowe
umożliwiające na przykład przepływ prądu w obwodzie, gdy napięcie na diodzie przekroczy
określoną wartość. Diody mają dwie końcówki:

−

anodę,

−

katodę (oznaczona jest na obudowie kreską lub kropką).
Przepływ prądu przez diodę (od anody do katody) następuje wtedy, gdy napięcie na

anodzie jest wyższe od napięcia na katodzie, o pewną wartość, zwaną napięciem
przewodzenia. Napięcie to zależy od materiału, z którego wykonana jest dioda: dla krzemu
wynosi ono ok. 0,7 V, dla germanu 0,3 V. Do celów prostowniczych stosuje się diody dla
bardzo różnych prądów przewodzących. Ze względu, że diody prostownicze stosuje się
bardzo często, zostały wprowadzone gotowe mostki prostownicze, zawierające odpowiednie
połączenie diod prostowniczych. Odmianą diod zwykłych jest dioda Zenera tzw. stabilitrony.
Mogą one przewodzić prąd w odwrotnym kierunku, ale tylko w momencie przekroczenia
określonego napięcia na złączu katoda-anoda, natomiast w kierunku przewodzenia zachowują
się jak normalne diody. Diody Zenera stosuje się do stabilizacji napięcia zasilania. Posiadają
one na obudowie napisaną wartość napięcia przebicia (przewodzenia w odwrotnym kierunku).

Rys. 7. Ogólny schemat graficzne diody a) dioda zwykła, b) dioda Zenera [opracowanie własne]

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

Diody LED są również odmianą tradycyjnych diod. Potrafią one emitować światło

zastępują tradycyjne żarówki - są bardziej niezawodne, a ich efektywność energetyczna jest
nieporównywalnie większa. Diody LED (elektroluminescencyjne) różnią się od diod
zwykłych jedynie napięciem przewodzenia wynoszącym 1,4V dla diod czerwonych i 2V dla
diod żółtych i zielonych. Najczęstszym problemem jest podłączenie zwykłej diody LED do
baterii. Jak wcześniej można było zauważyć, polaryzacja diody ma bardzo ważne znaczenie.
dlatego należy pamiętać, że anodę (symbol A) podłączamy do plusa zasilania, a katodę do
minusa.

Istnieją również fotodiody, które różnią się od diod konwencjonalnych tym, że ich prąd

w kierunku zaporowym nie jest bliski zeru, lecz zależy od natężenia światła.

Tyrystory są elementami półprzewodnikowymi, które pełnią rolę, podobnie jak diody,

zaworów elektrycznych. Są sterowane jednak wartością napięcia podawanego na trzecią ich
elektrodę sterującą nazywaną bramką. Dzięki takiej właściwości tyrystory mogą być
wykorzystywane do włączania zasilania, zarówno w obwodach prądu zmiennego jak
i stałego. Tyrystory mogą przewodzić prąd tylko w jedną stronę. Podstawowymi parametrami
tyrystorów jest dopuszczalny prąd przewodzenia i maksymalne napięcie wsteczne.

Tranzystory umożliwiają wzmacnianie sygnałów. Pełnią również rolę przełączników

elektronowych. Mają trzy elektrody: sterującą – bazę B oraz dwie, tworzące obwód prądu
sterowanego - emiter E i kolektor C. Schemat tranzystora przedstawiony jest na rysunku 7.
W zależności od kierunku prąd w obwodzie sterowanym, rozróżnia się tranzystory p–n–p.
i n–p–n. Ostatnio produkuje się tranzystory wyłącznie krzemowe, które mają lepsze
parametry niż tranzystory germanowe. Po włączeniu źródła prądu w obwód emiter-kolektor
tranzystor praktycznie nie przewodzi prądu, nawet, jeśli bieguny źródła są włączone
w kierunku przewodzenia, czyli plus na emiterze, a minus na kolektorze dla tranzystorów
p–n–p.

Rys. 8. Ogólny schemat graficzne tranzystora gdzie B – baza, E – emiter, C – kolektor [opracowanie własne]

Doprowadzenie napięcia do bazy, o znaku plus dla tranzystora p-n-p powoduje

pojawienie się prądu w obwodzie emiter-kolektor. Bardzo ważne jest określenie, czy
tranzystor jest "spalony, czy też nie. W miernikach cyfrowych znajdują się gniazda, gdzie
można wsadzić nóżki tranzystora. Jeżeli miernik wskaże jakąś wartość to można przyjąć, że
tranzystor jest dobry. Innym sposobem jest sprawdzanie za pomocą omomierza. Przejścia
powinny być pomiędzy emiter - baza i baza - kolektor. Tranzystory, po układach scalonych
ulegają najczęściej (w porównaniu z innymi elementami) zniszczeniu poprzez długi czas
lutowania lub przez zbyt wysokie napięcie, dlatego podczas naprawy uszkodzonego sprzętu
sprawdzamy je w pierwszej kolejności.

Układy scalone w istocie stanowią połączenie wielu tranzystorów, oporników i diod

wykonanych w jednym elemencie, z materiału półprzewodnikowego, zamkniętych
w obudowie wielonóżkowej. Układy scalone przeznaczone są do spełniania określonej
funkcji, o różnym zastosowaniu. Układy dzielą się na analogowe nazywane również
liniowymi np. wzmacniacze operacyjne, wzmacniacze mocy, układy radiowe i telewizyjne,
stabilizatory napięcia oraz cyfrowe, przeznaczone do realizacji funkcji logicznych.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

Przełączniki klawiszowe są obecnie zastępowane przełącznikami mniejszymi i bardziej

estetycznymi, jednak w starszych odbiornikach prądu były bardzo często stosowane. Każdy
z segmentów tego elementu ma dwie, cztery lub sześć sekcji trójkońcówkowych, w których
końcówka środkowa zwierana jest, w zależności od położenia klawisza, z końcówką przednią
lub tylnią. Obecnie produkowanych jest bardzo dużo różnorodnych przełączników,
włączników, dlatego jeżeli nie znamy ich zasady działania, to wystarczy sprawdzić
omomierzem lub próbnikiem połączeń, aby określić zależności między położeniem
przełącznika, a zwieranymi końcówkami.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie są główne zalety energii elektrycznej?
2. Co nazywamy dielektrykami?
3. Co to są przewodniki?
4. Co to są półprzewodniki?
5. Jakie są właściwości półprzewodników?
6. Co to są materiały magnetyczne?
7. Jak klasyfikujemy materiały magnetyczne?
8. Co to jest obwód elektryczny?
9. Co to jest rezystor, jakie ma właściwości?
10. Co to jest cewka i jakie ma właściwości?
11. Co to jest kondensator i jakie ma właściwości?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dokonaj klasyfikacji elementów na półprzewodniki, przewodniki i izolatory.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko do wykonania ćwiczenia,
2) zaplanować tok postępowania,
3) odszukać elementy półprzewodnikowe,
4) odszukać elementy przewodnikowe,
5) odszukać elementy izolacyjne,
6) ocenić wykonane ćwiczenie,
7) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

elementy półprzewodnikowe, przewodnikowe, izolacyjne,

−

uniwersalny miernik elektryczny,

−

literatura dotycząca podstawowych elementów elektronicznych.

Ćwiczenie 2

Rozróżnij odbiorniki elektryczne i źródło prądu na schemacie oraz opisz ich właściwości

w obwodzie elektrycznym.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko do wykonania ćwiczenia,
2) zaplanować tok postępowania,
3) rozpoznać elementy instalacji elektrycznej na schemacie,
4) wypisać odbiorniki prądu na arkuszu papieru,
5) wypisać źródło prądu na arkuszu papieru,
6) ocenić wykonane ćwiczenie,
7) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania,

−

schemat instalacji elektrycznej,

−

oznaczenia elementów na schematach,

−

instalacje elektryczne,

−

poradnik elektryka.

Ćwiczenie 3

Połącz w obwód elektryczny źródło prądu o napięciu 24 V oraz odbiorniki prądu, według

schematu otrzymanego od nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić elementy i materiały potrzebne do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko do wykonania ćwiczenia,
3) zorganizować narzędzia niezbędne do wykonania ćwiczenia,
4) zaplanować tok postępowania,
5) przeanalizować schemat,
6) wykonać połączenie układu,
7) sprawdzić poprawność połączeń,
8) ocenić wykonane ćwiczenie,
9) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

schemat połączenia elementów,

−

elementy obwodu elektrycznego,

−

narzędzia montażowe do wykonania ćwiczenia,

−

instrukcja bezpieczeństwa i higieny pracy.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozpoznać podstawowe elementy obwodów elektrycznych?





2) wymienić podstawowe elementy obwodów elektronicznych?





3) wyjaśnić pojęcie prądu elektrycznego?





4) rozróżnić materiały przewodzące, półprzewodzące, izolacyjne?





5) wyjaśnić podstawowe pojęcia z zakresu elektrotechniki i elektroniki?





6) odczytać podstawowe symbole elementów obwodu elektrycznego?





7) zinterpretować podstawowe symbole elementów obwodu

elektrycznego?





,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

4.2. Źródła prądu i obwody elektryczne

4.2.1. Materiał nauczania

Źródła energii można podzielić na odnawialne i nieodnawialne. Używanie odnawialnych

źródeł energii nie wiąże się z ich zużywaniem. Przeciwieństwem ich są nieodnawialne źródła
energii, czyli źródła, w których zużywa się materiały energetyczne znacznie szybciej niż
następuje ich naturalne odtwarzanie i uzupełnianie zasobów. Nieodnawialne źródła energii to
wszelkie źródła energii, które nie odnawiają się w krótkim okresie. Źródłami
nieodnawialnymi są przede wszystkim paliwa kopalne: węgiel kamienny, węgiel brunatny,
torf, ropa naftowa i gaz ziemny.

Najwcześniej eksploatowanym ze źródeł odnawialnych jest energia spadku wody.

Pozostałe źródła odnawialne – energia słoneczna, energia wiatru, biomasy, biogazu, pływów
morskich, energia geotermalna i inne – są używane na mniejszą skalę. Energia odnawialna
jest przez niektóre środowiska przedstawiana jako synonim energii przyjaznej dla środowiska.

Ze stosowanych dziś na dużą skalę źródeł energii najmniejszy efekt degradacji

środowiska ma energetyka jądrowa. Duże szkody wyrządzają zaś zarówno energetyka oparta
na surowcach kopalnych – głównie w postaci zanieczyszczania atmosfery, jak i na energii
spadku wody – przez zmiany w ekosystemach spowodowane tworzeniem zapór i sztucznych
zbiorników wody.

Źródła prądu elektrycznego możemy podzielić ze względu na rodzaj wytwarzanego

prądu: przemienny i stały. Prąd przemienny stosowany jest w sieciach energetycznych oraz
tam, gdzie wymagane jest zasilanie odbiorników wykorzystujących prąd przemienny. Prąd
stały, o napięciach niskich 12 V i 24 V jest wykorzystywany do zasilania niedużych instalacji
elektrycznych np. w pojazdach i maszynach oraz w instalacjach bezpieczeństwa dla
zabezpieczenia człowieka przed porażeniem wysokim napięciem. Natomiast prąd stały
o wyższych napięciach stosuje się tam gdzie jest wymagany ten typ napięcia przez odbiorniki
prądu stałego.

Źródłami prądu powszechnie stosowanymi w motoryzacji jest prądnica oraz alternator.

Nazywamy je również elementami prądotwórczymi przetwarzającymi energię mechaniczną
na energię elektryczną. Mają one za zadanie wytworzyć tyle energii, aby spełnić
zapotrzebowanie odbiorników w pojeździe.

Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) jest charakterystycznym przypadkiem

prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom
w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia
prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa
przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa
stała) wynosiła zero. Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie
o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd
przemienny oznacza prąd sinusoidalny. Jeśli zakłócenia lub nieliniowość powodują
zdeformowanie sinusoidalnego kształtu, wówczas taki niesinusoidalny przebieg nosi nazwę
przebiegu odkształconego.

Prąd stały (ang. direct current, DC) – w odróżnieniu od prądu zmiennego i przemiennego

(ang. alternating current, AC) – prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz
kierunkiem przepływu. Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem
wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów
wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów
elektronicznych zasilana jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną
zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być
zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów).

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

Ogniwa elektrolityczne to dwie dowolne elektrody wykonane z różnych metali zanurzone

w elektrolicie. Taki element nazywany jest również elektrochemicznym ogniwem
galwanicznym. W wyniku zachodzących zmian chemicznych miedzy elektrodami powstaje
siła elektromotoryczna. Po przyłączeniu do nich zewnętrznego obwodu elektrycznego
powstała energia chemiczna przemienia się w energię elektryczną dostarczaną do
podłączonego obwodu. Ogniwa elektrochemiczne mogą mieć postać nieodwracalną
(pierwotną) lub odwracalną (wtórną). Ogniwa pierwotne w wyniku przemian chemicznych
zużywają się nieodwracalnie. Zużyciu ulegają elektrody i elektrolit, co powoduje, że ogniwo
jest nieużyteczne. Ogniwa wtórne, do których należą akumulatory, po uprzednim
rozładowaniu

są

poddawane

procesowi

regeneracji

podczas

ładowania. Siła

elektromotoryczna ogniwa pierwotnego zależy jedynie od materiałów użytych do jego
budowy. Rozmiary ogniwa decydują o ilości ładunku elektrycznego, który może być przez
nie wytworzony. Ilość ładunku elektrycznego, który charakteryzuje ogniwo i nazywa się
pojemnością ogniwa, możemy obliczyć z zależności:

Q=I t

gdzie:
I – prąd odbierany z ogniwa,
t – czas w którym ten prąd był pobierany,
Q – wielkość wyrażana w amperogodzinach [Ah].

Istnieją różne typy ogniw elektrochemicznych. Najbardziej rozpowszechnionym jest

ogniwo węglowo – cynkowe. Autorem tego ogniwa jest Leclanche z tego powodu często
ogniwo to nazywane jest ogniwem Leclanche’go. W ogniwie tym elektroda węglowa stanowi
biegun dodatni (anoda), elektroda cynkowa to biegun ujemny (katoda) a elektrolitem jest
wodny roztwór salmiaku (ogniwo mokre) lub salmiak w postaci żelu (ogniwo suche).

Ogniwo takie wytwarza siłę elektromotoryczną (energię elektryczną) o wartości około

1,5 V. Dla uzyskania większej wartości elektromotorycznej łączy się pojedyncze ogniwa
szeregowo co w rezultacie tworzy baterię. Znalazły one zastosowanie do zasilania urządzeń,
przyrządów itp.

Źródłem prądu w pojazdach jest akumulator. Do ponownego uzupełniania ładunku

elektrycznego, po częściowym rozładowaniu służy prądnica lub alternator, gdy pracuje silnik.
Akumulatory w pojazdach to baterie pełniące rolę źródła prądu potrzebnego do uruchomienia
pojazdu, a także zasilania innych odbiorników, gdy nie pracuje silnik. Po uruchomieniu
pojazdu źródłem energii jest prądnica (alernator) napędzana przez silnik spalinowy za pomocą
przekładni pasowej.

Typowy akumulator jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo – kwasowych, połączonych

szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną równą 2,1 V. Akumulator
generuje zatem łączne napięcie znamionowe równe 12,6 V.

Typowy akumulator samochodowy, złożony z 6 ogniw posiada:

−

siłę elektromotoryczną równą 12,6 V,

−

minimalne napięcie (wskazujące na stan głębokiego rozładowania 1,75 V dla
pojedynczego ogniwa – 10,5 V.
Pojedyncze ogniwo składa się z:

−

anody wykonanej z metalicznego ołowiu (–) w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie
ładowania,

−

katody wykonanej z PbO

2

(+) w trakcie poboru prądu i (–) w trakcie ładowania,

−

elektrolitu – którym jest wodny roztwór kwasu siarkowego o określonym stężeniu
z rozmaitymi dodatkami polepszającymi jego właściwości.

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz

parowanie wody powodujące zbyt duże jego stężenie w elektrolicie. Oba problemy

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

rozwiązuje się stosując bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy lub stosując elektrolity
żelowe. Elektrolity żelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje
się do nich środka żelującego (np: żywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega
parowaniu wody i wyciekom. Oba typy akumulatorów – uszczelnione i żelowe nazywa się
"bezobsługowymi" gdyż w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości
elektrolitu. Żadna forma elektrolitu nie zapobiega jednak problemom wynikającym z częstego
rozładowywania akumulatora. Budowę akumulatora przedstawia rysunek 9.

Ładowanie akumulatorów "bezobsługowych" jest przeprowadzane w ten sam sposób jak

"obsługowych", nie należy tylko dokonywać w nich samodzielnego uzupełniania elektrolitu.
Obudowy akumulatorów nie są nigdy absolutnie szczelne, bo powodowałoby to
niebezpieczeństwo wybuchu na skutek dużego wzrostu ciśnienia we wnętrzu w efekcie
wydzielania wodoru i tlenu w trakcie jego przeładowywania.

Rys. 9. Budowa akumulatora bezobsługowego: 1 – osłona przeciwogniowa, 2 – wskaźnik ładowania,

3 – pokrywa połączona do obudowy zabezpieczająca przed zanieczyszczenie elektrolitu
i niepotrzebnemu dolewaniu wody, 4 – obudowa z polipropyleny żebrowanego dla wzmocnienia
konstrukcji, 5 – siatki ze stopu rafiowego, 6 – płyty ołowiane akumulatora, 7 – osłony izolujące,
8 – złącze płyt. 9 – odkraplacz cieczy [www.pl.wikipedia.org]

Prawidłowe napięcie ładowania akumulatora kwasowego – minimalne 13,2 V –

maksymalne 15,2V. Podczas zasilania napięciem powyżej 15,2 V, występuje napięcie
przeładowania, co objawia się bardzo intensywnym wydzielaniem wodoru – akumulator
intensywnie gazuje (gotuje się), co powoduje znaczne ubytki elektrolitu. Zjawisko to może
wystąpić po uszkodzeniu układu regulatora napięcia w układzie ładowania.

Obwód elektryczny – układ źródeł prądu i napięcia, przewodów elektrycznych, przez

które prąd może płynąć bez przerwy, oraz rozmaitych elementów obwodów elektrycznych
elementów aktywnych lub pasywnych obwodu jak rezystory, kondensatory, cewki (zwojnice),
diody, wzmacniacze, transformatory, itp. Podstawowy podział obwodów elektrycznych
obejmuje dwa następujące rodzaje:

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

−

obwody liniowe, w których wszystkie elementy spełniają prawo Ohma,

−

obwody nieliniowe, w których zależność pomiędzy prądem a napięciem jest funkcją
nieliniową (rezystancja dynamiczna może przyjmować wartości ujemne).
Ze względu na rodzaj prądu zasilającego, obwody dzieli się na:

−

obwody prądu stałego,

−

obwody prądu przemiennego.
Ponadto, płynący w obwodzie elektrycznym prąd może przenosić informacje (za pomocą

impulsów elektrycznych), wówczas podział obejmuje zależności czasowo – napięciowe:

−

obwody cyfrowe wartości napięcia mogą w takich obwodach przyjmować tylko
określone poziomy,

−

obwody analogowe gdzie wartości prądu i napięcia mogą przyjmować ciągłe spektrum
wartości.
Częścią obwodu elektrycznego poza źródłem energii jest odbiornik. Odbiorniki to

wszystkie urządzenia umieszczone w obwodzie, takie jak oporniki, silnik elektryczny,
elementy emitujące światło, itd. Odbiorniki kształtują nieprzerwaną ścieżkę łączącą bieguny
źródła energii elektrycznej. Podstawowe sposoby, w jakie łączy się części obwodu to
połączenie szeregowe, oraz połączenie równoległe. Bardziej złożone obwody powstają na
skutek połączeń zarówno szeregowych jak i równoległych – są to obwody szeregowo
równoległe. Skomplikowane obwody szeregowo – równoległe można analizować za pomocą
pierwszego i drugiego prawa Kirchhoffa. Prawa te umożliwiają obliczenie wartości natężenia
prądów przepływających przez poszczególne elementy obwodu, jak również spadki napięcia
na nich. W prostym obwodzie składającym się z małej żarówki, baterii i dwóch przewodów,
prąd elektryczny płynie od dodatniego końca (bieguna) baterii, poprzez pierwszy przewód,
włókno żarówki (jest to także rodzaj przewodu), a następnie drugim przewodem płynie
z powrotem, do ujemnego bieguna baterii i dalej przez baterię do bieguna dodatniego. Kiedy
prąd elektryczny przepływa przez włókno, podgrzewa się ono i żarówka świeci. Na jednym
z przewodów można umieścić wyłącznik. Przykładem takiego obwodu jest latarka.

Gdy przełącznik jest w stanie otwartym, połączenie jest przerwane, prąd elektryczny nie

może przepłynąć przez obwód i żarówka nie świeci. Gdy przełącznik jest zamknięty, prąd
płynie i żarówka świeci. Jeśli przez włókno żarówki przepływa zbyt duży prąd, może się ono
przepalić. By zapobiec takiemu zdarzeniu w obwodzie można umieścić bezpiecznik
elektryczny (przerywacz obwodu). Gdy przez bezpiecznik przepływa zbyt duży prąd,
przewód znajdujący się w nim przepala się i ulega stopieniu, tym samym przerywając obwód
i zatrzymując przepływ prądu. Przewód umieszczony w bezpieczniku jest tak
zaprojektowany, by uległ stopieniu (przepaleniu), zanim temu samemu zjawisku uległoby
włókno żarówki.

Elektroliza

Podczas przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit (substancję przewodzącą prąd)

zachodzi chemiczny rozkład zwany elektrolizą. Zjawisko to polega na wydzielaniu się na
elektrodzie substancji stanowiących wynik rozkładu elektrolitu. Masa substancji wydzielonej
na elektrodzie podczas przepływu prądu elektrycznego jest wprost proporcjonalna do
natężenia prądu oraz czasu trwania elektrolizy. Tak dokładnie brzmi pierwsze prawo
Faradaya. Zastosowanie tego prawa jest szerokie w praktyce i dotyczy różnych dziedzin
życia. Elektroliza rozległe zastosowanie głównie w elektrometalurgii, galwanostegii
i galwanoplastyce.

Elektrometalurgia jest to dział zajmujący się otrzymywaniem metali o wysokiej czystości

np. miedzi, aluminium metodą elektrolityczną. W przyrodzie miedź występuje jako ruda
posiadająca domieszki różnych pierwiastków. W celu pozbycia się zanieczyszczeń miedzi
przeprowadza się elektrolizę w specjalnych wannach elektrolitycznych w których anodę

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

stanowi

ruda

miedzi,

katodę

natomiast

cienka

blacha

z

czystej

miedzi

a elektrolitem jest roztwór wodnego siarczanu miedzi (CuSO

4

). W wyniku elektrolizy na

katodzie osadzają się jony czystej miedzi natomiast zanieczyszczenia opadają na dno wanny.

Galwanostegia jest to dział galwanotechniki zajmujący się powlekaniem metali mniej

odpornych na korozje cienką warstwą innego metalu, bardziej odpornego (złotem, niklem).

Galwanoplastyka zajmuje się elektrolitycznym otrzymywaniem bardzo dokładnych

plastycznych kopii przedmiotów (płaskorzeźb, monet, metali).

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jak powstaje prąd elektryczny?
2. Jakie wystepują rodzaje źródła prądu?
3. Jakie mamy rodzaje prądu?
4. Co nazywamy elektrolizą?
5. Gdzie występuje elektroliza?
6. Co to jest ogniwo elektrolityczne?
7. Jaka jest budowa ogniwa elektrolitycznego?
8. Jak dzielimy ogniwa elektrochemiczne?
9. Jak zbudowane jest ogniwo Laclanche’go?
10. Co nazywamy baterią?
11. Co to jest akumulator?
12. Z jakich elementów się składa akumulator 12V?
13. Co to jest obwód elektryczny?
14. Jakie rozróżniamy rodzaje obwodów?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Opisz budowę akumulatora samochodowego. Sprawdź poziom i gęstość elektrolitu

w poszczególnych celach. Uzupełnij poziom elektrolitu.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) określić zasady bezpiecznej pracy,
2) przeanalizować instrukcję obsługi akumulatora,
3) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
4) rozróżnić elementy budowy akumulatora,
5) sprawdzić stan techniczny akumulatora wizualnie,
6) sprawdzić poziom elektrolitu w poszczególnych celach (uzupełnić w miarę potrzeby),
7) dokonać pomiaru gęstości elektrolitu,
8) dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia,
9) uporządkować miejsce pracy,
10) zaprezentować wnioski z wykonanego ćwiczenia prowadzącemu.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

akumulator obsługowy,

−

areometr,

−

woda destylowana,

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

−

stanowisko do wykonania pomiarów,

−

instrukcja obsługi akumulatora,

−

środki ochrony indywidualnej.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj odbiorniki elektryczne w pojeździe marki New Holland, wypisz je na arkuszu

papieru oraz zapisz jakie posiadają wartości zabezpieczeń prądowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko do wykonania ćwiczenia,
2) zaplanować tok postępowania,
3) rozpoznać elementy instalacji elektrycznej,
4) wypisać odbiorniki prądu na arkuszu papieru,
5) odszukać zabezpieczenia do wskazanych odbiorników,
6) spisać wartości zabezpieczeń i przyporządkować je właściwym odbiornikom prądu,
7) ocenić wykonane ćwiczenie,
8) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania,

−

ciągnik rolniczy marki New Holland,

−

instrukcja obsługi ciągnika.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróżnić źródła prądu?





2) scharakteryzować rodzaje prądu elektrycznego?





3) wyjaśnić jak zbudowany jest obwód?





4) scharakteryzować rodzaje obwodów elektrycznych?





5) rozróżnić obwody elektryczne pod względem budowy?





6) rozpoznać podstawowe przyrządy pomiarowe?





,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

4.3. Prawa i parametry opisujące obwody elektryczne

i elektroniczne

4.3.1. Materiał nauczania

Analiza obwodu elektrycznego to pojęcie pod którym rozumiemy proces określający

rozpływ prądu i rozkład napięcia w obwodzie elektrycznym. Podstawą analizy obwodów
elektrycznych są prawa sformułowane przez niemieckiego fizyka Gustawa Kirchhoffa
żyjącego w XIX. Pierwsze określa bilans prądów w węźle obwodu elektrycznego, a drugie
jest bilansem napięć w oczku. Pierwsze prawo stwierdza, że suma prądów w każdym węźle
elektrycznym jest równa 0. Oznacza to, że jeśli do węzła dopływa określona wartość prądu
(suma prądów wpływających) to z tego węzła musi odchodzić taka sama wartość prądu (suma
prądów wypływających). Jest to uwidocznione na rysunku 10.

Rys. 10. Schemat węzła elektrycznego – prądy dopływające do węzła I

1

, I

2

,I

3

, prądy wychodzące z węzła I

4

, I

5

[opracowanie własne]

Prądy wpływające do węzła we wzorach matematycznych oznaczmy „+”, a prądy

wypływające z węzła we wzorach matematycznych oznaczamy „–”, co pozwala nam zapisać
równanie w postaci:

I

1

+I

2

+I

3

-I

4

-I

5

=0

Można również zapisać bilans prądów dopływających i odpływających od węzła w postaci:

I

1

+I

2

+I

3

=I

4

+I

5

Każdy obwód może być opisany za pomocą ilości równań w liczbie N–1, gdzie N

oznacza liczbę węzłów w opisywanym obwodzie. Suma spadków napięć i siły
elektromotorycznej w każdym oczku obwodu elektrycznego jest równa 0. Sumowanie napięć
w poszczególnych gałęziach występujących w analizowanym oczku dotyczy napięć
uporządkowanych co do kierunku przepływającego prądu.

Drugie prawo Kirchhoffa stwierdza, iż suma wszystkich spadków napięć w obwodzie

zamkniętym musi być równa sumie napięć na źródłach napięcia tego obwodu. Zasadę pisania
równań wynikających z drugiego prawa wyjaśnione jest na przykładzie 1.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

Przykład 1

Na rysunku 11 jest ukazane oczko, w skład którego wchodzą oporniki (rezystory) U

1

, U

2

,

U

3

, U

4

, oraz źródło napięcia „E”. Wykorzystując II prawo Kirchhoffa zapiszemy wzór

wyjaśniający zasadę równowagi napięć w oczku.

Rys. 11. Przykład oczka obwodu elektrycznego, U

1

U

2

U

3

U

4

napięcia na poszczególnych rezystorach, E źródło

energii [opracowanie własne]

Uwzględniając kierunek napięć oznaczonych na rysunku, równanie napięci według

drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka przyjmuje postać:

U

1

+U

2

+U

3

-U

4

-E=0

Równanie to możemy zapisać jako bilans napięć w postaci:

E=U

1

+U

2

+U

3

-U

4

Dla każdego obwodu można napisać tyle równań oczkowych, ile oczek wyodrębnimy

w tym obwodzie, przy czym równania będą równaniami zależnymi.

Prawo Ohma to kolejne, opisująca parametry obwodów elektrycznych i dotyczy ona

oporności obwodu. Mówi, że stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do
napięcia pomiędzy jego końcami jest stały. Prawidłowość tę odkrył w 1827 roku niemiecki
fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium Georg Simon Ohm.
Prawo Ohma określa opór elektryczny przewodnika i ma postać:

R=U/I

gdzie:
R – rezystancja,
U – napięcie prądu,
I – natężenie prądu.

Prawo to jest prawem doświadczalnym i jest dość dokładnie spełnione dla ustalonych

warunków przepływu prądu, szczególnie z uwzględnieniem stałej temperatury przewodnika.
Materiały, które się do niego stosują, nazywamy przewodnikami omowymi lub
,,przewodnikami liniowymi", w odróżnieniu od przewodników nieliniowych, w których opór
jest funkcją natężenia płynącego przez nie prądu. Prawo to, także nie jest spełnione, gdy

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

zmieniają się parametry przewodnika, szczególnie temperatura. Ze wszystkich materiałów
przewodzących prawo Ohma najdokładniej jest spełnione w przypadku metali.

Kolejnym parametrem ważnym dla obwodów elektrycznych jest moc i energia prądu

elektrycznego. Moc składa się z dwóch części mianowicie mocy biernej i mocy czynnej.

Jednostką mocy w układzie SI jest Wat (W). Do obliczeń i ćwiczeń używa się mocy tak

zwanej chwilowej, która nie określa czasu pobierania mocy dla ułatwienia obliczeń. Moc
chwilową można przedstawić w postaci wzoru:

P=U I

gdzie:
P – moc chwilowa,
U – napięcie,
I – natężenie prądu.

Moc bierna w układach prądu zmiennego jest częścią energii elektrycznej pulsującą

między elementem indukcyjnym lub pojemnościowym odbiornika, a źródłem energii
elektrycznej. Moc bierna jest pobierana ze źródła w ciągu okresu przebiegu zmiennego,
a następnie magazynowana przez odbiornik (w formie energii potencjalnej pola elektrycznego
lub magnetycznego) i oddawana do źródła w ciągu tego samego okresu, kiedy pole
elektryczne lub magnetyczne w odbiorniku zanika.

Moc czynna „P” w układach prądu przemiennego (również prądu zmiennego) jest to

część mocy, którą odbiornik pobiera ze źródła i zamienia na pracę lub ciepło. W układach
prądu stałego cała moc jest mocą czynną. Jednostką mocy czynnej jest wat.
W odbiornikach prądu sinusoidalnie zmiennego, który może zawierać rezystancję
i reaktancję, moc czynna jest iloczynem wartości skutecznych napięcia U i natężenia prądu
„I” oraz cosinusa kąta przesunięcia fazowego φ pomiędzy napięciem i natężeniem prądu, co
określa wzór:

P=U I cosφ

gdzie:
P – moc odbiornika,
U – napięcie zasilania odbiornika,
I – natężenie prądu,
cos(φ) – kat przesunięcia fazowego.

Gdy odbiornik jest rezystancją i nie zawiera reaktancji, to Ø=0 z czego wynika, że

cos(φ)=1 wówczas:

P=U I=R I

2

=U

2

/R

gdzie:
P – moc odbiornika,
U – napięcie zasilania odbiornika,
I – natężenie prądu,
R – rezystancja odbiornika.

Gdy odbiornik jest reaktancją i nie zawiera rezystancji, to φ = +/–0,5π z czego wynika,

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

że cos(φ)=0 wówczas, moc czynna jest równa 0.

Do określenia kolejnego parametru obwodu posłuży nam sposób połączenia elementów

w obwodzie elektrycznym. Rozróżniamy podstawowe rodzaje połączeń obwodowych to jest:
połączenia szeregowe i połączenia równoległe elementów oraz występuje połączenie
mieszane nazywane szeregowo – równoległym. Połączenie szeregowe (obwód szeregowy)
jest to taki rodzaj połączenia elementów elektrycznych, w którym koniec jednego elementu
łączy się z początkiem następnego. Połączenie takie tworzy szereg (łańcuch) elementów,
w którym prąd elektryczny musi przepływać kolejno przez wszystkie elementy (natężenie
prądu ma więc taką samą wartość dla wszystkich elementów w połączeniu szeregowym). Dla
szeregowego połączenia „n” oporników można wyliczyć rezystancję wypadkową (opór
wypadkowy), „R” jako sumę rezystancji składowych:

R=R

1

+R

2

+R

3

+….+R

n

Podobnie, dla szeregowego połączenia cewek można wyznaczyć wypadkową indukcyjność:

L=L

1

+L

2

+L

3

+…+L

n

jak również i wypadkową reaktancję indukcyjną (opór indukcyjny dla cewek) połączonych
szeregowo:

X

L

=X

L1

+X

L2

+X

L3

+…+X

Ln

Dla połączenia szeregowego kondensatorów wypadkowa pojemność jest mniejsza niż

najmniejsza ze składowych pojemności:

podobnie dla reaktancji pojemnościowej:

Połączenie równoległe (obwód równoległy) jest to taki rodzaj połączenia elementów

elektrycznych, w którym wszystkie końce oraz wszystkie początki składowych elementów są
połączone razem. Połączenie takie tworzy odpowiednią ilość gałęzi, w których mogą płynąć
różne prądy, ale które zasilane są takim samym napięciem elektrycznym. Dla równoległego
połączenia „n” oporników można wyliczyć rezystancję wypadkową (opór wypadkowy) „R”,
który jest mniejszy od najmniejszego oporu składowego:

Dla układów równoległych stosuje się również pojęcie konduktancji (G). Z uwagi, że

G = 1/R, powyższe równanie jest tożsamościowo równoznaczne z:

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

Podobnie, dla równoległego połączenie cewek można wyznaczyć wypadkową indukcyjność:

jak również i wypadkową reaktancję indukcyjną:

Rodzaj połączenia elementów w obwodzie elektrycznym jest bardzo ważny ze względu

na wzajemne oddziaływanie elementów na siebie, podczas przepływającego przez nie prądu
elektrycznego. Rodzaj połączenia elementów również wpływa na sposób analizowania
obwodów, co pokazują powyższe równania. Zmieniając sposób połączenia kilku elementów
w obwodzie, możemy uzyskać inne właściwości obwodu, a niekiedy uszkodzić cały układ
doprowadzając do zwarcia.

Analiza obwodów elektrycznych opiera się na badaniu parametrów i właściwości

obwodu. Celem analizy jest zdiagnozowanie układu elektrycznego określenie jego funkcji
i poprawności działania.

Dokonując analizy obwodów elektrycznych musimy dokonać pomiarów napięcia,

natężenia energii elektrycznej płynącej w obwodzie oraz wykonać pomiary oporności
poszczególnych elementów, jak i całego obwodu. Zanim jednak przystąpimy do pomiarów
musimy wybrać metodę dokonywania pomiarów. Metoda pomiarowa określa sposób
porównania wielkości mierzonej z wzorcem tej wielkości, zastosowanym w pomiarach, celem
wyznaczenia wyniku pomiaru. Metody pomiarów możemy podzielić na dwie grupy:

−

metody pomiarów bezpośrednich,

−

metody pomiarów pośrednich.
Metoda pomiarowa bezpośrednia wartość wielkości mierzonej otrzymuje się

bezpośrednio bez dodatkowych obliczeń np. pomiar prądu elektrycznego dokonujemy
amperomierzem.

Metodą pomiarową pośrednią mierzy się bezpośrednio nie wielkość badaną Y, lecz

wielkości A, B, C związane z wielkością Y, która ustalana jest teoretycznie lub
doświadczalne przez np. podstawienie do wzorów matematycznych wartości A, B, C a jako
wynik otrzymujemy wartość Y.

Pomiarów dokonuje się za pomocą przyrządów mierniczych takich jak amperomierz do

pomiaru natężenia prądu, woltomierz do pomiaru napięcia prądu oraz omomierz do pomiaru
oporności. Przyrządy te dzielimy na analogowe czyli z wychylającą się wskazówką na skali
i cyfrowe z wyświetlaczami elektronicznymi. Dobór miernika zależy przede wszystkim od
jego sposobu zastosowania i przeznaczenia – omomierzem nie zmierzymy napięcia natomiast
woltomierzem nie zmierzymy natężenia prądu. Każdy miernik posiada oddzielne
przeznaczenie i z tego względu jest oznakowany (opisany) na obudowie: jakie posiada
przeznaczanie (prąd stały, zmienny), jakie parametry możemy zmierzyć i w jakim zakresie
wartości dokonuje pomiaru. Na rynku jest dostępnych wiele mierników, ale bardzo popularne
stały się multimetry, czyli urządzenia pomiarowe o szerokim zastosowaniu i wielu funkcjach
dodatkowych umożliwiających dokonywanie pomiaru napięcia, natężenia, oporności. Za
pomocą tych mierników możemy dokonywać pomiarów bardzo małych oraz dużych wartości
za pomocą jednego miernika. Urządzenia te jest łatwo uszkodzić poprzez złe jego
przygotowanie (ustawienie parametrów pracy) do wykonania pomiaru w obwodzie

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

elektrycznym. Najczęstszą usterką jest spalenie (trwałe uszkodzenie) urządzenia podczas
nieprawidłowe podłączenia miernika do badanego obwodu elektrycznego.

Z tego powodu przed przystąpieniem do pomiarów danym przyrządem należy

przeanalizować budową i przeznaczenie oraz przeczytać instrukcje użytkowania miernika.
Pozwoli to uchronić przed szkodą, jak i wykonać poprawne podłączenie miernika do obwodu
elektrycznego. Dokonując pomiaru miernikami musimy pamiętać ze obwód elektryczny
podczas pracy posiada skoki napięcia powodowane zakłóceniami zewnętrznymi. Dlatego też
aby uzyskać prawidłowy pomiar określonego parametru należy powtórzyć pomiar dwu lub
trzykrotnie. Jeśli podczas tych pomiarów uzyskamy różne, ale zbliżone wyniki należy
dokonać jeszcze kilku pomiarów i wybrać wynik ten, który najczęściej się powtarzał, a jeśli
takich nie było, należy obliczyć średnią arytmetyczną (dodać do siebie wszystkie wyniki
i podzielić przez ilość wykonanych pomiarów). Tak uzyskany wynik pomiaru jest właściwy
dla danego parametru mierzonego w analizowanym obwodzie elektrycznym. Przy pomiarach
często zdążają się błędy wynikające z niedokładności dokonywania pomiarów oraz
niedokładnym zapisywaniu wyników wykonywanych pospiesznie. Stosując zasady bhp
podczas obsługi obwodów elektrycznych uchroni nas przed pomyłkami i zapewni
bezpieczeństwo.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Na czym polega analiza obwodu elektrycznego?
2. Co wyjaśnia I prawo Kirchhoffa?
3. Co wyjaśnia II prawo Kirchhoffa?
4. Jak tworzymy równania prądowe?
5. Jak tworzymy równania napięciowe?
6. Co to jest oczko obwodu elektrycznego?
7. Co wyjaśnia prawo Ohma?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Napisz równania Kirchhoffa dla poniższego obwodu elektrycznego: prądowe

i napięciowe. Zacznij od określenia węzłów w obwodzie i oczek oznaczając je na schemacie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2) wykonać stosowne oznaczenia na schemacie,

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

3) zapisać równania prądowe i napięciowe,
4) podsumować wykonane ćwiczenie,
5) zapisać rozwiązanie,
6) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

arkusz papieru,

−

schemat obwodu elektrycznego.

Ćwiczenie 2

Żarówka ma moc znamionową 50 W, przy napięciu znamionowym 110 V. Jaki opornik

należy połączyć szeregowo z żarówką, by można było ją włączyć do sieci o napięciu 230 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2) dokonać obliczeń,
3) uzasadnić wykonane działania,
4) wyciągnąć wnioski z wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania,

−

poradnik dla ucznia - materiał nauczania.

Ćwiczenie 3

Na zaciskach żarówki występuje napięcie 18 V. Oblicz siłę elektromotoryczną źródła,

jeśli wiadomo, że 90% energii wydatkowanej przez źródło prądu zostaje przekazane żarówce.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2) dokonać stosownych obliczeń,
3) sprawdzić poprawność wykonanego ćwiczenia,
4) zaprezentować wykonane ćwiczenie prowadzącemu,
5) wyciągnąć wnioski z wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania,

−

materiał nauczania.

Ćwiczenie 4

Do obwodu elektrycznego zawierającego rezystancję, podłącz miernik uniwersalny,

dokonaj jego podstawowych pomiarów i przeanalizuj uzyskane wyniki. Zapisz uzyskane
wartości pomiarów z mierników i uzasadnij je.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać instrukcję obsługi uniwersalnego miernika elektrycznego,
2) określić zasady bezpiecznej pracy,
3) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
4) przeanalizować obwód elektrycznym,
5) określić zasady obsługi miernika,
6) podłączyć miernik,
7) włączyć zasilanie obwodu elektrycznego,
8) odczytać wskazania miernika,
9) sprawdzić poprawność wykonanego ćwiczenia,
10) zapisać wskazania miernika,
11) zaprezentować wykonane ćwiczenie i omówić uzyskane wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

obwód elektryczny do pomiarów,

−

miernik uniwersalny do pomiaru napięcia, natężenia i oporności,

−

schemat obwodu elektrycznego,

−

zestaw narzędzi monterskich dla elektryka,

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania,

−

instrukcja obsługi miernika uniwersalnego.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić I i II prawo Kirchhoffa?





2) wyjaśnić prawo Ohma?





3) włączyć przyrządy pomiarowe w obwód elektryczny?





4) odczytać wskazania przyrządów pomiarowych?





5) dokonać obliczenia prądu w węźle?





6) zastosować podstawowe wzory do obliczeń wielkości elektrycznych?





7) wskazać zastosowanie elementów elektronicznych w wyposażeniu

elektrycznym maszyn i urządzeń?





,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

4.4. Ochrona przeciwporażeniowa

4.4.1. Materiał nauczania

Prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz i napięciu 400/230V jest najbardziej

rozpowszechnionym w warsztatach mechanicznych. Z tego powodu większość porażeń
i oparzeń ludzi prądem elektrycznym, nazywanych wypadkami elektrycznymi, występuje
przy styczności człowieka z urządzeniami elektroenergetycznymi prądu przemiennego.
Najczęstsze są rażenia na drodze ręka – nogi lub ręka – ręka. Ponadto, prąd przemienny
o częstotliwości od 15 do 100 Hz powoduje najgroźniejsze dla życia reakcje organizmu, stąd
skutki rażenia nim rozpatruje się szczególnie wnikliwie. Działanie prądu elektrycznego na
organizm ludzki może być pośrednie lub bezpośrednie. Działanie pośrednie, powstające bez
przepływu prądu przez ciało człowieka, powoduje takie urazy, jak:

−

oparzenia ciała wskutek pożarów wywołanych zwarciem elektrycznym lub spowodowane
dotknięciem do nagrzanych elementów,

−

groźne dla życia oparzenia ciała łukiem elektrycznym, a także metalizacja skóry
spowodowana osadzaniem się roztopionych cząstek metalu,

−

uszkodzenia wzroku wskutek dużej jaskrawości łuku elektrycznego,

−

uszkodzenia mechaniczne ciała w wyniku upadku z wysokości lub upuszczenia
trzymanego przedmiotu.
Działanie bezpośrednie – porażenie elektryczne wskutek przepływu prądu elektrycznego

przez ciało ludzkie (tzw. prądu rażeniowego) może wywołać wiele zmian fizycznych,
chemicznych i biologicznych w organizmie (a nawet śmierć człowieka) poprzez
oddziaływanie na układ nerwowy oraz w wyniku elektrolizy krwi i płynów fizjologicznych.
Porażenie elektryczne może objawiać się:

−

odczuwaniem bólu przy przepływie prądu, kurczami mięśni (skurcz mięśni dłoni może
uniemożliwić samouwolnienie się porażonego),

−

zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi,

−

zaburzeniami wzroku, słuchu i zmysłu równowagi,

−

utratą przytomności,

−

migotaniem komór sercowych (fibrylacja) – bardzo groźnym dla życia człowieka, gdyż
zazwyczaj prowadzi do zejścia śmiertelnego,

−

oparzeniami skóry i wewnętrznych części ciała, do zwęglenia włącznie.
Bezpośrednio po rażeniu prądem, tzn. po przerwaniu przepływu prądu, może wystąpić

wstrząs elektryczny, objawiający się przerażeniem, bladością, drżeniem ciała lub kończyn,
nadmiernym wydzielaniem potu, stanem apatii lub euforii. Może również wystąpić obrzęk
mózgu i utrata przytomności, połączona z zatrzymaniem krążenia krwi i brakiem oddechu.
Skutki te mogą się ujawnić także po pewnym czasie – od kilku minut do kilku miesięcy.
Zjawisko porażenia ma miejsce wówczas, gdy występuje droga dla prądu rażeniowego
i istnieje źródło napięcia wymuszającego przepływ takiego prądu. W praktyce dochodzi do
tego, gdy człowiek styka się jednocześnie z dwoma punktami znajdującymi się pod różnymi
potencjałami i zamyka w ten sposób elektryczny obwód dla prądu rażeniowego.

Napięcie dotykowe jest to napięcie między dwoma punktami nie należącymi do obwodu

elektrycznego, z którymi mogą się zetknąć jednocześnie obie ręce lub ręka i noga człowieka.
Napięcie dotykowe spodziewane jest to największa wartość napięcia dotykowego
w urządzeniach lub w instalacji elektrycznej w razie uszkodzenia izolacji, gdy wartość
impedancji w miejscu zwarcia jest pomijalna. Napięcie rażeniowe dotykowe jest to spadek
napięcia wzdłuż drogi przepływu prądu przez ciało człowieka (czyli spadek napięcia na
rezystancji ciała, na drodze ręka – nogi lub ręka – noga albo ręka – ręka).

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

Napięcie krokowe jest to napięcie między dwoma punktami na powierzchni ziemi lub na

powierzchni stanowiska pracy, odległymi od siebie o 1m (jeden krok). Napięcie rażeniowe
krokowe jest to spadek napięcia wzdłuż drogi przepływu prądu przez obie nogi człowieka
(czyli spadek napięcia na rezystancji ciała na drodze noga – noga). Skutki rażenia prądem
elektrycznym zależą od:

−

rodzaju prądu, a więc czy jest to rażenie: prądem przemiennym o małej częstotliwości
(15 – 100 Hz), prądem przemiennym o dużej częstotliwości, krótkotrwałymi,
jednokierunkowymi impulsami prądowymi, prądem stałym,

−

wartości napięcia i natężenia prądu rażeniowego oraz czasu jego przepływu,

−

drogi przepływu prądu przez ciało człowieka,

−

stanu psychofizycznego porażonego,

−

czasu przepływu prądu rażenia,

−

temperatury i wilgotności skóry,

−

powierzchni styku z przewodnikiem,

−

siły docisku przewodnika do naskórka.

Maszyny elektryczne i odbiorniki elektryczne wyposaża się w szereg elementów

mających na celu bezpieczeństwo pracy operatora maszyny. Stosuje się różnego rodzaju
elementy mające uchronić operatora przed kontaktem z prądem. Podstawowym
zabezpieczeniem są bezpieczniki.

Bezpieczniki stosuje się wszędzie gdzie są odbiorniki elektryczne z dwóch powodów.

Pierwszy to zabezpieczenie maszyny przed nadmiernym prądem, który może spowodować jej
uszkodzenie, a drugi to zabezpieczenie człowieka przed porażeniem. Zasada działania jest
bardzo prosta – podczas gdy pojawia się większy pobór prądu przez odbiornik niż podczas
normalnej pracy, zabezpieczenie przerywa dopływ prądu do odbiornika, odcina odbiornik od
sieci elektrycznej, w ten sposób uniemożliwia aby zwiększone napięcie docierało do obwodu
elektrycznego.

Kolejnym zabezpieczeniem stosowanym w maszynach elektrycznych jest dodatkowe

uziemienie maszyny poprzez zastosowanie przewodu neutralnego podłączonego do np.
instalacji uziemiającej budynku (łączy maszynę z ziemią). Zasada działania jest również
bardzo prosta: w przypadku gdy pojawi się napięcie na elementach maszyny, na których
normalnie nie występuje, to w razie bezpośredniego kontaktu operatora z tym elementem
większa część prądu powinna popłynąć przewodem neutralnym, a nie przez ciało operatora,
co wpływa na zmniejszenie stopnia porażenia.

Kolejnym elementem występującym w maszynach zasilanych prądem jest stosowanie

osłon i izolacji na elementy będące pod napięciem. Zabezpieczenia tego rodzaju maja na celu
uniemożliwienie kontaktu bezpośredniego operatora z elementami będącymi pod napięciem.

Wyłączniki różnicowo prądowe to następne elementy zabezpieczeniowe często

stosowane w maszynach zasilanych prądem elektrycznym, jak i również w obwodach
elektrycznych. Zasada działania jest prosta: należy element zabezpieczeniowy włączyć
w obwód elektryczny zgodnie z zaleceniami producenta, a reszta już będzie samoczynnie
funkcjonować. Zabezpieczenie to pracuje porównując różnicę prądu dopływającego
i powracającego z urządzenia w obwodzie. Jeśli nastąpi przekroczenie określonej,
dopuszczalnej różnicy prądu w obwodzie, to zabezpieczenie powoduje rozłączenie obwodu
uniemożliwiające dalsze przepływanie prądu. Świadczy to powstaniu upływu prądu, poza
instalację elektryczną Wyżej wymienione zabezpieczenia są najtańszymi zabezpieczeniami
maszyn i urządzeń elektrycznych występujących na rynku.

Każdy konstruktor i producent maszyn i odbiorników elektrycznych przygotowuje je do

eksploatacji w taki sposób, aby nie stwarzały zagrożenia dla życia i zdrowia operatora,
a przy tym spełniały oczekiwania w stosunku do funkcjonalności i komfortowej obsługi.
Jednak zdążają się przypadki, kiedy te wszystkie zabezpieczenia oraz czynnik ludzki zawodzi,

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

wtedy to dochodzi do wypadku. Porażenia prądem są bardzo niebezpiecznymi wypadkami.
Często dochodzi nawet do zatrzymani akcji serca. W takim przypadku pierwszym
i decydującym czynnikiem o przeżyciu poszkodowanego jest pierwsza pomoc przedlekarska.

Pierwsza pomoc w nagłych wypadkach porażenia prądem powinna rozpocząć się od

natychmiastowego wyłączenia prądu. W sytuacji gdy wyłącznik jest daleko lub nie wiemy
gdzie się znajduje ratujemy porażonego bezpośrednio. Jeżeli napięcie nie przekracza 1000 V
to należy odizolować poszkodowanego od źródła rażenia w sposób bezpieczny, przy użyciu
sprzętu ratowniczego (rękawice gumowe, buty gumowe, drążek izolujący, cęgi izolowane,
mata izolująca) lub elementów nie przewodzących prądu np. deski, rurki PCV, zwiniętego
ubrania. Jeżeli napięcie w sieci przekracza ponad 1000 V to należy ratować poszkodowanego
z wykorzystaniem sprzętu ratowniczego odciągając porażonego za pomocą drążka lub cęgów
izolacyjnych. Należy pamiętać że w promieniu 10 m dookoła zerwanego przewodu
stykającego się z ziemia powstaje napięcie elektryczne (krokowe), które może porazić
również ratującego. W przypadku zajścia takiej sytuacji ratujący powinien oddalić się
z miejsca na jednej nodze, w podskokach poza obszar rażenia minimum 15 m aby uchronić
siebie od porażenia.

Pierwszymi czynnościami przy udzielaniu pomocy po wyizolowaniu poszkodowanego ze

strefy porażenia jest ocena funkcji życiowych. W celu dokonania oceny podstawowych
funkcji życiowych poszkodowanego, należy sprawdzić czy poszkodowany jest przytomny.
Ratownik powinien głośno odezwać się do poszkodowanego (np. Jak Pan/Pani się czuje) oraz
sprawdzić reakcję na mocne dotknięcie (potrząsanie, klepnięcie w policzek) lub ból –
uszczypnięcie płatka usznego. W ten sposób można uniknąć przeprowadzania zabiegów
reanimacyjnych u przytomnego pacjenta. Należy pamiętać, że jeśli mamy do czynienia
z urazami głowy lub szyi, podejrzewamy uszkodzenie kręgosłupa i pacjenta można poruszyć
tylko wtedy, jeśli jest to absolutnie niezbędne.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie są zagrożenia podczas prac urządzeniami elektrycznymi?
2. Jakie znasz przyczyny zagrożeń?
3. Co to jest porażenie prądem?
4. Jakie są skutki porażenia prądem?
5. Co należy zrobić w pierwszej kolejności podczas ratowania poszkodowanego?
6. Kto jest odpowiedzialny za stan techniczny maszyn i urządzeń elektrycznych?
7. Jakie jest bezpieczne minimalne natężenie prądu przemiennego dla człowieka?
8. Co wchodzi w skład sprzętu ratowniczego?
9. Jakie stosuje się typy ochrony przeciwporażeniowej?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wypisz jakie znasz przypadki porażenia prądem elektrycznym. Wskaż przyczyny

powstania wypadków. Wyjaśnij, w jaki sposób można było ich uniknąć.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać materiał nauczania,
2) wypisać znane przypadki, wskazać przyczynę,

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

3) określić zaniedbania w skutek których doszło do wypadku,
4) zapisać wnioski z ćwiczenia na arkuszu papieru,
5) zaprezentować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Wypisz, jakie znasz zagrożenia wynikające z obsługi maszyn i urządzeń elektrycznych.

Scharakteryzuj je na podstawie instrukcji obsługi szlifierki kątowej (przecinarki
mechanicznej).

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi,
2) wypisać zagrożenia wynikające z obsługi maszyn i urządzeń elektrycznych,
3) scharakteryzować zagrożenia podczas obsługi szlifierki kątowej,
4) zapisać wnioski z ćwiczenia na arkuszu papieru,
5) zaprezentować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania,

−

instrukcja obsługi szlifierki kątowej.

Ćwiczenie 3

Wypisz

w

punktach,

jak

należy

postępować

podczas

udzielania

pomocy

poszkodowanemu w wypadku porażenia prądem.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować materiał nauczania,
2) określić zasady pierwszej pomocy,
3) zapisać wnioski z ćwiczenia na arkuszu papieru,
4) zaprezentować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru,

−

przybory do pisania.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

4.4.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować skutki porażenia prądem?





2) udzielić pierwszej pomocy poszkodowanemu który uległ porażeniu?





3) określić zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym?





4) określić przyczyny wypadków porażenia prądem elektrycznym?





5) wymienić zabezpieczenia przeciwporażeniowe?





,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

Instrukcja dla ucznia

1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem pytań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań do każdego zadania dołączone są 4 możliwe odpowiedzi.
5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi. Tylko jedna jest

prawidłowa.

6. W zadaniach zaznacz prawidłową odpowiedź X (w przypadku pomyłki należy błędną

odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową).

7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

9. Na rozwiązanie testu masz 30 min.

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Analizowanie obwodów elektrycznych oznacza

a) obliczanie wzorów z prawa Ohma.
b) badanie wielkości parametrów obwodów elektrycznych.
c) obliczanie wzorów z prawa Kirchhoffa.
d) sprawdzanie czy obwód działa.

2. Prąd elektryczny jest to

a) napięcie 230 V.
b) instalacja naziemna elektryczna.
c) ruch ładunków elektrycznych.
d) sieć energetyczna.

3. Dielektrykami nazywamy

a) przewodniki.
b) półprzewodniki.
c) ferromagnetyki.
d) izolatory.

4. Półprzewodniki to

a) ciała posiadające właściwości pośrednie między przewodnikami a izolatorami.
b) druty w osłonach izolacyjnych.
c) złącza automatyczne.
d) metale kolorowe.

5. Gałęzią obwodu elektrycznego jest

a) wiązka przewodów.
b) zespół elementów połączonych ze sobą w sposób umożliwiający przepływ energii.
c) grupa elementów nie połączonych ze sobą.
d) zacisk obwodu.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

6. Opornikiem nazywamy

a) cewkę.
b) kondensator.
c) bezpiecznik.
d) rezystor.

7. Cewka to element

a) pasywny.
b) aktywny.
c) oporowy.
d) źródło prądu.

8. Kondensator to element

a) pasywny.
b) aktywny.
c) przetwarzający energię elektryczna.
d) wytwarzający energię elektryczną.

9. Najczęściej energia elektryczna powstaje z

a) wyładowań atmosferycznych.
b) energii mechanicznej, jądrowej, słonecznej.
c) akumulatora.
d) baterii.

10. Źródłem prądu wykorzystywanym w motoryzacji jest

a) dynamo.
b) akumulator.
c) alternator, prądnica.
d) generator prądu.

11. Najwięcej energii odnawialnej jest wytwarzanej z

a) energii wiatru.
b) energii biomasy.
c) energii pływów morskich.
d) energii spadku wody.

12. Prąd przemienny z języka angielskiego oznaczmy

a) AC.
b) KP.
c) DW.
d) AD.

13. Prąd stały z języka angielskiego oznaczamy

a) DC.
b) BS.
c) DS.
d) LN.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

14. Elektroliza to

a) wodny roztwór kwasu.
b) rozkład chemiczny powstający przy przepływie prądu elektrycznego przez elektrolit.
c) zjawisko elektryczne.
d) łączenie atomów.

15. Ogniwo elektrolityczne to

a) dwie elektrody zanurzone w elektrolicie.
b) jedna elektroda zanurzona w elektrolicie.
c) trzy elektrody zanurzone w elektrolicie.
d) dwie elektrody zabudowane w metalowej obudowie.

16. Akumulator o napięciu 12 V składa się z ogniw

a) 3.
b) 5.
c) 6.
d) 8.

17. Siła elektromotoryczna naładowanego akumulatora 12 V wynosi

a) 13,2 V.
b) 14,7 V.
c) 12,0 V.
d) 12,6 V.

18. Wadą akumulatorów ołowianych jest

a) duża siła elektromotoryczna.
b) ryzyko wycieku kwasu siarkowego.
c) waga akumulatora.
d) rodzaj napięcia.

19. Obwody elektryczne dzielimy na

a) obwody prądu przemiennego i stałego.
b) obwody cyfrowe i cyfrowo zmienne.
c) obwody liniowe i analogowe.
d) obwody nieliniowe i cyfrowe.

20. Obwody dzielimy ze względu na rodzaj połączenia elementów na

a) mieszane.
b) zamknięte.
c) szeregowe, równoległe i szeregowo równoległe.
d) otwarte.

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko..........................................................................................

Analizowanie obwodów elektrycznych i elektronicznych.

Zakreśl poprawną odpowiedź

Nr

zadania

Odpowiedź

Punkty

1.

a

b

c

d

2.

a

b

c

d

3.

a

b

c

d

4.

a

b

c

d

5.

a

b

c

d

6.

a

b

c

d

7.

a

b

c

d

8.

a

b

c

d

9.

a

b

c

d

10.

a

b

c

d

11.

a

b

c

d

12.

a

b

c

d

13.

a

b

c

d

14.

a

b

c

d

15.

a

b

c

d

16.

a

b

c

d

17.

a

b

c

d

18.

a

b

c

d

19.

a

b

c

d

20.

a

b

c

d

Razem:

,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

6. LITERATURA

1. Bartodziej G.: Aparaty i urządzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 2000
2. Chochowski A.: Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa 1996
3. Chochowski A.: Elektrotechnika z automatyką ćwiczenia. WSiP, Warszawa 1996
4. Instrukcja obsługi ciągnika Newholand TL90. Warszawa 2005
5. Orlik W.: Egzamin kwalifikacyjny elektryka w pytaniach i odpowiedziach. WiHK

„Kabe”, Krosno 2003

6. Rączkowski B.: Bhp w praktyce. ODDK, Gdańsk 2006
7. Sokolnik J.: Elektrotechnika samochodowa. WSiP, Warszawa 1999
8. www.pl.wikipedia.org.:
9. www.cocodive.pl