2009-10-15

1

Elektrotechnika

– dział techniki zajmujący się praktycznym zastosowaniem

wiedzy dotyczącej elektryczności.

Główne zagadnienia, którymi się zajmuje:
• wytwarzanie energii elektrycznej
• przesyłanie
• użytkowanie

Zalety energii elektrycznej:

• łatwość przemiany na inny rodzaj energii
• łatwość przesyłania na duże odległości
• łatwość rozdziału między odbiorców
• gotowość do wykorzystania w dowolnej chwili

Podstawowe

działy elektrotechniki:

• elektroenergetyka
• maszyny i napędy elektryczne
• technika świetlna
• elektrotermia
• elektrochemia

Elektronika

– rozwinęła się na podłożu elektrotechniki.

Zajmuje się praktycznym wykorzystaniem zjawisk związanych ze sterowanym
ruchem elektronów.

Podstawowe dziedziny elektroniki: telekomunikacja, informatyka, energoelektronika,
automatyka.

1

Prąd elektryczny

Jest to uporządkowany ruch ładunków swobodnych

wywołany różnicą potencjałów.

Warunki powstania prądu elektrycznego:

• nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania

się w przestrzeni

(tzn. nie mogą być unieruchomione w sieci krystalicznej)

• musi istnieć przyczyna ruchu

(np. siła elektryczna F

E

=qE, dyfuzja, unoszenie)

2

Nośniki prądu elektrycznego

substancja przewodząca

nośnik

przewodnik

elektrony walencyjne

elektrolit

jony

gaz

jony i elektrony

półprzewodnik

elektrony i dziury

próżnia

dowolny rodzaj ładunków

3

Podział ciał pod względem właściwości elektrycznych

a) przewodniki

•

I klasy - metale

Podczas przepływu prądu nie podlegają zmianom chemicznym

•

II klasy - roztwory

Podczas przepływu prądu podlegają zmianom chemicznym

b) dielektryki

Nie przewodzą prądu (elektrony silnie związane z atomem).

c) półprzewodniki

Ich przewodnictwo zmienia się pod wpływem różnych czynników
(np. domieszki, temperatura, pole elektryczne)

4

2009-10-15

2

Struktura obwodu elektrycznego

Elementy obwodu:

a) aktywne -

dostarczają do obwodu energię elektryczną

-

źródło napięcia

napięcie źródłowe (SEM) nie zależy od natężenia prądu

-

źródło prądu

natężenie prądu nie zależy od napięcia

b) pasywne

– odbiorniki, zamieniają na inny rodzaj energii (np. rezystory) lub

magazynują energię pod postacią energii pola w polu elektrycznym

(kondensatory) lub w polu magnetycznym (indukcyjności)

Obwód elektryczny tworzą elementy połączone ze sobą w taki sposób,

że istnieje co najmniej jedna droga zamknięta dla przepływu prądu.

5

żarówka

woltomierz

amperomierz

A

V

opornik stały

opornik suwakowy

źródło napięcia

kondensator

wyłącznik

cewka

a) ogniwo lub akumulator

b) bateria ogniw

c) i d)

oznaczenia źródeł

napięcia

e)

oznaczenie strzałki źródła
napięcia

6

a)

obwód nierozgałęziony b) obwód rozgałęziony

Schematy najprostszych obwodów elektrycznych:

7

Prawo Ohma

Natężenie prądu zależy wprost proporcjonalnie od napięcia

i odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji:

gdzie:

R - rezystancja
U -

różnica potencjałów (napięcie)

I -

natężenie prądu

Prawo Ohma jest spełnione tylko wtedy, gdy rezystancja nie zależy od napięcia ani od
natężenia prądu.

Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego:

gdzie:

R -

rezystancja obciążenia

E -

siła elektromotoryczna ogniwa

I -

natężenie prądu

r

W

-

rezystancja wewnętrzna ogniwa

V

A

R

U

I

w

r

R

E

I

8

2009-10-15

3

Opór elektryczny (rezystancja)

-

opór właściwy (rezystywność)

Opór elektryczny ma wartość 1 gdy natężenie przy napięciu 1 V ma wartość 1 A.

Jest to

zależność empiryczna i obowiązuje w ograniczonym zakresie, gdyż

rezystancja

elementów zależy od wielu czynników takich jak temperatura, wartość

napięcia i prądu, częstotliwość itd. Zależność ta jest bardzo często nieliniowa.

]

[

S

l

R

9

a) i b)

węzeł obwodu elektrycznego

c)

połączenie dwóch gałęzi

d)

przykładowy schemat obwodu elektrycznego

Obwody rozgałęzione

schematy

równoważne

10

Prawa Kirchhoffa

I prawo (prądowe)

suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa
sumie natężeń prądów wypływających z węzła

II prawo (napięciowe)

suma sił elektromotorycznych w oczku jest równa
sumie spadków napięć na rezystancjach

11

Najbardziej rozpowszechnione źródła prądu stałego:

ogniwa elektrochemiczne (baterie i akumulatory)

Typy ogniw:

• ogniwa nieodwracalne (tzw. pierwotne)

w wyniku przemian chemicznych zachodzących podczas przepływu
prądu elektrycznego powstają w nich nieodwracalne zmiany

(a

więc: jednorazowe wykorzystanie)

• ogniwa odwracalne (tzw. wtórne)

można je wielokrotnie ładować i rozładowywać

12

2009-10-15

4

Ogniwo Leclanche’go

(

bateria cynkowo

– węglowa)

A

– szczelne, nieprzewodzące zamknięcie

B

– katoda (biegun dodatni)

pr

ęt grafitowy z metalową końcówką

C

– anoda (biegun ujemny)

cylinder cynkowy

D

– elektrolit, najczęściej mieszanina:

MnO

2

, NH

4

Cl (salmiak) i ZnCl

2

Bezpośrednim źródłem SEM są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa):

i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):

napięcie nominalne: 1.5 V

e

Zn

Zn

2

2

2

3

4

2

2

2

H

NH

e

NH

Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe:

powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu,
który pełni rolę depolaryzatora:

2

4

3

3

2

]

)

(

[

4

NH

Zn

NH

Zn

O

H

O

Mn

H

MnO

2

3

2

2

2

2

13

Bateria alkaliczna

Nazwa tego typu baterii bierze się od alkalicznych (zasadowych) roztworów,
stosowanych w charakterze elektrolitu.

Anoda

– sproszkowany Zn (zwiększa to powierzchnię anody,

zmniejsza wewnętrzny opór baterii, zwiększa gęstość energii).

Katoda

– sproszkowany dwutlenek manganu MnO

2

Elektrolit

– wodorotlenek potasu KOH

Baterie alkaliczne charakteryzują się lepszymi od baterii cynkowo-węglowych parametrami:
większą gęstością energii, dłuższym czasem przydatności do użycia, odpornością na wycieki,
lepszą wydajnością zarówno w pracy ciągłej jak i z przerwami, niższym oporem wewnętrznym
pozwalającym na pobór większych mocy oraz funkcjonowanie w szerszym zakresie temperatur.

bateria cynkowo-
węglowa

bateria alkaliczna

14

Akumulator ołowiowy

kwasowy

Pojemność akumulatora – ilość

energii pobranej z naładowanego

akumulatora przy wyładowaniu

go w określonym czasie do

dozwolonej granicy napięcia.

Pojemność znamionowa –

wyładowanie w ciągu 10 godzin.

15

16

2009-10-15

5

Roz

ładowywanie akumulatora

reakcja na anodzie

reakcja na katodzie

17

Ładowanie akumulatora

18

Elektrolit:

substancje półpłynne lub stałe,

najczęściej wodorotlenek potasu

napięcie nominalne: 1.2 V

Akumulator NiCd

Może dostarczyć w krótkim czasie
duży prąd (prąd rozładowania
może 20x przekraczać jego
pojemność znamionową).

Charakteryzuje się dużą trwałością
przy niskich kosztach
wytwarzania, bo podstawowe
materiały - nikiel i kadm - są
stosunkowo niedrogie.

Kadm stanowi problem z punktu
widzenia ochrony środowiska.
To silnie toksyczny metal ciężki,
wymagający stosowania
gazoszczelnej obudowy i
specjalnych procedur utylizacji.

Traci energię, kiedy nie pracuje,
ok. 20 % na miesiąc.
Nieużywany – może ulec
uszkodzeniu, bo nie powinno się
go całkowicie rozładowywać.

19

tzw. efekt pamięciowy

Powód: kadm ma tendencję do krystalizacji.

Zjawisko to wyst

ępuje wówczas, gdy akumulator jest ponownie ładowany przed całkowitym

roz

ładowaniem. W wyniku krystalizacji kadmu zmniejsza się pojemność akumulatora, a od punktu

wyst

ąpienia efektu pamięciowego na linii rozładowania spada dostarczane napięcie.

Efekt pami

ęciowy można usunąć poprzez wielokrotne rozładowanie/ładowanie

(funkcja ładowarek: DISCHARGE lub REFRESH)

20

2009-10-15

6

napięcie nominalne: 1.2 V

Anoda: stop metalu, kt

óry może

wi

ązać wodór.

Akumulator NiMH

Gąbczasta struktura nasączona
substancjami alkalicznymi (jako
elektrolit) oraz złożonym
chemicznie katalizatorem.

Może dostarczyć w krótkim
czasie duży prąd.

System elektrochemiczny jest
zdolny do absorpcji
wydzielających się podczas
ładowania gazów, szczególnie
wodoru, dzięki czemu
akumulator może być całkowicie
szczelny i charakteryzować się
długą żywotnością.

Duże samorozładowanie, nawet
do 30 % na miesiąc.

21

tzw. efekt leniwego akumulatora

(lazy battery effect)

Powód: na dodatniej elektrodzie wykonanej z wodorotlenku niklu tworzą się kryształy .

Efekt powstaje w wyniku nieca

łkowitego rozładowania akumulatora w trakcie pracy lub długotrwałego

ładowania prądem o zbyt małym natężeniu.

Efekt pami

ęciowy można usunąć poprzez 2-, 3-krotne całkowite rozładowanie.

22

Akumulator Li-Ion

Elektrolit (ciekły): złożone
chemicznie sole litowe
rozpuszczone w
mieszaninie organicznych
rozpuszczalnik

ów.

Separator między
membranami stanowi
mikroprzepuszczalna
membrana z tworzywa
sztucznego.

napięcie nominalne: 3.6 V

Zaleta: niewielkie
samorozładowanie,
a więc długi czas
przechowywania bez
ponownego ładowania.

Lit to silnie reagujący
metal lekki, a więc
mocno nagrzany
mógłby eksplodować.
Z tego powodu
akumulatory zawierają
organiczny elektrolit.
Mimo to każdy
akumulator litowy jest
wyposażony w zawór
bezpieczeństwa i ma
szczególnie solidną
obudowę.

Dodatkowo, zawiera
układy elektroniczne
nadzorujące prądy
ładowania i
rozładowania
(zabezpieczenie przed
przegrzaniem).

23

Napięcie w trakcie niemal całego okresu rozładowania
akumulatora Li-

Io przekracza napięcie znamionowe 3,6 V.

Brak efektu pami

ęciowego, brak efektu leniwego akumulatora.

24

2009-10-15

7

Akumulator litowo-polimerowy

napięcie nominalne: 3.6 – 3.7 V

sta

ły lub żelowy elektrolit polimerowy

wykonany np. z g

ąbek na bazie

poliakrylonitrylu

Niskie

samorozładowanie, poniżej 10 % na miesiąc.

Brak efektu pamięciowego, brak efektu leniwego akumulatora.
Daje się niemal dowolnie formować, co zwiększa możliwości zastosowania.

25

Akumulator cynkowo-powietrzny

Katodą w procesie rozładowania jest tlen
atmosferyczny absorbowany na membranie z
węgla aktywnego i ulegający reakcji w kontakcie
ze środowiskiem elektrolitu. Stan całkowitego
rozładowania akumulatora polega na całkowitym
przekształceniu elektrody cynkowej w
wodorotlenek cynku.
W procesie ładowania, z akumulatora jest
uwalniany tlen do atmosfery.

Wada: tworzy otwarty system chemiczny.
Podczas rozładowania powierzchnia, na której
zachodzi reakcja, musi mieć zapewniony dopływ
powietrza z otoczenia, a podczas ładowania
trzeba odprowadzać uwolniony tlen.

Obecne modele z reguły nie są stosowane
w pomieszczeniach zamkniętych.

napięcie nominalne: 1.4 – 1.65 V

e

OH

Zn

OH

Zn

2

)

(

2

Zachodzące reakcje

anoda:

katoda:

W trakcie ładowania: reakcje w drugą stronę.

)

(

4

4

2

2

2

OH

e

O

H

O

26

Ogniwo paliwowe

Generuje energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego
z zewnątrz paliwa.

W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą
wewnątrz energii (nie muszą być ładowane). Bez dostarczania paliwa proces
wytwarzania prądu zatrzymuje się.

Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje
wodór na anodzie oraz tlen na katodzie (ogniwo wodorowo-tlenowe).
Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz
wykorzystywanych elektrolitów.

Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe,
jest pojemność zbiornika na paliwo.

Zaleta: brak zanieczyszczenia powietrza. Powstające w ogniwie spaliny
składają się wyłącznie z pary wodnej.

27

Wodór dopływa do anody, gdzie rozpada się na jony protonowe H

+

oraz elektrony:

Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów. Elektrony płyną do katody przez
zewnętrzny obwód elektryczny wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń, zaś protony dyfundują
przez elektrolit.

Na katodzie tlen reaguje z elektronami :

Następnie jony H

+

reagują ze zjonizowanym tlenem:

Końcowym produktem jest więc woda (w postaci ciekłej lub para).

Membrana

– polimer rozdzielający anodę

i katodę, przewodzący protony lecz
uniemożliwiający przepływ elektronów.

Elektrody

– najczęściej nawęglony papier

pokryty platyną, która jest katalizatorem
reakcji.

e

H

H

4

4

2

2

2

2

2

4

O

e

O

O

H

H

O

2

2

2

4

2

Anoda

Katoda

Membrana

elektrolityczna

28