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