2010-10-12

1

Elektrotechnika

-

dział techniki zajmujący się praktycznym 
zastosowaniem wiedzy dotyczącej elektryczności.

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

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

2010-10-12

2

Prąd elektryczny

Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych 

wywołany różnicą potencjałów. 

Warunki powstania prądu elektrycznego:

• nośniki ładunku muszą mieć możliwość poruszania 

się w przestrzeni 

(tzn. nie mogą być np. unieruchomione w sieci krystalicznej)

• musi istnieć przyczyna ruchu 

(np. siła elektryczna F

E

=qE, dyfuzja, unoszenie)

Nośniki prądu elektrycznego

substancja przewodząca

nośnik

przewodnik

elektrony walencyjne

elektrolit

jony

gaz

jony i elektrony

półprzewodnik

elektrony i dziury

próżnia

dowolny rodzaj ładunków

2010-10-12

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)

Struktura obwodu elektrycznego

Elementy obwodu elektrycznego:

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.

2010-10-12

4

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

obwód rozgałęziony:

Schematy najprostszych obwodów elektrycznych

odbiornik

E

odbiornik

E

odbiornik

obwód nierozgałęziony: 

2010-10-12

5

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

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

2010-10-12

6

a) i b)

węzeł obwodu elektrycznego

c)

połączenie dwóch gałęzi

d)

przykładowy schemat obwodu elektrycznego

Obwody rozgałęzione 

schematy 

równoważne

Prawa Kirchhoffa

I prawo (tzw. prądowe): 

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

0

=

I

k

k

I

2

=I

1

+I

3

+I

4

I

2

I

1

I

4

I

3

węzeł

2010-10-12

7

II prawo (tzw. napięciowe) :

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

∑

i

U

i

= 0

3

2

1

U

U

U

E

U

1

+

_

E

+

_

+

_

U

2

_

+

U

3

2010-10-12

8

R

1

R

2

R

3

R= R

1

+ R

2

+ R

3

R

1

R

2

2

1

1

1

1

R

+

R

=

R

rezystancja zastępcza:

równoległe

2

1

2

1

R

R

R

R

R

Łączenie rezystorów

szeregowe

rezystancja zastępcza:

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

2010-10-12

9

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

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

2010-10-12

10

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.

2010-10-12

11

Roz

ładowywanie akumulatora

reakcja  na anodzie:

reakcja  na katodzie:

Ładowanie akumulatora

2010-10-12

12

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.

tzw. efekt pamięciowy

Powód:  kadm  ma tendencję do krystalizacji.

Zjawisko  to wyst

ępuje  wówczas,  gdy akumulator  jest ponownie  ładowany  przed 

ca

łkowitym  rozładowaniem.  W wyniku  krystalizacji  kadmu  zmniejsza  się pojemność 

akumulatora, a od punktu  wyst

ąpienia  efektu  pamięciowego  na linii rozładowania  spada 

dostarczane  napi

ęcie. 

Efekt pami

ęciowy  można  usunąć poprzez  wielokrotne  rozładowanie/ładowanie

(funkcja ładowarek:  DISCHARGE lub  REFRESH)

2010-10-12

13

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.

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 

d

ługotrwałego  ładowania  prądem  o zbyt małym  natężeniu.

Efekt pami

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

2010-10-12

14

Akumulator Li-Ion

Elektrolit (ciekły): 
z

łożone 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).

Napięcie w trakcie niemal całego okresu rozładowania akumulatora Li-Io 
przekracza napięcie znamionowe 3,6 V.

Brak efektu pami

ęciowego, brak efektu leniwego akumulatora.

2010-10-12

15

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.

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

2010-10-12

16

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.

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