1. Prąd elektryczny. Definicja natężenia prądu.

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego (napięcia). Prąd elektryczny jest to także nałożenie się dwóch ruchów ładunków:

-Chaotycznego ruchu termicznego wynikającego z faktu, że ładunki znajdują się w ciele o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego.

-Ruchu uporządkowanego wynikającego z faktu przyłożenia pola elektrycznego.

Nośniki prądu elektrycznego:

Metale-elektrony walencyjne

Elektrolity-jony (+) i (-)

Gazy- jony i elektrony

Półprzewodnik- elektrony i dziury

Próżnia- dowolny rodzaj ładunku

W naturze przykładami prądu elektrycznego są wyładowania atmosferyczne, wiatr słoneczny, czynności komórek nerwowych.

Prąd przewodzenia- występuje w przewodnikach stałych lub ciekłych

Prąd przesunięcia- występuje w dielektrykach (porcelana, drewno, szkło) cząsteczki dodatnie i ujemne przemieszczają się wewnątrz atomu bez naruszenia struktury atomowej materii.

Prąd unoszenia (konwekcyjny)- występuje w próżni, np. ruch elektronów w lampach elektronowych.

Natężenie prądu elektrycznego- definiuje się jako stosunek ładunku elektrycznego q, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu t przepływu tego ładunku.

I=dq/dt (dla zmiennych) lub I=Q/t (dla stałych)

Warunki przepływu prądu elektrycznego:

1)Istnienie swobodnych nośników prądu

2)Zamknięty obwód elektryczny

3)Pole elektryczne wytworzone przez źródło

Skutki przepływu prądu elektrycznego:

Cieplne- zamiana energii elektrycznej na cieplną

Świetlne- zamiana energii elektrycznej na świetlną

Mechaniczne- zamiana energii elektrycznej na mechaniczną (silniki)

Chemiczne- zamiana energii elektrycznej na chemiczną (elektroliza)

Magnetyczne- zamiana energii elektrycznej na energię pola magnetycznego (elektromagnesy)

Fizjologiczne- oddziaływanie prądu na organizm ludzki.

2) Wytwarzanie energii elektrycznej.

*Paliwa Pierwotne- węgiel, uran, gaz, ropa

*Energia Odnawialna- woda, wiatr, słońce, geotermia, biomasa.

*Ogniwa Wodorowe- Bezpośrednia przetwarzanie energii chemicznej w energię elektryczną.

Konwersja energii:

1. Mechaniczna-elektryczna (działanie pola magnetycznego), prądnice prądu stałego i zmiennego.

2. Chemicznaelektryczna, akumulatory, ogniwa galwaniczna, ogniwa paliwowe

3. Cieplnaelektryczna, termoelementy

4. Promienistaelektryczna, fotoogniwa

3) Cechy energii elektrycznej.

Zalety:

-łatwość przesyłania, regulacji, rozdziału

-Nie zanieczyszcza środowiska

-Wysoka sprawność przetwarzania na inne formy energii

Wady:

-trudność przechowywania.

*W systemie elektroenergetycznym, który jest jednym gigantycznym obwodem elektrycznym produkcja i zużycie energii elektrycznej są ściśle ze sobą związane czyli podaż w każdej chwili musi równoważyć popyt.

*Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest zmienne w czasie (w ciągu doby, w dniach tygodnia itp.) i zależy od szeregu czynników.

*Nie jest możliwe konkretne określenie elektrowni, z której energia dopływa do odbiorcy.

* Energia elektryczna praktycznie nie może być magazynowana. Niedobór energii w systemie elektroenergetycznym musi być natychmiast równoważony przez zwiększenie produkcji elektrowni.

4) Prawo Ohma

Natężenie prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do wartości napięcia elektrycznego na jego końcach i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji przewodnika.

U=Ri lub U=RI

i=Gu lub I=GU , gdzie G- konduktancja [S]

5) Od czego zależy rezystancja przewodu

R=ϱ* l/S lub R=(l/(ϒ*S)

ϱ-rezystywność (opór właściwy) [Ωm]

l-długość przewodnika

S-pole przekroju poprzecznego przewodnika

ϒ-konduktywność

Rezystancja przewodnika zależy również od temperatury.

TWR-określa względną zmianę rezystancji wywołaną zmianą temperatury o 1 stopień C. [1/stopień C]

TWR może być:

a)dodatni (metale, stopy metali)

b)ujemny (elektrolity, półprzewodniki)

6) Praca i moc prądu elektrycznego

Praca- miara ilości energii wymienianej między układami fizycznymi

Moc-miara pracy wykonanej w jednostce czasu

P=W/t [Wat]

W=Pt [J]

Moc znamionowa- wartość mocy, przy której urządzenie pracuje prawidłowo, zgodnie z zaleceniami producenta.

7) I i II Prawo Kirchoffa.

I Prawo Kirchoffa:

W każdym węźle obwodu elektrycznego suma algebraiczna prądów równa się zeru.

II Prawo Kirchoffa:

W każdym oczku obwodu elektrycznego algebraiczna suma napięć źródłowych i odbiornikowych równa się zeru.

8) Wielkości charakteryzujące pole elektryczne.

*Pole elektryczne- stan przestrzeni, w której nieruchome ciało obdarzone ładunkiem elektrycznym doznaje działania siły.

*Natężenie pola elektrycznego jest wielkością wektorową i określa siłe F działającą w danym punkcie pola na elementarny ładunek elektryczny q umieszczony w tym polu.

F=qE , gdzie E- natężenie pola elektrycznego [V/m]

E=Q/4Пὲ₀r² , gdzie ὲ₀ to przenikalność elektryczna próżni

*Napięcie elektryczne- różnica potencjałów [V]

*Wektor indukcji elektrycznej D: [C/m²]

D=ὲE

Indukcja elektryczna D oznacza gęstość linii sił pola elektrycznego.

*Strumień elektryczny

fDdS= Ψ-strumień elektryczny

Twierdzenie Gaussa:

Strumień wektora indukcji elektrycznej D przenikający przez powierzchnię zamkniętą S jest równy ładunkowi zawartemu w przestrzeni ograniczonej tą powierzchnią.

9) Od czego zależy pojemność kondensatora.

Kondensator- pasywny element elektryczny (elektroniczny)- układ dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych warstwą izolacyjną (dielektrykiem). Cechą kondensatora jest zdolność gromadzenia ładunku elektrycznego. Kondensator nie podłączony do źródla napięcia stałego jest elektrycznie obojętny. Z chwilą podłączenia następuje gromadzenie na okładzinach ładunków elektrycznych różniących się znakiem tzn. na jednej okładzinie gromadzą się ładunki dodatnie, na drugiej ujemne. Płynie krótkotrwały prąd ładowania dopóki różnica potencjałów na okładzinach kondensatora nie będzie równa napięciu na zaciskach.

Q=CU C-pojemność elektryczna [F]-Farad

C=ὲὲ_r S/d, gdzie ὲ-przenikalność elektryczny próżni

ὲ_r-przenikalność elektryczna ośrodka, z którego wykonano dzielący okładki izolator

S-powierzchnia jednej okładki kondensatora

d-odległość między okładkami

10)Rodzaje i budowa kondensatorów

Wyróżniamy kondensatory: płaskie, kuliste, walcowe, a także: powietrzne, mikowe, ceramiczne, z tworzyw sztucznych, elektrolityczne, energetyczne.

11)Rodzaje dielektryków i ich wytrzymałość elektryczna.

Wytrzymałość elektryczna- najmniejsza wartość natężenia pola elektrycznego, przy której następuje przebicie dielektryka.

E_kr=U_kr/d ,gdzie U_kr-napięcie krytyczne, d-grubość dielektryka.

Dielektryk Wytrzymałość elektryczna

Powietrze w warunkach normalnych 30 000

Olej transformatorowy 200 000

Papier nasycony 200 000-2 000 000

Polichlorek winylu 500 000

Szkło 500 000

Dielektryki dzielimy na:

• Lotne, np. powietrze

• Ciekłe np. oleje syntetyczne i mineralne

• Stałe np. drewno, szkło, porcelana, tworzywa sztuczne

12) Energia zmagazynowana w kondensatorze.

W_e=CU²/2

13)Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne.

*Pole magnetyczne występuje w przestrzeni otaczającej magnes trwały lub przewodnik, w którym płynie prąd.

*Indukcja magnetyczna „B”[Tesla]- wielkość wektorowa opisująca pole magnetyczne, jest miarą pola magnetycznego. Siła działająca na przewód z prądem umieszczony w równomiernym polu magnetycznym to „siła elektrodynamiczna”.

F=Bil zwrot siły elektrodynamicznej- reguła lewej dłoni.

*Strumień indukcji magnetycznej „ɸ”- suma linii sił pola magnetycznego B przechodzących przez określoną powierzchnię S.

ɸ=BS [weber]

Prawo Gaussa dla pola magnetycznego:

Całkowity strumień magnetyczny przez powierzchnię zamkniętą równa się zeru.

*Natężenie pola magnetycznego „H”- charakteryzuje pole magnetyczne z punktu widzenia przyczyny wywołującej to pole, a więc zależy od natężenia prądu i odległości danego punktu pola od przewodnika.

Przewód prostoliniowy:

H=I/2Пr

Solenoid:

H=Iż/l

*Przenikalność magnetyczna „μ”- indukcja magnetyczna B i natężenia pola magnetycznego H powiązane są zależnością:

B=μH ,gdzie μ-przenikalność magnetyczna bezwzględna.

14) Oddziaływanie pola magnetycznego na przewód wiodący prąd.

Siła działająca na przewód z prądem umieszony w równomiernym polu magnetycznym- siła elektrodynamiczna. F=Bil

Zwrot siły elektrodynamicznej- reguła lewej dłoni.

*Jeżeli dwa przewodniki, w których płynie prąd przyciągają się to prąd w obu przewodnikach płynie w tym samym kierunku.

*Jeżeli przewodniki odpychają się, to prądy płyną w przeciwnych kierunkach.

15) Rodzaje i właściwości materiałów magnetycznych.

Parametry materiałów magnetycznie miękkich:

*duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania.

*jak najmniejsza stratność, pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii.

*duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej.

*duża rezystywność, w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi.

Magnetyki miękkie stosuje się na obwody magnetyczne w transformatorach, generatorach, silnikach i elektromagnesach.

Materiały magnetyczne twarde stosuje się do budowy magnesów trwałych (silniki, generatory)

Materiały magnetyczne półtwarde podobnie do magnetyków twardych zachowują stan namagnesowania po usunięciu pola magnesującego. Jednak stosunkowo łatwo doprowadzić je do stanu rozmagnesowania. Własność ta stosowana jest do przechowywania informacji.

Magnetyki półtwarde stosowane są głównie w:

*pamięciach magnetycznych

*systemach zabezpieczeniowych towarów

16) Zjawisko indukcji elektromagnetycznej:

Zjawisko powstawania napięcia (siły elektromotorycznej SEM) w przewodniku, na który działa zmienne pole magnetyczne. Przyczyną powstawania tej siły jest zmiana strumienia magnetycznego skojarzonego z przewodnikiem (obwodem elektrycznym)

Możliwe przypadki:

*nieruchome przewody- zmienne pole magnetyczne

*ruchome przewody- stałe pole magnetyczne lub zmienne pole magnetyczne.

Nieruchomy przewód w zmiennym polu magnetycznym:

e=-z dɸ/dt

Reguła Lenza-reguła przekory:

Jakiekolwiek zmiany strumienia magnetycznego skojarzonego z przewodzącym obwodem zamkniętym powodują powstanie sił elektromotorycznych i mechanicznych przeciwdziałających zmianom skojarzonego strumienia magnetycznego.

17) Kiedy w obwodzie elektrycznym indukuje się siła elektromotoryczna:

Siła ta powstaje na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami wartości pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródłem pola magnetycznego.

18) Od czego zależy siła elektromotoryczna:

Siła elektromotoryczna zależy od wartości ładunku elektrycznego przenoszonego wbrew siłom pola elektrycznego, a także od pracy wykonanej przez źródło podczas przenoszenia ładunku.

19) Indukcyjność własna i wzajemna

Samoindukcja (indukcyjność własna) polega na powstaniu w obwodzie siły elektromotorycznej wskutek zmiany prądu w tym obwodzie.

Indukcyjność własna- iloraz strumienia skojarzonego z obwodem i prądu wywołującego ten strumień

e_l=-L di/dt [H] henr

L-indukcyjność wlasna

(współczynnik samoindukcji)

Samoindukcja działa na zasadzie przekory.

Indukcyjność wzajemna obwodu- iloraz strumienia skojarzonego z danym obwodem i prądu w obwodzie sąsiednim wywołującego ten strumień.

M₁₂=Ψ₁₂/i₁

Współczynnik sprzężenia:

K=M/(pierwiastek)L₁L₂

20) Prądy wirowe

Prądy indukcyjne płynące w przewodniku, który znalazł się w zmiennym polu magnetycznym, nazywamy prądami wirowymi.

Wykrywanie obiektów metodą prądów wirowych:

Aktywny czujnik generuje pole elektromagnetyczne, co powoduje powstanie prądów wirowych w poszukiwanym przedmiocie. Prądy te generują wtórne pole elektromagnetyczne, wykrywane i oceniane przez czujnik odbiorczy.

21) Oddziaływanie prądu na organizm ludzki.

Wartość oporności człowieka zależy od:

-wilgotności

-wartości napięcia

-czasu trwania rażenia

-powierzchni dotyku i nacisku

-drogi przepływu prądu przez ciało

Minimalna rezystancja ciała człowieka wynosi około 1kΩ

Rażenie bezpośrednie:

-Zaburzenia układu krążenia (migotanie komór sercowych)

-Zaburzenia oddychania

-Porażenia układu nerwowego

-Skutki termiczne (oparzenia, uszkodzenia wewnętrzne tkanek)

Rażenie pośrednie:

-Oddziaływanie łuku elektrycznego (cieplne i świetlne)

-Urazy mechaniczne

Skutki rażenia

-Prąd graniczny odczuwania 0,5mA

-Prąd graniczny samouwolnienia 10mA

-Prąd graniczny fibrylacji

*30mA (dla czasów powyżej 1s)

* 500mA (dla czasów poniżej 0,1s)

22) Rodzaje uziemień

Uziomem nazywa się metalowy przedmiot umieszczony w wierzchniej warstwie gruntu, zapewniający połączenie elektryczne przedmiotów uziemianych z ziemią.

Uziomy:

*sztuczne

-pionowe (rury, pręty)

-poziome (taśma stalowa)

-płytowe (blacha)

*naturalne

Zbrojenia, rury wodociągowe, ołowiane powłoki i metalowe płaszcze kabli elektroenergetycznych.

W instalacjach elektroenergetycznych stosuje się różne rodzaje uziemień:

-robocze

-ochronne

-odgromowe

-pomocnicze

Uziemienie robocze oznacza uziemienie określonego punktu obwodu elektrycznego, w celu zapewnienia prawidłowej pracy urządzeń elektrycznych w warunkach zwykłych i zakłóceniowych.

Uziemienie ochronne polega na połączeniu dostępnych dla dotyku metalowych części urządzeń z uziomem, w celu zapewnienia ochrony przeciwpożarowej.

Uziemienie odgromowe służy do odprowadzenia do ziemi udarowych prądów wyładowań atmosferycznych.

Uziemienia pomocnicze wykorzystuje się dla celów ochrony przeciwporażeniowej oraz w układach pomiarowych i zabezpieczających.

23) Układy sieci niskiego napięcia (TN-C i TN-S)

a)TN-C układ trójfazowy czteroprzewodowy (L₁, L₂, L₃, PEN)

b)TN-S układ trójfazowy pięcioprzewodowy (L₁, L₂, L₃, N, PE)

Oznaczenia przewodów:

-L_1, L₂,L₃- przewody fazowe (line)

-N- przewód neutralny (neutral)

-PE- przewód ochronny (protection earth)

Oznaczenia w nazewnictwie systemów:

-T- ziemia

-N- neutralny

-I-izolowany

-C- wspólny

-S-oddzielny, rozłączny

W instalacjach elektrycznych należy stosować przede wszystkim układ sieci TN-S

Kolory przewodów:

-L1,L2,L3- brązowy, czarny, szary

-N-niebieski

-PE-zielono-żółty

24) Wielkości charakteryzujące przebiegi sinusoidalne

* Okres T- najkrótszy czas, po którym przebieg powtarza się.

*Pulsacja w=2П/t lub w=2Пf

*Częstotliwość f- liczba okresów przypadająca na jedną sekundę f=1/T

*Kąt przesunięcia fazowego Ψ- w przypadku napięć i prądów, jest to różnica faz między napięciem, a prądem.

*Wartość chwilowa i- wartość w danej chwili.

*Wartość maksymalna I_m- (amplituda) największa wartość chwilowa.

*Wartość średnia I_śr- - równoważny prąd stały, który płynąc w czasie równym połowie okresu przeniesie taki sam ładunek co prąd sinusoidalny.

*Wartość skuteczna I- zastępczy prąd stały, równoważny prądowi przemiennemu pod względem przenoszonej energii elektrycznej. Równoważny prąd stały, który płynąc przez rezystor R w czasie jednego okresu T spowoduje wydzielenie tej samej energii cieplnej co prąd sinusoidalny.

*Wykres wskazowy- zbiór wektorów (wskazów) na płaszczyźnie, odpowiadających przebiegom o identycznej częstotliwości.

25) Wartość skuteczna prądu sinusoidalnego.

Wartość skuteczna I- zastępczy prąd stały, równoważny prądowi przemiennemu pod względem przenoszonej energii elektrycznej. Równoważny prąd stały, który płynąc przez rezystor R w czasie jednego okresu T spowoduje wydzielenie tej samej energii cieplnej co prąd sinusoidalny.

26) Moc prądu sinusoidalnego.

* Moc czynna: P=UIcosΨ [W]

*Moc bierna: Q=UIsinΨ [var]

*Moc pozorna: S=UI [VA]

Współczynnik mocy:

cosΨ= P/S

Określa jaką część mocy pozornej wytworzonej przez źródło jest przetwarzana na inny rodzaj energii w odbiorniku, określa stopień wykorzystania mocy pozornej S.

Moc pozorna S decyduje o wymiarach generatorów i całego układu pośredniczącego (sieci transformatorów, aparatury rozdzielczej, pomiarowej i zabezpieczającej).

Odbiorniki elektryczne mogą być urządzeniami pobierającymi wyłącznie energię czynną (żarówki, urządzenia grzewcze) lub pobierającymi zarówno energię czynną jak i bierną (silniki elektryczne).

Niska wartość współczynnika mocy powoduje:

*przewymiarowanie źródeł zasilania.

*zwiększenie strat energii w liniach zasilających.

*zwiększenie spadków napięcia w liniach zasilających.

Poprzez poprawę współczynnika mocy uzyskuje się kompensację mocy biernej.

Metody kompensacji mocy biernej:

*naturalne- zastąpienie niedociążonych silników przez silniki mniejszej mocy, ograniczenie pracy transformatorów w stanie jałowym.

*sztuczne- zainstalowanie przy odbiorniku (w zakładzie przemysłowym) baterii kondensatorów w celu skrócenia drogi przepływu mocy biernej (kondensator-odbiornik).

27)Rezystor R prądu sinusoidalnego.

Idealny rezystor- zachodzi w nim jedynie proces zamiany energii elektrycznej na ciepło.

P=ui , Q=0, S=UI, cosΨ=1

u=U_msinwt

i=I_msinwt

28) Cewka L prądu sinusoidalnego.

Idealna cewka L, w którym zachodzi jedynie proces gromadzenia energii w polu magnetycznym.

i=I_msinwt

p=ui

P=0, Q=UI, S=UI, cosΨ=0

29) Kondensator C prądu sinusoidalnego.

Idealny kondensator C- zachodzi w nim jedynie proces gromadzenia energii w polu elektrycznym.

X_c=1/wC –reaktancja pojemnościowa

P=0 , Q=UI, S=UI, cosΨ=0

30)Szeregowe i równoległe połączenie RLC

a) Szeregowe połączenie RLC:

i=I_msinwt

u=U_msin(wt+Ψ)

U=(pierwiastek)U_r²+(U_L-U_C)²

Z=(pierwiastek)R²+(X_L-X_C)² – Impedancja, (opór pozorny)

U=ZI

a)X=X_L-X_C : X>0 X_l>X_C obwód ma charakter indukcyjny, napięcie wyprzedza prąd.

b) X<0, X_L<X_C obwód ma charakter pojemnościowy, prąd wyprzedza napięcie.

c)X=0 X_L=X_C obwód ma charakter rezystancyjny, prąd jest w fazie z napięciem.

b) Równoległe połączenie RLC

u=U_msinwt

i=I_msin(wt+Ψ)

I=(pierwiastek)I_R²+(I_C-I_L)²

G=I/R –konduktancja [S]

B_L=1/wL- susceptancja indukcyjna

B_C=wC- susceptancja pojemnościowa

31)Rezonans

Rezonans- zjawisko to występuje w obwodzie RLC, gdy częstotliwość napięcia zasilania jest równa częstotliwości drgań własnych obwodu.

Rezonans napięć, występują przepięcia.X_L=X_C

Rezonans prądów, występują przetężenia. B_L=B_C

W rezonansie następuje wymiana energii pola elektrycznego kondensatora i pola magnetycznego cewki.

Częstotliwość rezonansowa: f=1/2П(pierwiastek)LC

Zastosowanie zjawiska rezonansu: filtry selektywne

32) Oporność falowa

*Oporność falowa- miara oporu jaki ośrodek stawia drganiom podczas rozchodzenia się fali.

*Impedancję falową definiuje się dla każdego ośrodka, w którym przenoszone są fale elektromagnetyczne.

*Jednostką impedancji falowej, podobnie jak impedancji w obwodach elektrycznych, jest ohm.

Z=(pierwiastek)L/C

33) Układ trójfazowy połączony w gwiazdę.

34)Układ trójfazowy połączony w trójkąt.

35) Moc w układach trójfazowych.

36) Zalety układów trójfazowych.

*mniejsze straty mocy

*mniejsze zużycie materiałów przewodowych w porównaniu do równoważnych układów jednofazowych.

*mniejsze koszty przesyłu energii elektrycznej.

*Układ trójfazowy wytwarza pole magnetyczne wirujące, które jest podstawą działania indukcyjnych silników asynchronicznych.

*Możliwość uzyskania dwóch różnych wartości napięć bez stosowania transformatorów (napięcia fazowe i przewodowe)

37) Transformatory.

Transformator- urządzenie elektryczne dokonujące transformacji energii elektrycznej prądu przemiennego (zmiany napięcia i natężenia prądu) przy zachowaniu częstotliwości i praktycznie tej samej mocy.

Transformacja energii odbywa się dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

W praktyce transformatory są stosowane do zmniejszania lub podwyższania napięcia przemiennego.

*Transformator zbudowany jest z rdzenia ferromagnetycznego, na który nawinięte są co najmniej dwa uzwojenia; pierwotne pobierające moc z sieci zasilającej i wtórne- oddające moc odbiornikowi.

*Parametry transformatorów:

-moc pozorna (Va,kVa,MVA)

-napięcie pierwotne i wtórne

-prąd pierwotny i wtórny

38)Silniki elektryczne- rodzaje

Silnik elektryczny- urządzenie elektryczne do zmiany energii elektrycznej na energię mechaniczną.

Silniki prądu stałego:

-obcowzbudne: magnesy trwałe lub elektromagnesy

-samowzbudne: szeregowe, bocznikowe, szeregowo-bocznikowe

Silniki prądu przemiennego:

-asynchroniczne- klatkowe, pierścieniowe

-synchroniczne

Budowa silników:

-nieruchomy stojan

-obracający się wirnik.

Komutator- element przełączający na wirniku maszyn prądu stałego.