ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία ιάλεξη 7

Transcript

1 ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία ιάλεξη 7 29 Σεπτεµβρίου, 2006 Γεώργιος Έλληνας Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Επανάληψη Ηλεκτρική πηγή Είδη ρεύµατος: συνεχές και εναλλασσόµενο Είδη ηλεκτρικών φορτίων (R, L, C) 1

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΡΟΗΜΟΥΜΕΝΗΣ ΙΑΛΕΞΗΣ Φορτίο Σύµβολο: Q, Μονάδα µέτρησης: C (coulomb) Τα ετερώνυµα έλκονται και τα οµώνυµα απωθούνται ύναµη Σύµβολο: F, Μονάδα µέτρησης: Ν (newton) q1q2 Ο νόµος του Coulomb: F = 2 4πε0r Έργο Σύµβολο: W, Μονάδα µέτρησης: J (joule) W = F*απόσταση Τάση Σύµβολο: V, Μονάδα µέτρησης: V (volts) V = W/Q Ένταση Σύµβολο: Ι, Μονάδα µέτρησης: Α (ampere) I = Q/t ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΡΟΗΜΟΥΜΕΝΗΣ ΙΑΛΕΞΗΣ Συµβατική κίνηση ηλεκτρικού ρεύµατος Α V s + - Σ Β Κίνηση ηλεκτρονίων 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΡΟΗΜΟΥΜΕΝΗΣ ΙΑΛΕΞΗΣ ιαφορά δυναµικού µεταξύ των άκρων Α και Β: V Ένταση που διαρρέει το κύκλωµα: I Αν V = 0 V => I = 0 A (δεν υπάρχει πηγή και εποµένως δεν µπορεί να υπάρξει ροή ηλεκτρονίων) Αν I = 0 A δεν συνεπάγεται ότι V = 0 V (το κύκλωµα είναι ανοικτό αλλά η πηγή (µπαταρία) είναι εκεί) Α + V - I Σ Β ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΡΟΗΜΟΥΜΕΝΗΣ ΙΑΛΕΞΗΣ V = V AB = V A V B -- Πρέπει να ξέρουµε και τις δύο τάσεις V A και V B για να ξέρουµε την τάση στο στοιχείο Σ Αν το σηµείο Β είναι γειωµένο, τότε η τάση V B είναι µηδέν Α + V - I Σ Β 3

4 Ηλεκτρική πηγή Κοινά χαρακτηριστικά ηλεκτρικών πηγών: Έχουν δυο πόλους (ένα θετικό και ένα αρνητικό). Η πηγή σπρώχνει τα ηλεκτρόνια από τον αρνητικό πόλο στο θετικό. Χρειάζονται καλώδια ή άλλα µέσα µεταφοράς για να υπάρχει ροή ηλεκτρικής έντασης στο φορτίο. Η πηγή είναι µετατροπέας ενέργειας -- Μετασχηµατίζει ενέργεια κάποιας άλλης µορφής σε ηλεκτρική Παραδείγµατα: -- Μπαταρία: Η αποθηκευµένη χηµική ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική -- Γεννήτρια: Η µηχανική ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική Είδη ρεύµατος Συνεχές (Direct current, DC) -- Ροή ηλεκτρονίων µόνο προς µια κατεύθυνση Εναλλασσόµενο (Alternating current, AC) -- Η ροή ηλεκτρονίων µεταβάλλεται από τη µια κατεύθυνση στην άλλη Συνεχής ροή ηλεκτρικού ρεύµατος 4

5 Συνεχές ρεύµα Ροή ηλεκτρονίων µόνο προς µια κατεύθυνση Παράδειγµα: Μπαταρία, γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος Σύµβολο: + - Εναλλασσόµενο ρεύµα Η ροή ηλεκτρονίων εναλλάσσεται Παράδειγµα: Γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος Σύµβολο: Σε τι βοηθά το εναλλασσόµενο ρεύµα; Μπορεί να µετασχηµατιστεί και έτσι να γίνει η µεταφορά του σε µεγάλες αποστάσεις πιο οικονοµικά. Μπορεί πιο εύκολα να αναπαραστήσει χρονικά µεταβαλλόµενα σήµατα όπως ήχο (οµιλία, µουσική) και εικόνες. 5

6 Είδη ηλεκτρικών φορτίων Παραδείγµατα ηλεκτρικών φορτίων Λάµπες Μοτέρ Ηλεκτρονικοί υπολογιστές Ηλεκτρική θερµάστρα Ψυγείο, πλυντήριο, οικιακές συσκευές Τα φορτία αυτά αποτελούνται από ένα ή περισσότερα στοιχεία: -- Παθητικά στοιχεία (R, C, L) -- Ενεργά στοιχεία (τρανζίστορ) Παθητικά στοιχεία εν χρειάζονται εξωτερική (δευτερεύουσα) πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργήσουν και δεν συνεισφέρουν οποιασδήποτε µορφής ενίσχυση στο ηλεκτρικό σήµα του κυκλώµατος στο οποίο βρίσκονται. Είναι στοιχεία χωρίς µυαλό. Εν αντιθέσει, τα ενεργά στοιχεία µπορούν να ελέγξουν την τάση και την ένταση σε ένα κύκλωµα ή να λειτουργούν ως διακόπτες. Είναι έξυπνα στοιχεία. Παραδείγµατα παθητικών στοιχείων: -- Αντίσταση (Resistor, R) -- Πηνίο (Inductor, L) -- Πυκνωτής (Capacitor, C) 6

7 Αντίσταση Καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια (συνήθως σε µορφή θερµότητας) Χρησιµοποιείται για τον έλεγχο της ποσότητας ηλεκτρικού ρεύµατος που διαπερνά ένα κύκλωµα (ή µέρος ενός κυκλώµατος) Σύµβολο: R Μονάδα µέτρησης: Ω (ωµ, ohm) Ειδική αντίσταση (σταθερά που εξαρτάται από το υλικό και τη θερµοκρασία του) ιατοµήυλικού R = ρl A Μήκος υλικού Αντίσταση Παραδείγµατα αντιστάσεων: -- λάµπα πυρακτώσεως (incandescent lamp) -- ηλεκτρική θερµάστρα -- καλώδια Ονόµος του Ohm: V R = I Ηλεκτρική ισχύς (power) που καταναλώνεται σε µια αντίσταση: P = VI = ( IR) I = I 2 R 7

8 Πηνίο Η ροή ηλεκτρικού ρεύµατος σε αγωγό δηµιουργεί µαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό. Αυτό το φαινόµενο είναι αµελητέο στα συνηθισµένα καλώδια. Αν όµως πολλά καλώδια περιτυλιχτούν είτε µόνα τους είτε γύρω από κάποιο µαγνήτη, τότε το φαινόµενο αυτό δεν είναι αµελητέο. Τα περιτυλιγµένα καλώδια αποτελούν ένα στοιχείο το οποίο ονοµάζεται πηνίο. Τα πηνία αποθηκεύουν ενέργεια µε τη µορφή µαγνητικού πεδίου. Σύµβολο: L L Πηνίο Μονάδα µέτρησης: H (χένρυ, henry) Ένα πηνίο χαρακτηρίζεται από την αυτεπαγωγή του (inductance) Ητάση στα άκρα ενός πηνίου δίνεται από τη σχέση: V = di L dt Παραδείγµατα όπου παρατηρείται το φαινόµενο της αυτεπαγωγής: µετασχηµατιστές, πηνία, καλώδια µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας 8

9 Πυκνωτής Ο πυκνωτής αποτελείται από µια διάταξη δυο αγώγιµων επιφανειών που διαχωρίζονται από ένα διηλεκτρικό µονωτικό υλικό. Το φορτίο στους δύο αγωγούς δηµιουργεί ηλεκτρικό πεδίο. Οι πυκνωτές αποθηκεύουν ενέργεια µε τη µορφή ηλεκτρικού πεδίου. ιηλεκτρικό υλικό ύο αγώγιµες επιφάνειες Πυκνωτής Σύµβολο: C C Μονάδα µέτρησης: F (φάραντ, farad) Ένας πυκνωτής χαρακτηρίζεται από την χωρητικότητα του (capacitance) Το φορτίο ενός πυκνωτή δίνεται από τη σχέση: Εάν παραγωγήσουµε αυτή τη σχέση, τότε: Q = CV dq dv I = = C dt dt Οι πυκνωτές χρησιµοποιούνται ως φίλτρα συνεχούς έντασης, ως εκκινητές µοτέρ, ή ως ανυψωτές τάσεως σε γραµµές µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. 9