ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 4 18 Σεπτεμβρίου, 2012 Δρ. Στέλιος Τιμοθέου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ
Τα θέματα μας σήμερα Επανάληψη Ηλεκτρικά Κυκλώματα Ηλεκτρική πηγή Είδη ρεύματος: συνεχές και εναλλασσόμενο Είδη ηλεκτρικών φορτίων (R, L, C)
Φορτίο Σύμβολο: Q, Μονάδα μέτρησης: C (coulomb) Τα ετερώνυμα έλκονται και τα ομώνυμα απωθούνται Δύναμη Σύμβολο: F, Μονάδα μέτρησης: Ν (newton) Ο νόμος του Coulomb: Έργο 0 Σύμβολο: W, Μονάδα μέτρησης: J (joule) W = F*απόσταση Τάση Σύμβολο: V, Μονάδα μέτρησης: V (volts) V = W/Q Ένταση/Hλεκτρικό Ρεύμα Σύμβολο: Ι, Μονάδα μέτρησης: Α (ampere) I = dq/dt F q 1 q 2 4 r 2
Ανάλυση Κυκλωμάτων Τάση και Ρεύμα Ο ορισμός του ηλεκτρικού φορτίου (electric charge) είναι η βάση για την περιγραφή όλων των φυσικών φαινομένων στην ηλεκτρολογία. Κάποια χαρακτηριστικά είναι πολύ σημαντικά: Το φορτίο είναι διπολικό, υπάρχει αρνητικό και θετικό φορτίο Το φορτίο υπάρχει σε διακριτές ποσότητες πολλαπλάσιοτου ηλεκτρονικού φορτίου (1.6022x10-19 C) Τα ηλεκτρικά φαινόμενα είναι αποτέλεσμα του διαχωρισμού του φορτίου και της κίνησης Διαχωρισμός Φορτίου => Τάση => Δημιουργία ενέργειας ανά φορτίο από το διαχωρισμό. Κίνηση Φορτίου =>Ρεύμα => Ρυθμός μεταβολής της κίνησης του φορτίου
Σύμβαση Προσήμων
Διαφορά 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) + -
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
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.
Ηλεκτρική Τάση (Voltage) Σύμβολο: V Μονάδα μέτρησης: V (volts) V = W/Q V είναι η τάση σε Volts, w η ενέργεια σε Joules, q το φορτίο σε Coulombs. 1 V = 1 J/C -- Χρειάζεται 1 J ενέργειας για την μετακίνηση φορτίου 1 C μεταξύ δύο σημείων με διαφορά δυναμικού 1V. Παράδειγμα: Η μπαταρία έχει δύο άκρα: ένα θετικό (+) και ένα αρνητικό (-). Τα ηλεκτρόνια μαζεύονται στο αρνητικό άκρο της μπαταρίας και αν ενωθεί κάποιο φορτίο μεταξύ των δύο άκρων τότε υπάρχει ροή ηλεκτρικού ρεύματος λόγω της διαφοράς δυναμικού (τάσης) μεταξύ των δύο άκρων. Μέσα στην μπαταρία, μια χημική αντίδραση ελευθερώνει ηλεκτρόνια.
Ηλεκτρική ένταση- Ηλεκτρικό Ρεύμα Σύμβολο: Ι Μονάδα μέτρησης: Α (ampere) I είναι το ρεύμα σε Amperes, q το φορτίο σε Coulombs και t ο χρόνος σε seconds. i = dq/dt Είναι η ποσότητα φορτίου που περνά από ένα σημείο σε συγκεκριμένο χρόνο (ρυθμός αλλαγής του φορτίου). 1 A = 1 C/s Για να βρούμε το φορτίο αν ξέρουμε την ένταση: t q( t) i( t) dt q( t ) t 0 όπου t 0 είναι ένας αρχικός χρόνος κατά τον οποίο γνωρίζουμε το φορτίο. 0
Ηλεκτρικό κύκλωμα (Electric Circuit) Σε ένα ιδανικό κύκλωμα (μηδέν απώλειες): Vs = VAB = VA VB (VA: τάση στον κόμβο Α) (VΒ: τάση στον κόμβο Β) Προσοχή: Η σειρά γραφής των δύο άκρων/πόλων/κόμβων είναι πολύ σημαντική. Το VAB δεν είναι το ίδιο με το VBA, αλλά VAB = -VBA
Ηλεκτρική ισχύς (Power) Σύμβολο: P Μονάδα μέτρησης: W (watt) Είναι ο ρυθμός αλλαγής έργου (ενέργειας) όταν φορτίο μετακινείται συνεχώς ανάμεσα σε διαφορά δυναμικού (τάση). P dw dt d( QV dt AB ) V AB dq dt VI
Υπολογισμός τάσης σε ηλεκτρικό κύκλωμα Υποθέτουμε ότι: (α) το κύκλωμα είναι ιδανικό (β) τα δύο στοιχεία είναι πανομοιότυπα V s = 1 0 V + - I Α Β Γ V A B = 5 V V BΓ = 5 V Τότε η ίδια ηλεκτρική ένταση διαπερνά τα δύο στοιχεία (βρίσκονται συνδεδεμένα σε σειρά) και επομένως θα αναπτυχθεί το ίδιο δυναμικό (τάση) στα άκρα τους. Σημείωση: Αν τα στοιχεία ήταν διαφορετικά, τότε και η τάση στα άκρα τους θα ήταν διαφορετική (εξαρτάται από την αντίσταση κάθε στοιχείου).
Πολικότητα Αν V > 0, τότε υπάρχει πτώση τάσης από το Α στο Β Αν V < 0, τότε υπάρχει άνοδος τάσης από το Α στο Β Αν VI > 0, το στοιχείο καταναλώνει ενέργεια Αν VI < 0, το στοιχείο παράγει ενέργεια Σημείωση: Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η πολικότητα του στοιχείου για τον υπολογισμό της ισχύος. Οι πιο πάνω σχέσεις αφορούν ένταση η οποία εισέρχεται από το θετικό άκρο του στοιχείου στο αρνητικό. Α + V - Β I
Μέτρηση τάσης - Μέτρηση ρεύματος A A + V - I V + V - I A B B
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 Δεν 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)
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)
Αντίσταση Παραδείγματα αντιστάσεων: -- λάμπα πυρακτώσεως (incandescent lamp) -- ηλεκτρική θερμάστρα -- καλώδια Ο νόμος του Ohm: R Ηλεκτρική ισχύς (power) που καταναλώνεται σε μια αντίσταση: P VI ( IR) I I 2 R V I
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.
Πηνίο Σύμβολο: L L Μονάδα μέτρησης: H (χένρυ, henry) Ένα πηνίο χαρακτηρίζεται από την αυτεπαγωγή του (inductance) Η τάση στα άκρα ενός πηνίου δίνεται από τη σχέση: V L di dt Παραδείγματα όπου παρατηρείται το φαινόμενο της αυτεπαγωγής: μετασχηματιστές, πηνία, καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας
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.
Πυκνωτής Σύμβολο: C C Μονάδα μέτρησης: F (φάραντ, farad) Ένας πυκνωτής χαρακτηρίζεται από την χωρητικότητα του (capacitance) C (γεωμετρία, διηλεκτρικό υλικό) Το φορτίο ενός πυκνωτή δίνεται από τη σχέση: Q CV Εάν παραγωγήσουμε αυτή τη σχέση, τότε: I dq dt C dv dt Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ως φίλτρα συνεχούς έντασης, ως εκκινητές μοτέρ, ή ως ανυψωτές τάσεως σε γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.