ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία ιάλεξη 3 12 Σεπτεµβρίου, 2005 Ηλίας Κυριακίδης Λέκτορας ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2005Ηλίας Κυριακίδης, Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήµιο Κύπρου
ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ ιεθνές σύστηµα µονάδων Φορτίο Ενέργεια Ισχύς Τάση και ένταση
ιεθνές σύστηµα µονάδων Système International (SI) Επτά βασικές µονάδες µετρήσεως και δύο συµπληρωµατικές µονάδες µετρήσεως Ένας αριθµός µονάδων δηµιουργείται µε συνδυασµό δύο ή περισσότερων βασικών ή συµπληρωµατικών µονάδων (παράγωγες µονάδες)
Βασικές και συµπληρωµατικές µονάδες µετρήσεως SI Μέγεθος Μήκος Μάζα Χρόνος Ηλεκτρικό ρεύµα Θερµοδυναµική θερµοκρασία Φωτοβολία (φωτεινή ένταση) Ποσό ύλης Επίπεδη γωνία Στερεά γωνία Μονάδα Όνοµα µέτρο (meter) χιλιόγραµµο (kilogram) δευτερόλεπτο (second) αµπέρ (ampere) κέλβιν (kelvin) καντέλα (candela) γραµµοµόριο (mole) ακτίνιο (radian) στερακτίνιο (steradian) Σύµβολο m kg s A K cd mol rad sr
Παράγωγες µονάδες µετρήσεως SI Μονάδα Μέγεθος Όνοµα Έκφραση σε Σύµβολο άλλες µονάδες SI Συχνότητα χερτζ (hertz) Hz s -1 ύναµη νιούτον (newton) N kg m s -2 Πίεση πασκάλ (pascal) Pa N m -2 Έργο, ενέργεια, ποσότητα θερµότητας τζουλ (joule) J N m Ισχύς βαττ (watt) W J s -1 Ηλεκτρικό φορτίο κουλόµπ (coulomb) C A s Ηλεκτρικό δυναµικό. ηλεκτρονική τάση βολτ (volt) V W A -1 Ηλεκτρική αντίσταση ωµ(ohm) Ω V A -1 Ηλεκτρική αγωγιµότητα ζίµενς (siemens) S Ω -1 Ηλεκτρική χωρητικότητα φάραντ (farad) F C V -1 Συντελεστής αυτεπαγωγής χένρυ (henry) H V s A -1 Μαγνητική ροή, ροή µαγνητικής επαγωγής γουέµπερ (weber) Wb V S Μαγνητική επαγωγή, πυκνότητα µαγνητικής ροής τέσλα (tesla) T Wb m -2 Φωτεινή ροή λούµεν (lumen) lm cd sr Φωτισµός λουξ (lux) lx lm m -2 ραστικότητα ραδιενεργού πηγής µπεκερέλ (becquerel) Bq s -1
Πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια Συντελεστής Πρόθεµα Σύµβολο 10-12 πικο (pico) p 10-9 νανο (nano) n 10-6 µικρο (micro) µ 10-3 χιλιοστο (milli) m 10-2 εκατοστο (centi) c 10-1 δεκατο (deci) d 10 1 δεκα (deca) da 10 2 εκατο (hecto) h 10 3 χιλιο (kilo) k 10 6 µεγα (mega) M 10 9 γιγα (giga) τερα (tera) 10 12 G T
Στατικός ηλεκτρισµός
Στατικός ηλεκτρισµός Ο στατικός ηλεκτρισµός δηµιουργείται από την επαφή σωµάτων που δεν είναι ηλεκτρικά ουδέτερα Αυτήηεπαφήδηµιουργεί µια διαφορά δυναµικού αφού ηλεκτρόνιααπότοένασώµα µεταφέρονται στο άλλο Τα ηλεκτρόνια είναι συστατικά των ατόµων που αποτελούν την ύλη. Έχουν αρνητικό φορτίο e = -1.6 x 10-19 C Κάθε άτοµο αποτελείται επίσης από πρωτόνια (φορτίο -e) και νετρόνια (ουδέτερα) Όταν ένα άτοµο χάσει ηλεκτρόνια, τότε είναι θετικά φορτισµένο Όταν ένα άτοµο κερδίσει ηλεκτρόνια, τότε είναι αρνητικά φορτισµένο
Στατικός ηλεκτρισµός Μερικά υλικά συγκρατούν τα ηλεκτρόνια τους πολύ σφικτά. Τα ηλεκτρόνια δεν µετακινούνται µέσω τους πολύ εύκολα. Αυτά τα υλικά ονοµάζονται µονωτές (πλαστικό, γυαλί, ρούχα, ξηρός αέρας) Άλλα υλικά έχουν ηλεκτρόνια που δεν έχουν δυνατούς δεσµούς συνοχής µε τονπυρήνατους. Έτσι τα ηλεκτρόνια µπορούν να µετακινούνται πολύ εύκολα. Αυτά τα υλικά ονοµάζονται αγώγιµα (καλοί αγωγοί) (µέταλλα)
Φορτίο (charge) Σύµβολο: Q Μονάδα µέτρησης: C (coulomb) Αρνητικό ή θετικό φορτίο Η κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναµης εξαρτάται από την πολικότητα των φορτίων -- Τα ετερώνυµα έλκονται και τα οµώνυµααπωθούνται
ύναµη (Force) Σύµβολο: F Μονάδα µέτρησης: Ν (newton) 1 Ν = 1 kg.m/s 2 Ονόµος του Coulomb: q1q2 F = 2 4πε r 0 1 ( 4πε 0 = 9 10 9 Nm / C 2 )
Έργο (ενέργεια) Σύµβολο: W Μονάδα µέτρησης: J (joule) W = F*απόσταση + Q B Η ποσότητα του έργου που χρειάζεται για να µεταφερθεί το φορτίο Q από το σηµείο B στο σηµείο A εξαρτάται από το φορτίο και τη διαφορά δυναµικού (ηλεκτρική τάση) µεταξύ των δυο σηµείων. W = Q V AB A
Ροή ηλεκτρονίων-ηλεκτρικό ρεύµα Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε ένα αγωγό είναι τυχαία Μπορεί όµως να οργανωθεί ούτως ώστε να δηµιουργηθεί ροή των ηλεκτρονίων µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά Αυτή η οµοιόµορφη και συντονισµένη µορφή ονοµάζεται ηλεκτρισµός, ή ηλεκτρικό ρεύµα Ησωστήονοµασία όµως είναι δυναµικός ηλεκτρισµός για να φαίνεται καθαρά η διαφορά µε τον στατικό ηλεκτρισµό
Ηλεκτρική τάση Σύµβολο: V Μονάδα µέτρησης: V (volts) V = W/Q 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 µαζεύονταιστοαρνητικόάκροτηςµπαταρίας 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 Σύµβολο: Ι Μονάδα µέτρησης: Α (ampere) 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 βρούµετοφορτίοανξέρουµετηνένταση: t qt () = itdt () + qt ( 0) t 0 όπου t 0 είναι ένας αρχικός χρόνος κατά τον οποίο γνωρίζουµε τοφορτίο.
Ηλεκτρικό κύκλωµα Σε ένα ιδανικό κύκλωµα (µηδέν απώλειες): V s = V AB = V A V B (V A : τάση στον κόµβο Α) (V Β : τάση στον κόµβο Β) Συµβατική κίνηση ηλεκτρικού ρεύµατος Α V s + - Σ Προσοχή: Ησειράγραφήςτωνδύο άκρων/πόλων/κόµβων είναι πολύ σηµαντική. Το V AB δεν είναι το ίδιο µετοv BA, αλλά V AB = -V BA Β Κίνηση ηλεκτρονίων
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 = 10 V + - I Σ Α Β V AB = 5 V Σ 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) Γ
Ασκήσεις Υπολογίστε την τάση στα άκρα των δύο στοιχείων στα κυκλώµατα (α) και (β) 33 V 26 V 2 2 18 V 8 V 1 1 13 V (α) (β)
Β 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 Α 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. + V - I Σ
Μέτρηση τάσης Το βολτόµετρο είναι το όργανο µέτρησης της τάσης. Το βολτόµετρο συνδέεται πάντοτε παράλληλα µε τοστοιχείο του οποίου θα µετρήσουµε τηντάση. Το ιδανικό βολτόµετρο έχει άπειρη αντίσταση (δεν περνά ρεύµαδιαµέσου του). Στην πραγµατικότητα έχει πολύ µεγάλη αντίσταση, αλλά όχι άπειρη. Α + V - I Σ V Β
Μέτρηση έντασης Το αµπερόµετρο είναι το όργανο µέτρησης της έντασης. Το αµπερόµετρο συνδέεται πάντοτε σε σειρά µε το στοιχείο του οποίου θα µετρήσουµε τηνένταση. Το ιδανικό αµπερόµετρο έχει µηδέν αντίσταση (δεν υπάρχει πτώση τάσης σταάκρατου). Γι αυτό και αν το ενώσουµε παράλληλα αντί σε σειρά, θα το καταστρέψουµε. Στην πραγµατικότητα έχει πολύ µικρή αντίσταση και υπάρχει µια πολύ µικρή πτώση τάσης στα άκρα του. Α + V - I A Σ Β