ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 3 14 Σεπτεμβρίου, 2012 Στέλιος Τιμοθέου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ
Ηλεκτρισμός Ηλεκτρισμός είναι η ροή ηλεκτρονίων ( e-) μέσα σε μία ύλη. 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).
Θεμελιώδεις Ποσότητες Οι θεμελιώδεις ποσότητες στον ορισμό εννοιών και δομικών στοιχείων στη μηχανολογία είναι: 1. μάζα 2. μήκος 3. χρόνος 4. φορτίο
Διεθνές 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 μονάδες μετρήσεων Μονάδα Μέγεθος Όνομα Σύμβολο Μήκος μέτρο (meter) m Μάζα χιλιόγραμμο (kilogram) kg Χρόνος δευτερόλεπτο (second) s Ηλεκτρικό ρεύμα αμπέρ (ampere) A Θερμοδυναμική θερμοκρασία κέλβιν (kelvin) K Φωτοβολία (φωτεινή ένταση) καντέλα (candela) cd Ποσό ύλης γραμμομόριο (mole) mol Επίπεδη γωνία ακτίνιο (radian) rad Στερεά γωνία στερακτίνιο (steradian) sr
Παράγωγες Μονάδες Μετρήσεως SI Μέγεθος Όνομα Μονάδα Σύμβολο Έκφραση σε άλλες μονάδες SI Συχνότητα (Frequency) χερτζ (hertz) Hz s -1 Δύναμη (Force) νιούτον (newton) N kg m s -2 Πίεση (Pressure) πασκάλ (pascal) Pa N m -2 Έργο, ενέργεια, ποσότητα θερμότητας (Energy) τζουλ (joule) J N m Ισχύς (Power) βαττ (watt) W J s -1 Ηλεκτρικό φορτίο (Electric Charge) κουλόμπ (coulomb) C A s Ηλεκτρικό δυναμικό ηλεκτρονική τάση (Voltage) βολτ (volt) V W A -1 Ηλεκτρική αντίσταση (Resistance) ωμ (ohm) Ω V A -1 Ηλεκτρική αγωγιμότητα (Conductance) ζίμενς (siemens) S Ω -1 Ηλεκτρική χωρητικότητα (Capacitance) φάραντ (farad) F C V -1 Συντελεστής αυτεπαγωγής (Inductance) χένρυ (henry) H V s A -1 Μαγνητική ροή, ροή μαγνητικής επαγωγής (Magnetic Flux) Μαγνητική επαγωγή, πυκνότητα μαγνητικής ροής (Magnetic Flux Density) γουέμπερ (weber) Wb V S τέσλα (tesla) T Wb m -2 Φωτεινή ροή (Luminous Flux) λούμεν (lumen) lm cd sr Φωτισμός (Illumination) λουξ (lux) lx lm m -2 Δραστικότητα 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. χιλιοστο (milli) m 10-2 εκατοστο (centi) c. δεκατο (deci) d 10 1 δεκα (deca) da 10 2 εκατο (hecto) h. χιλιο (kilo) k 10 6 μεγα (mega) M 10 9 γιγα (giga) G 10 12 τερα (tera) T
Στατικός Ηλεκτρισμός Ο στατικός ηλεκτρισμός δημιουργείται από την επαφή σωμάτων που δεν είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Αυτή η επαφή δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού αφού ηλεκτρόνια από το ένα σώμα 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 τον πυρήνα τους. 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 ομώνυμα απωθούνται
Δύναμη (Force) F 1 ( 4 0 Σύμβολο: F Μονάδα μέτρησης: Ν (newton) 1 Ν = 1 kg.m/s 2 Ο νόμος του Coulomb: q q 1 2 2 0 4 r 910 9 Nm 2 / C 2 )
B Έργο (ενέργεια, energy) Σύμβολο: W Μονάδα μέτρησης: J (joule) W = F*απόσταση A + Q 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
Ροή ηλεκτρονίων - Ηλεκτρισμός 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. Η σωστή ονομασία όμως είναι δυναμικός ηλεκτρισμός για να φαίνεται καθαρά η διαφορά με τον στατικό ηλεκτρισμό.
Ηλεκτρική Τάση (Voltage) 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 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 (Current) 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 βρούμε το t φορτίο αν ξέρουμε την ένταση: q( t) i( t) dt q( t ) 0 t0 όπου t 0 είναι ένας αρχικός χρόνος κατά τον οποίο γνωρίζουμε το φορτίο.
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. QuickTime and a decompressor are needed to see this picture. 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).
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)
Ασκήσεις Υπολογίστε την τάση στα άκρα των δύο στοιχείων στα κυκλώματα (α) και (β) 33 V 18 V + 15 V - 13 V + 5 V - (α) 2 1 26 V 8 V + 18 V - 0 V Γείωση 2 + 8 V - (β) 1
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 Το βολτόμετρο είναι το όργανο μέτρησης της τάσης. Το βολτόμετρο συνδέεται πάντοτε παράλληλα με το στοιχείο του οποίου θα μετρήσουμε την τάση. Το ιδανικό βολτόμετρο έχει άπειρη αντίσταση (δεν περνά ρεύμα διαμέσου του). Στην πραγματικότητα έχει πολύ μεγάλη αντίσταση, αλλά όχι άπειρη. Α + V - Β I V
Μέτρηση Έντασης Το αμπερόμετρο είναι το όργανο μέτρησης της έντασης. Α Το αμπερόμετρο συνδέεται πάντοτε σε σειρά με το στοιχείο του οποίου θα μετρήσουμε την ένταση. Το ιδανικό αμπερόμετρο έχει μηδέν αντίσταση (δεν υπάρχει πτώση τάσης στα άκρα του). 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. + V - Β I A
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, L, C) -- 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: Μονάδα μέτρησης: (ωμ, ohm)
Αντίσταση
Αντίσταση Παραδείγματα αντιστάσεων: -- λάμπα πυρακτώσεως (incandescent lamp) -- ηλεκτρική θερμάστρα -- καλώδια Ο νόμος του Ohm: R V I Ηλεκτρική ισχύς (power) που καταναλώνεται σε μια αντίσταση: P VI (IR)I I 2 R
Πλακέτα πειραματικής συναρμολόγησης κυκλώματος εργαστηριακή πειραματική πινακίδα Bread board (μπρετ - μπορτ)
Breadboard
Breadboard ground source Resistance
Πολύμετρο (Multimeter) Μέτρηση V, Ω DC AC Ω Μέτρηση Α Ground γείωση