Stany pracy, pomiary, skutki działania prądu

1. Stany pracy, pomiary, skutki działania prądu Wykłady z podstaw elektrotechniki i elektroniki Paweł Jabłoński

2. Co było do tej pory? • Pojęcia podstawowe: prąd, napięcie, rezystancja. • Elementy obwodu (rezystory, źródła napięcia, źródła prądu), struktura obwodu (gałęzie, węzły, oczka). • Prawa Kirchhoffa, prawo Ohma. • Redukcja układu połączeń rezystorów. • Metody ogólne analizy obwodów (równań Kirchhoffa, oczkowa, potencjałów węzłowych). • Twierdzenia pomocnicze (zasada superpozycji, twierdzenie Thevenina, inne twierdzenia).

3. Na tym wykładzie Cel: Zapoznanie się ze stanami pracy obwodu, z zasadami pomiaru wybranych wielkości elektrycznych, z niektórymi działaniami przepływu prądu. Zakres: • Moc i sprawność, • Stany pracy obwodu, • Mierniki do pomiaru prądu, napięcia, mocy, • Skutki działania prądu elektrycznego.

4. Sprawność 1 Pdost ΔP U Puż Sprawność • Sprawnością nazywamy iloraz mocy użytecznej Puż do mocy całkowitej Pdost. • Sprawność jest liczbą niemianowaną z zakresu od 0 do 1.

5. Sprawność R Rw E0 η 1 0,5 Rw R Sprawność układu źródło-odbiornik • W układzie źródło-odbiornik sprawność równa się ilorazowi mocy wydzielanej na odbiorniku P do mocy dostarczonej przez źródło Pźr. • Sprawność rośnie wraz ze wzrostem rezystancji odbiornika.

6. Sprawność Sprawność urządzeń elektrycznych • Sprawnością urządzenia elektrycznego nazywamy iloraz mocy użytecznej uzyskanej z urządzenia do mocy dostarczonej do urządzenia. • Sprawność niektórych urządzeń: • Grzejniki, grzałki, piece: 0,6 do 0,99, • Żarówki (z włóknem wolframowym): około 0,04, • Świetlówki: około 0,16, • Diody LED: około 0,2, • Silniki i prądnice: od 0,3 (małe) do 0,99 (b. duże), • Transformatory: od 0,95 do 0,99.

7. Sprawność Pdost1 ΔP1 U1 Puż1 ΔP12 Pdost2 ΔP2 U2 Puż2 ΔP23 Pdost3 Puż,n–1 ΔPn–1,n Pdostn ΔPn Un Pużn Sprawność kaskady urządzeń • Sprawność kaskady urządzeń jest nie większa niż iloczyn sprawności poszczególnych urządzeń. • Dowód:

8. Stany pracy 2 Odbiornik A Zasilanie U R I B Rw E0 A U R I B Stany pracy • W pracy układu elektrycznego rozumianego jako zasilanie-odbiornik można wyróżnić cztery charakterystyczne stany: • nominalny, • jałowy, • zwarcia, • dopasowania energetycznego. • Występowanie tych stanów uzależnione jest od wartości rezystancji odbiornika oraz od napięcia na jego zaciskach.

9. Stany pracy In Un R Stan nominalny • Stanem nominalnym nazywamy stan, w którym odbiornik pracuje przy napięciu i prądzie, dla którego został zaprojektowany: • W stanie nominalnym moc odbiornika równa się mocy nominalnej Pn. • Należy starać się, aby odbiornik zawsze pracował w stanie nominalnym, w przeciwnym razie może on nie pracować poprawnie lub ulec zniszczeniu. • Np., jeżeli żarówkę 12 V załączymy na napięcie 24 V, to prawdopodobnie „spali się”, jeżeli zaś załączymy ją na napięcie 2 V, to nie będzie w ogóle świecić.

10. Stany pracy Praca w stanie nienominalnym • Jeżeli odbiornik o napięciu nominalnym Un podłączymy do napięcia o wartości U, to przy założeniu, że jego rezystancja R = const, otrzymamy • Wnioski: • niewielki spadek napięcia powoduje znaczny spadek mocy odbiornika, • niewielki wzrost napięcia powoduje znaczny wzrost mocy odbiornika, • w typowych przypadkach niedopuszczalne jest załączanie odbiornika na napięcie wyższe od nominalnego.

11. Stany pracy I = 0 Rw U = U0 E0 Stan jałowy • Stanem jałowym nazywamy stan, w którym przez odbiornik nie płynie prąd mimo obecności napięcia na jego zaciskach. • Zachodzi to wtedy, gdy R = ∞. • Napięcie na zaciskach źródła lub odbiornika w stanie jałowym U0 nazywamy napięciem stanu jałowego. • W stanie jałowym odbiornik nie pobiera mocy (gdyż I = 0).

12. Stany pracy I = Iz Rw U = 0 E0 Stan zwarcia • Stanem zwarcia nazywamy stan, w którym na zaciskach odbiornika nie występuje napięcie mimo że przez niego płynie prąd. • Zachodzi to wtedy, gdy R = 0. • Prąd płynący w stanie zwarcia nazywamy prądem zwarciowym. • Prąd zwarciowy ograniczony jest jedynie rezystancją wewnętrzną, rezystancją przewodów i styków i może osiągać znaczne wartości prowadzące do zniszczenia układu. • W stanie zwarcia odbiornik nie pobiera mocy (gdyż R = 0).

13. Stany pracy I Rw U R=Rw E0 Stan dopasowania energetycznego • Stanem dopasowania energetycznego nazywamy stan, w którym na odbiorniku wydziela się maksymalna moc przy stałych parametrach źródła zasilania. • Zachodzi to wtedy, gdy • Moc wydzielana na odbiorniku wynosi wtedy • Taka sama moc wydziela się na rezystancji wewnętrznej.

14. Stany pracy I Rw P R E0 Pmax Rw R Stan dopasowania – wyprowadzenie

15. Stany pracy Stan dopasowania – uwagi • Zaleta: do odbiornika trafia maksymalna moc, jaką można uzyskać z danego źródła. • Wada: Jest to jedynie połowa mocy źródła – druga połowa jest bezpowrotnie tracona na rezystancji wewnętrznej. • Z tego powodu stan ten nie jest zwykle korzystny (sprawność wynosi 0,5, co przy przesyle mocy np. liniami energetycznymi jest niedopuszczalnie mało). • Stan ten jest pożądany, jeżeli zależy nam na dostarczeniu do odbiornika maksymalnie dużej mocy (np. w układach telekomunikacji).

16. Stany pracy 1 Ω 2 Ω 18 V 2 A R0 Przykład • Dobrać rezystancję R0 tak, aby wydzieliła się na niej maksymalna moc. Jaka to będzie moc?

17. Stany pracy 1 Ω 2 Ω R0 Rw 18 V 2 A E0 R0 A B Przykład – c.d. Korzystamy z tw. Thevenina i oddziaływanie reszty obwodu na R0 przedstawiamy w postaci rzeczywistego źródła (E0, Rw). Wcześniej wyznaczyliśmy: E0 = 20 V, Rw = 1 Ω. Zatem

18. Mierniki i pomiary 3 Mierniki i wielkości mierzone • Do pomiaru różnych wielkości używa się szeregu mierników. • Do najważniejszych należą: • Amperomierz – pomiar natężenia prądu, • Woltomierz – pomiar napięcia, • Omomierz – pomiar rezystancji, • Watomierz – pomiar mocy, • Licznik energii – pomiar energii elektrycznej, • Tester – wykrywanie napięcia, pola elektrycznego.

19. Mierniki i pomiary Rodzaje mierników • Mierniki dzieli się na: • Analogowe – pomiar polega na odczycie wychylenia wskazówki na skali, • Cyfrowe – pomiar polega na odczycie wartości na wyświetlaczu elektronicznym. • Mierniki analogowe mają zwykle ustrój mechaniczny i są obecnie coraz rzadziej stosowane ze względu na podatność na uszkodzenia i zachowanie odpowiednich warunków pomiaru (np. pomiar w pozycji poziomej). • Mierniki cyfrowe oparte są na elektronice, są łatwiejsze w użyciu, bardziej odporne na uszkodzenie, zwykle dokładniejsze, mają możliwość współpracy z komputerem.

20. Mierniki i pomiary μA A Amperomierz • Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. • Amperomierz ma dwa zaciski oraz zwykle przełącznik wyboru zakresu pomiarowego. • Do pomiaru małych prądów służy miliamperomierz oraz mikroamperomierz. Amperomierz laboratoryjny stołowy Mikroamperomierz Amperomierz przemysłowy tablicowy

21. Mierniki i pomiary I I Reszta obwodu Reszta obwodu A Amperomierz – pomiar prądu • Amperomierz włącza się w gałąź, w której chcemy zmierzyć prąd (tzn. szeregowo z elementem, którego prąd mierzymy). • Amperomierz prądu stałego ma zaciski oznaczone „+” i „−” i należy pamiętać, aby podłączyć go tak, aby prąd wpływał do zacisku „+”. • Wniosek: pomiar prądu za pomocą amperomierza wymaga przerwania gałęzi i włączenia w przerwę amperomierza.

22. Mierniki i pomiary I I Reszta obwodu Reszta obwodu A Amperomierz – rezystancja wewnętrzna • Idealny amperomierz ma rezystancję równą zeru – jego włączenie nie zakłóca przepływu prądu. • Rzeczywisty amperomierz charakteryzuje się pewną rezystancją wewnętrzną, która powinna być jak najmniejsza.

23. Mierniki i pomiary 6 12 3 3 4 2 5 1 A 6 0 Pomiar amperomierzem wskazówkowym Obowiązuje wzór: gdzie: • W – wychylenie • Wmax – maksymalne wychylenie na skali, • Zakres – zakres pomiarowy.

24. Mierniki i pomiary V Woltomierz • Do pomiaru napięcia służy woltomierz. • Woltomierz ma dwa zaciski oraz zwykle przełącznik wyboru zakresu pomiarowego. • Do pomiaru małych prądów służy miliawoltomierz oraz mikrowoltomierz. • Do bardzo dokładnych pomiarów napięcia służy galwanometr. Woltomierz laboratoryjny stołowy Woltomierz przemysłowy tablicowy

25. Mierniki i pomiary Reszta obwodu U V Reszta obwodu U Woltomierz – pomiar napięcia • Woltomierz włącza się równolegle do elementu, na zaciskach którego chcemy zmierzyć napięcie. • Woltomierz napięcia stałego ma zaciski oznaczone „+” i „−” i należy pamiętać, aby podłączyć go tak, aby potencjał zacisku „+” był wyższy od potencjału zacisku „−”. • Wniosek: pomiar napięcia nie wymaga przerywania obwodu.

26. Mierniki i pomiary Reszta obwodu U V Reszta obwodu U Woltomierz – rezystancja wewnętrzna • Idealny woltomierz ma rezystancję równą nieskończoności – jego włączenie nie zakłóca przepływu prądu. • Rzeczywisty woltomierz charakteryzuje się pewną rezystancją wewnętrzną, która powinna być jak największa. • Odczyt wskazań woltomierza dokonuje się wg takiej samej zasady, jak w przypadku amperomierza.

27. Mierniki i pomiary Woltomierz cyfrowy • Wadą zwykłych woltomierzy analogowych jest ich niezbyt duża rezystancja (rzędu kilku do kilkunastu kΩ), co sprawia, że w dokładniejszych pomiarach nie można ich traktować jak idealnych. • Woltomierze elektroniczne (zwane cyfrowymi) mają bardzo dużą rezystancję wewnętrzną (rzędu MΩ) i w większości przypadków mogą być traktowane jak woltomierze idealne.

28. Mierniki i pomiary Ω Omomierz – pomiar rezystancji • Do pomiaru rezystancji służy omomierz. • Omomierz ma dwa zaciski oraz zwykle przełącznik wyboru zakresu pomiarowego. • Omomierz wymaga zasilania (zwykle bateryjne). • Dokładniejsze pomiary rezystancji wykonuje się m.in. mostkiem Wheatstone’a lub Kelvina.

29. R1 R2 A UAB R3 R4 B G U Zasada działania mostka Wheatstone’a • Jeżeli spełniony jest warunek to napięcie UAB równa się zero. • Wykorzystuje to mostek Wheatstone’a, w którym w miejsce rezystora R1 włącza się rezystor o nieznanej rezystancji Rx. • Regulując wartość rezystancji R2 dąży się do wyzerowania wskazań galwanometru. Wtedy • Rezystory R2, R3 i R4 wykonane są w sposób bardzo dokładny (minimalizują np. wpływ temperatury na zmiany ich rezystancji). Rx R2 A R3 R4 B U

30. Mierniki i pomiary Multimetr • Przedstawione wyżej mierniki analogowe należą już do rzadkości. • Wszystkie ich funkcje łączą w sobie mierniki zwane multimetrami. • Starsze multimetry są analogowe, nowsze – cyfrowe. • Cyfrowe multimetry oferują dodatkowe funkcje, np. sprawdzanie diody, tranzystora, kolejności faz w układach trójfazowych itp. Multimetr analogowy Multimetr cyfrowy

31. Mierniki i pomiary Multimetry cyfrowe

32. Mierniki i pomiary * * W Watomierz • Do pomiaru mocy służy watomierz. • Watomierz ma cztery zaciski (dwa prądowe, dwa napięciowe) oraz zwykle dwa przełączniki wyboru zakresu pomiarowego (dla prądu i napięcia). • Początek uzwojeń cewki prądowej i napięciowej zaznaczone są symbolem  Watomierz laboratoryjny stołowy

33. Mierniki i pomiary Reszta obwodu * * W Reszta obwodu Watomierz – pomiar mocy • Cewkę prądową watomierza włącza się tak jak amperomierz (w szereg). • Cewkę napięciową watomierza włącza się tak jak woltomierz (równolegle). • Początki uzwojeń obydwu cewek należy zewrzeć (w typowych przypadkach). • Zakres watomierza ustala się jako iloczyn zakresu prądu i napięcia.

34. Mierniki i pomiary Licznik energii • Do pomiaru zużycia energii służy licznik energii. • Dawniejsze konstrukcje są mechaniczne i wykorzystują zjawisko indukowania się pola elektrycznego wskutek czasowych zmian pola magnetycznego (w przypadku prądu zmiennego). • Nowsze konstrukcje są cyfrowe i działają dzięki programowi mnożącemu prąd przez napięcie. Licznik energii (prąd zmienny)

35. Mierniki i pomiary Elektroniczny watomierz i licznik energii

36. Mierniki i pomiary Tester • Tester to urządzenie wskazujące obecność lub brak danej cechy. • Tester napięcia fazowego 220 V (zwany próbnikiem) składa się z lampki neonowej i działa na zasadzie przewodzenia minimalnego prądu, który powoduje świecenie lampki. • Obecnie dostępne są także testery cyfrowe i oferują dodatkowo wykrywanie napięcia stałego, sprawdzanie ciągłości przewodów, wykrywanie przewodów pod tynkiem itp. Tester analogowy (próbnik) Tester cyfrowy

37. Skutki działania prądu 4 Skutki działania prądu Skutki działania prądu można podzielić na: • Termiczne (cieplne), • Chemiczne, • Magnetyczne, • Dynamiczne, • Indukcyjne, • Fizjologiczne.

38. Skutki działania prądu Termiczne działania prądu • Ilość ciepła wydzielonego w przewodniku podczas przepływu prądu elektrycznego wynosi (prawo Joule’a-Lenza) • Przykłady zastosowania: • Elektryczne urządzenia grzejne (piecyki, grzałki, żelazka, suszarki), • Bezpieczniki topikowe, • Lutowanie i spawanie. • Zjawiska niepożądane: • nagrzewanie: przewodów zasilających, urządzeń elektrycznych, układów elektronicznych, żarówek, styków.

39. Skutki działania prądu Chemiczne działania prądu • Przepływ prądu przez roztwory wodne kwasów, zasad i soli (elektrolity) wywołuje w nich zmiany chemiczne. • Przykłady zastosowania to głównie elektroliza, którą wykorzystuje się do: • uzyskiwania niektórych pierwiastków (prawo Faradaya), • galwanizacji. • Działania niepożądane: • korodowanie metali.

40. Skutki działania prądu r I H Magnetyczne działania prądu • Prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne. • Natężenie pola magnetycznego wokół długiego prostoliniowego przewodu z prądem I w odległości r od niego wynosi • Przykłady zastosowania: • Cewki (magazynowanie energii w polu magnetycznym), • Elektromagnesy, • Akceleratory cząstek naładowanych (np. LHC), • Zapis informacji na nośnikach magnetycznych. • Przykłady działań niepożądanych: • Zakłócenia w pracy niektórych urządzeń, • Przypadkowe kasowanie zawartości magnetycznych nośników informacji.

41. Skutki działania prądu B I F α l Dynamiczne działania prądu • Na przewód z prądem elektrycznym działa siła magnetyczna. • Na odcinek przewodu o długości l z prądem I znajdujący się z polu magnetycznym o indukcji B działa siła • Zastosowania: • Definicja ampera (jednostki natężenia prądu), • Silniki elektryczne. • Działania niepożądane: • Siły rozrywające uzwojenia urządzeń (transformatorów, silników), • Siły rozrywające szyny w rozdzielniach podczas zwarcia, • Brzęczenie luźno spakietowanych rdzeni transformatorów.

42. Skutki działania prądu Indukcyjne działania prądu • Zmienny w czasie prąd wytwarza zmienne w czasie pole magnetyczne, które zgodnie z prawem Faradaya (magnetycznym) wytwarza (indukuje) wirowe pole elektryczne. • To zaindukowane pole elektryczne powoduje przypływ tzw. prądów wirowych w przewodnikach. • Przykłady zastosowania: • Transformatory, • Piece indukcyjne (topienie metali), • Zaciskanie metalowych tulei na kablach, linach, • Liczniki energii elektrycznej (dawne). • Przykłady działań niepożądanych: • Nagrzewanie rdzeni transformatorów, obudów metalowych, • Przepływ niechcianych prądów.

43. Skutki działania prądu Fizjologiczne działania prądu • Działania fizjologiczne prądu polegają na oddziaływaniu energii elektrycznej na organizmy żywe, w tym człowieka. • Przykłady zastosowania: • Fizjoterapia, • Stymulowanie wzrostu roślin, • Działania niepożądane: • Wszelkie szkodliwe oddziaływania, łącznie porażeniem elektrycznym, utratą zdrowia lub życia.

44. Skutki działania prądu Porażenie elektryczne • Porażeniem elektrycznym nazywamy szkodliwe działania prądu elektrycznego występujące wskutek jego przepływu przez organizm. • Porażenie może nastąpić wskutek: • dotknięcia urządzenia znajdującego się pod napięciem, • uderzenia pioruna. • Efekty porażenia mogą być: • cieplne (poparzenia skóry, uszkodzenie mięśni, kości, wrzenie płynów ustrojowych), • chemiczne (zmiany płynów elektrolitycznych), • biologiczne (zaburzenia czynności serca, mięśni).

45. Skutki działania prądu Natężenie prądu a stopień rażenia • Najbardziej niebezpieczny jest prąd zmienny o częstotliwości od 20 do 100 Hz: • częstotliwość ta wywołuje skurcze mięśni, może zaburzyć czynność serca, • bezpieczna granica prądu wynosi około 10 mA – powyżej tej granicy człowiek nie jest w stanie uwolnić się spod napięcia wskutek skurczu mięśni. • Prądy przemienne o innych częstotliwościach oraz prądy stałe są mniej szkodliwe – granica wynosi około 25 mA.

46. Skutki działania prądu Napięcie a stopień rażenia • Za napięcie bezpieczne uznaje się do 30 V dla napięcia przemiennego oraz do 60 V dla napięcia stałego. • Napięcie jest niebezpieczne, jeżeli wynosi ponad 50 V dla napięcia stałego i ponad 100 V dla napięcia przemiennego.

47. Skutki działania prądu Oporność a stopień rażenia • Im większy opór, tym mniejszy prąd i mniejszy stopień rażenia. • Opór ciała człowieka jest zmienny, zależny od wielu czynników. • Jeżeli skóra jest sucha i nieuszkodzona, to opór wynosi od 10 do 100 kΩ a nawet 1 MΩ. • Jeżeli skóra jest wilgotna lub uszkodzona, to opór może spaść do 1,5 kΩ. • Kobiety i dzieci mają cieńszą skórę i są bardziej wrażliwe na rażenia niż mężczyźni. • Zwierzęta są bardziej wrażliwe na rażenia niż ludzie.

48. Skutki działania prądu Inne czynniki • Czas rażenia: im dłuższy, tym gorzej. • Stan fizyczny człowieka: pocenie się, choroby serca, obecność alkoholu we krwi, osłabienie stanowią czynnik pogarszający stopień rażenia. • Warunki zewnętrzne: wilgotność, temperatura, rodzaj odzieży, podłoża mają istotny wpływ na stopień rażenia. • Szybka pomoc: im szybciej tym lepiej.

49. Skutki działania prądu Wskazówki ratowania porażonego • Jak najszybciej przystąpić do ratowania. • Jak najszybciej odłączyć porażonego spod działania prądu, np. wyłącznikiem, bezpiecznikiem (NIE WOLNO dotykać rażonego gołymi rękami!), • Trzeba się odizolować od podłoża (np. stanąć na suchej desce, gumie, oponie). • Używać rękawic gumowych lub grubych suchych ręczników, odzieży itp.

50. Skutki działania prądu Wskazówki niesienia pierwszej pomocy • W razie utraty przytomności przez rażonego przystąpić do sztucznego oddychania. • W razie zatrzymania czynności serca zastosować dodatkowo masaż serca. • Czynności te należy utrzymać aż do przybycia pogotowia lub odzyskania przytomności przez rażonego. • Po odzyskaniu przytomności przez rażonego należy go okryć, podać coś ciepłego do picia, ewentualnie środki przeciwbólowe, ułożyć go wygodnie na boku. • W razie oparzenia opatrzyć rany. • Porażony musi być poddany badaniu lekarskiemu BEZWZGLĘDNIE na stopień rażenia.