Wst ęp do wsp ółczesnej inżynierii Elektrotechnika

1. Wstęp do współczesnej inżynierii Elektrotechnika 2013 WdWI 2013 PŁ

2. Kontakt: • Dr inż. Marek Ossowski • marek.ossowski@p.lodz.pl • Zakład Układów i Systemów Nieliniowych • Al.Politechniki 11 pok.14 Ip • Tel.(42) 6312515 • Tel 501673231  tylko w sprawach niezwykle ważnych!!!! WdWI 2013 PŁ

3. Program wykładów • Wprowadzenie • Inżynieria? • Próba definicji „elektrotechniki” • Przegląd historyczny • Elektrotechnika i społeczeństwo • Podstawowe prawa elektrotechniki • co należy wiedzieć aby próbować zrozumieć współczesną technikę (Ładunek i pole elektryczne, prąd elektryczny, pole magnetyczne i indukcja.....) WdWI 2013 PŁ

4. Program wykładów (cd) • Energetyka • Sposoby wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej • Niekonwencjonalne rozwiązania • Problemy z magazynowaniem energii • Transport – współczesność i perspektywy • Projekt KDP • Przegląd wybranych dokonań współczesnej inżynierii ze szczególnym uwzględnieniem „wynalazków elektrotechnicznych” WdWI 2013 PŁ

5. Warunki zaliczenia przedmiotu: a) pozytywnywyniktestuzaliczeniowego (10pkt.) sumarycznie >24pkt b) obecność na wykładach (nieobecność = -1pkt) *nieobowiązkowa prezentacja „Wybrany problem wpółczesnej elektrotechniki” – możliwość zaliczenia nieobecności nieusprawiedliwionych WdWI 2013 PŁ

6. Literatura • Teoria Pola cz.I – A.Kuczyński • Wykłady z Fizyki, t.2 cz.1 – Feyman • Encyklopedia TECHNIKI, Świat Książki • Internet • Studium projektowe CTS CETRANS WdWI 2013 PŁ

7. Wykład 1i2 • Inżynieria i elektrotechnika – podstawowe pojęcia • Rys historyczny • Naukowcy i wynalazcy • Zastosowania wiedzy elektrotechnicznej • Polacy w elektrotechnice • Wielkości fizyczne i jednostki stosowane w elektrotechnice WdWI 2013 PŁ

8. Rodzaje sił w przyrodzie • Co to jest pole elektromagnetyczne • Podstawy pola elektrostatycznego • Ładunek elektryczny • Prawo Coulomba • Wzór Lorentza • Natężenie pola elektrycznego • Linie sił pola WdWI 2013 PŁ

9. Zjawisko polaryzacji. Indukcja • Strumień indukcji • Prawo Gaussa • Pole magnetostatyczne • Natężenie i indukcja • Siła Lorentza • Prawo Biota-Savarta • Strumień magnetyczny • Napięcie magnetyczne. Prawo przepływu • Zjawisko indukcji elektromagnetycznej • Indukcja własna i wzajemna WdWI 2013 PŁ

10. Inżynieria ??? • działalność polegająca na • projektowaniu, • konstrukcji, • modyfikacji • i utrzymaniu efektywnych kosztowo rozwiązań dla praktycznych problemów, z wykorzystaniem wiedzy naukowej oraz technicznej. Wymaga ona rozwiązywania problemów różnej natury oraz skali, zajmuje się też rozwojem technologii. • INACZEJ: inżynieria to używanie właściwości materii, energii oraz obiektów abstrakcyjnych dla tworzenia konstrukcji, maszyn i produktów, przeznaczonych do wykonywania określonych funkcji lub rozwiązania określonego problemu. WdWI 2013 PŁ

11. Inżynier ??? • osoba wykorzystująca • wyobraźnię • doświadczenie, • umiejętność oceny • rozumowanie, • własną wiedzę do projektowania, tworzenia, eksploatacji i usprawnienia użytecznych maszyn oraz procesów. WdWI 2013 PŁ INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE

12. Skąd te słowa? ETYMOLOGIA • "inżynieria" i "inżynier" pochodzą od francuskich słów ingénieur oraz ingénierie • od starofrancuskiego terminu engigneor oznaczającego konstruktora machin wojennych. • angielskie słowa engineering oraz engineer wywodzą się od łacińskiego terminu ingeniosus oznaczającego osobę wyszkoloną • engine (maszyna) nie jest tu wzorcem!!!!! WdWI 2013 PŁ

13. Rozwój inżynierii • Historia pojęcia "inżynieria" sięga starożytności, kiedy ludzkość dokonała takich wynalazków jak koło, dźwignia czy bloczek. • "inżynier" oznaczał tu osobę dokonującą praktycznych i użytecznych odkryć. • Przykłady dokonań starożytnej inżynierii • Akropol i Partenon w Grecji, • Via Appia i Koloseum w Rzymie, • Wiszące Ogrody • piramidy w Gizie. WdWI 2013 PŁ

14. Cd historii inżynierii • Najstarszy znany z imienia inżynier • Imhotep, jeden z urzędników faraona Dżesera, projektant i budowniczym Piramidy schodkowej w latach ok. 2630 – 2611 p.n.e. Prawdopodobnie był on pierwszym, który użył kolumn w architekturze. • Za pierwszego inżyniera elektryka uważa się • Williama Gilberta, który w roku 1600 w publikacji De Magnete użył jako pierwszy terminu elektryczność. WdWI 2013 PŁ

15. Cd historii inżynierii • W XIX termin ten zaczął być stosowany w sposób bardziej wąski, do dziedzin, w których używano nauk przyrodniczych i matematyki  zawód inżynier • Inżynieria elektryczna ma swoje źródło w eksperymentach z początków XIX w. dokonywanych przez Alessandro Volty. • Wynalazki Thomasa Savery'ego i Jamesa Watta doprowadziły do powstania w Wielkiej Brytanii współczesnej inżynierii mechanicznej. WdWI 2013 PŁ

16. Początki inżynierii mechanicznej • sięgają starożytności, kiedy to konstruowano wiele maszyn do użytku cywilnego i wojskowego. • Spektakularne przykłady: • Mechanizm z Antykithiry, maszyna o stopniu złożoności niespotykanym aż do XIV w. • śruba Archimedesa, przenośnik śrubowy WdWI 2013 PŁ

17. cd historii inżynierii • Inżynieria procesowa źródło w czasach rewolucji przemysłowej, wymuszona przez zapotrzebowanie na nowe materiały i nowe procesy wytwarzania konieczne do produkcji na skalę przemysłową. • inżynieria chemiczna zaprojektowanie i eksploatacja fabryk zajmujących się tą produkcją. WdWI 2013 PŁ

18. Metodologia • Istnieją rozwiązania dla konkretnych dziedzin techniki, opracowania tworzone przez poszczególne firmy • Brak uniwersalnej metodologii inżynieryjnej, niezależnej od specyfiki dziedzin inżynierii i używanych instrumentów! • inżynieria systemów, • inżynieria wiedzy (i meta-wiedzy) WdWI 2013 PŁ

19. TEORIA SYSTEMÓW (ogólna teoria systemów) • Głównym paradygmatem teorii systemów jest holistyczne (całościowe) traktowanie rzeczywistości. • Teoria systemów od samego początki istnienia wykorzystywała i włączała w swoje ramy koncepcje istniejące w innych naukach, w tym również humanistycznych. • Teoria systemów jest zasobem wiedzy uzyskanej w wyniku badań systemowych w dającym się zaobserwować świecie. • INŻYNIERIA SYSTEMÓW– • INTERDYSCYPLINARNA INŻYNIERIA UKIERUNKOWANA NA ROZWIĄZYWANIU ZŁOŻO-NYCH PROBLEMÓW PROJEKTOWANIA I ZARZĄDZANIA. WdWI 2013 PŁ

20. AKSJOMATY SYSTEMOWE 1. Aksjomat synergii: system przejawia cechę synergii 2. Aksjomat kontekstu: na każdy system oddziałuje jego otoczenie. 3. Aksjomat równoważności systemów: różne systemy mogą pro-wadzić do tego samego celu. 4. Aksjomat różnorodności Ashby’ego – każda różnorodność może być zrównoważona tylko przez inną różnorodność. 5. Aksjomat sprawności systemu: sprawność systemu pod wzglę-dem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elemen-tu pod względem tegoż kryterium K. WdWI 2013 PŁ

21. MECHATRONIKA PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE SYSTEMOWEGO WIDZENIA RZECZYWISTOŚCI • MECHATRONIKA • dział inżynierii systemów. • synergiczna agregacja inżynierii mechanicznej, elektrycznej, elektronicznej i informacyjnej. WdWI 2013 PŁ

22. Lekcja natury Wymiary i perspektywy poznawcze mechatroniki jako części inżynierii systemów WdWI 2013 PŁ

23. Ewolucja mechatroniki z techniki mechanicznej Elektrotechnika WdWI 2013 PŁ

24. Podstawy metodologii • zrozumienie • celu zadania (problemu), • wymagań i ograniczeń dotyczących oczekiwanego rozwiązania lub produktu. • jakość produktu • dostępność surowców, • energochłonnością rozwiązania, • ograniczenia technicznymi lub fizycznymi • łatwość produkcji, wdrożenia i serwisowania. • możliwość modyfikacji istniejących rozwiązań • KOSZTY!!!! WdWI 2013 PŁ

25. Jak rozwiązywać problemy? • Inżynierowie rozwiązują problemy konieczne do rozwiązania, ale zwykle nie określone na początku zbyt jednoznacznie, • zwykle możliwych jest kilka rozwiązań. • inżynierowie muszą oceniać wiele możliwości pod kątem ich przydatności, bezpieczeństwa i ekonomii i wybierać rozwiązania najlepiej spełniające założone wymagania wyjściowe. • Stworzenie odpowiedniego modelu matematycznego jest zwykle niezbędnym narzędziem inżyniera, pozwalającym analizować i testować potencjalne rozwiązania. • Genrich Altshuller postawił, tezę, iż • na "niskim poziomie" rozwiązania inżynierskie są oparte na kompromisach, • na "wyższym poziomie" praca inżyniera prowadzi do wybrania jako najlepszego takiego rozwiązania, które eliminuje główną trudność problemu. • Mimo stosowania różnych matematycznych algorytmów optymalizacji, inżynieria zadowala się zwykle rozwiązaniami wystarczającymi. WdWI 2013 PŁ

26. Zasady rozwiązywania problemów inżynierskich – cechy rozwiązania • bezpieczeństwo • funkcjonalność • niezawodność i trwałość • sprawność • prawidłowość doboru materiałów • dobór właściwej technologii • lekkość (to o konstrukcji), • ergonomiczność • łatwość eksploatacji i napraw • niskie koszty eksploatacji • zgodność z obowiązującymi normami i przepisami • łatwość likwidacji • .....................................inne zasady i wymagania. WdWI 2013 PŁ

27. Aksjomat synergii • Synergia – efekt współdziałania dwóch lub więcej czynników (elementów składowych, części itp.) w jakimś procesie lub układzie. • Przykładem efektu synergii jest praca zespołowa: w odróżnieniu od pracy grupowej, zespół wspólnie pracuje nad pewnym zagadnieniem, dążąc do wspólnego rezultatu, natomiast członkowie grupy pracują równolegle („współbieżnie”), ale każdy ma swój cel i zadanie. Całość, czyli system, nie jest prostą sumą części: nabiera właściwości, jakich nie mają jej po-szczególne części. • Synergizm jest uważany za uniwersalne prawo przyrody. WdWI 2013 PŁ

28. Aksjomat kontekstu • Każdy system jest wyselekcjonowaną częścią rzeczywistości. • Zrozumienie systemu nie może ograniczać się wyłącznie do niego samego – do jego elementów składowych i relacji między nimi. • Otaczająca nas rzeczywistość jest ciągła każdy system musi być traktowany jako element pewnej szerszej całości. • W takim razie każdy system musi być podporządkowany owej szerszej całości, czyli podlegać określonym oddziaływaniom innych elementów, które – w razie traktowania go jako samodzielnej całości – stanowią jego otoczenie. WdWI 2013 PŁ

29. Aksjomat równoważności systemów • systemy mogą być równoważne pod względem osiąganych rezultatów (celów, funkcji, właściwości). • Każdy z nich może jednak charakteryzować się inną miarą skuteczności i efektywności oraz innymi kosztami budowy i funkcjonowania. WdWI 2013 PŁ

30. Aksjomat różnorodności Ashby’ego • Stopień różnorodności i elastyczności elementów systemu zależy od różnorodności i zmienności wejść do systemu. • Miarą trwałości systemu staje się wystarczający stopień różnorodności elementów składowych systemu oraz ich elastyczności w konfrontacji z otoczeniem. • Elastyczność każdego elementu wchodzącego w skład systemu musi być zbilansowana i skorelowana z elastycznością wszystkich pozostałych elementów: system musi być zbilansowany, aby żaden z elementów nie stał się „wąskim gardłem” systemu pod względem jego funkcjonalności. • Z kolei nadmierna elastyczność któregoś z jednostkowych elementów staje się jedynie przyczyną wzrostu kosztów funkcjonowania systemu: wprowadzenie i utrzymanie elastyczności kosztuje zarówno podczas konstruowania systemu oraz podczas jego funkcjonowania. WdWI 2013 PŁ

31. Aksjomat sprawności systemu • sprawność systemu pod wzglę-dem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elementu pod względem tegoż kryterium K. • Kryterium K może oznaczać • niezawodność systemu, • jego dynamikę, • odporność na zakłócenia ze strony otoczenia, • elastyczność, o której wspomina aksjomat Ashby’ego, • siłę oddziaływania na otoczenie • i każdą inną cechę, jaką obserwator przypisuje danemu systemowi. WdWI 2013 PŁ

32. MODELOWANIE INŻYNIERSKIE • Problem Model Rozwiązanie • DWA MOŻLIWE PODEJŚCIA: • 1. Problem ModelP RozwiązanieD(ModelP) • ModelP – przybliżony model problemu • 2. Problem ModelD RozwiązanieP(ModelD) • ModelD – dokładny model problemu • RozwiązanieP(ModelD) – rozwiązanie przybliżone modelu dokładnego WdWI 2013 PŁ

33. OGRANICZENIA MODELOWANIA: • 1. Niedokładności modelowania. NIE MA MODELI IDEALNYCH !!!!! • 2. Niewystarczające umiejętności zawodowe (wiedza, praktyka). • 3. Niedokładności materiałowe. • 4. Niedokładności wykonania elementów. • 5. Niedokładności montażowe. • 6. Niedokładności eksploatacyjne (nie przestrzeganie przepisów, procedur KATASTROFY). WdWI 2013 PŁ

34. Heurystyka w optymalizacji • Niepotrzebna jest znajomość „klasycznych” metod optymalizacji – wystarczy skoncentrować się na formułowaniu funkcji celu. • Metody koncentrują się na poszukiwaniu optimów globalnych. • Możliwość zastosowania do szerokiej klasy zadań optymalizacji (budowa maszyn, eksploatacja, zarządzanie, sterowanie itp.). • Możliwość rozpoczynania procedury z różnych punktów startowych. • Otrzymywanie kilku rozwiązań uruchomienie procedury decyzyjnej WdWI 2013 PŁ

35. Mechanizm z Antykithiry • starożytny mechaniczny przyrząd, zaprojektowany do obliczania pozycji ciał niebieskich. • odkryty we wraku obok greckiej wyspy Antykithiry (Antikythera), pomiędzy Kíthirą i Kretą, datowany na lata 150-100 p.n.e. • do czasu XVIII-wiecznych zegarów nie jest znany żaden mechanizm o podobnym stopniu złożoności. WdWI 2013 PŁ

36. Śruba Archimedesa • podajnik zbudowany ze śruby umieszczonej wewnątrz rury ustawionej skośnie do poziomu. • W czasie pracy dolny koniec śruby zanurzony jest w wodzie, a obrót śruby wymusza jej ruch do góry. WdWI 2013 PŁ

37. ELEKTROTECHNIKA: Dział nauki o elektryczności obejmujący rozległy krąg zjawisk fizycznych wraz z ich zastosowaniami Obejmuje analizę zjawisk fizycznych występujących w obwodach elektrycznych i magnetycznych oraz w polu elektromagnetycznym w zakresie ich zastosowań technicznych WdWI 2013 PŁ

38. WYBRANE DZIEDZINY ELEKTROTECHNIKI: • aparaty elektryczne, • urządzenia elektryczne, • instalacje elektryczne, • zabezpieczenia elektryczne, • maszyny elektryczne, • miernictwo elektryczne, • automatyka, • robotyka, • mechatronika, • technika świetlna, • elektrotermia. WdWI 2013 PŁ

39. Zagadnienia dotyczące elektryczności są działami fizyki oraz techniki: W obrębie fizyki: • Elektrostatyka - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi; • Elektrodynamika - obejmuje oddziaływania pomiędzy ruchomymi ładunkami, a w szczególności • elektromagnetyzm • prąd elektryczny • Magnetyzm - powstawanie oraz oddziaływanie pola magnetycznego na otoczenie • . WdWI 2013 PŁ

40. W obrębie techniki: • Elektrotechnika • Elektroenergetyka • Energoelektronika • Elektronika • Technika świetlna • Elektrotechnologie • Mechatronika WdWI 2013 PŁ

41. Organizacja Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki • Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej • Instytut Automatyki • Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych • Instytut Elektroenergetyki • Instytut Elektroniki • Katedra Aparatów Elektrycznych • Katedra Elektrotechniki Ogólnej i Przekładników • Katedra Informatyki Stosowanej • Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych • Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych WdWI 2013 PŁ

42. VI wiek p.n.e • VI w pne Grecja, właściwości rudy żelazna Fe3O4 przyciągania przedmiotów żelaznych • przyciąganie lekkich przedmiotów przez potarty bursztyn • Tales z Miletu  opis zjawiska WdWI 2013 PŁ

43. Wiliam Gilbert • 1600 r „O magnesie, ciałach magnetycznych i o wielkim magnesie ziemskim”: • Dowiódł, że przyczyną orientacji igły magnesu jest magnetyzm ziemski • Odkrył indukcję magnetyczną • Niestety nie zauważył związku zjawisk elektrycznych z magnetycznymi • Wprowadził nazwę elektryczność (elektron=bursztyn) WdWI 2013 PŁ

44. Butelka lejdejska • Pieter VAN MUSSCHEN-BROEK (1746) • Naukowiec z kamienia pomorskiego KLEIST (1745) próba naelektryzowania gwoździa (skóra ręki-warstwa wilgoci wewnątrz kolby=pierwszy opisany kondensator) • Arka przymierza • 1749 Watson naczynie oklejone folią cynkową WdWI 2013 PŁ

45. SKOK W teraźniejszość Butelka lejdejska Naczynie ze szkła wypełnione wodą i zatkane korkiem który był przebity na wylot miedzianym drutem. Butelkę można było naładować elektrycznie stykając pręt z naładowanym ciałem. Poprzez drut i wodę prąd dostawał się do środka naczynia i ładował dodatnio lub ujemnie jego wewnętrzne ścianki. Pojemność elektryczną można zwiększyć pokrywając szkło od zewnątrz i wewnątrz folią przewodzącą prąd, oraz przedłużając drut tak, aby zetknął się z zewnętrzną warstwą folii. WdWI 2013 PŁ

46. Teoria zjawisk elektrycznych • Benjamin Franklin (1706-1790) człowiek renesansu • Uniwersalna „materia elektryczna” • Pojęcie ciał naładowanych (dodatnio: nadmiar materii elektrycznej; ujemnie  niedomiar) • Elektryczna natura błyskawicy (1750) • Wynalazca piorunochronu (Dalibard z Francji chyba był pierwszy) WdWI 2013 PŁ

47. Pierwsze eksperymentyCharles August Coulomb (F) 1736-1806 + + - WdWI 2013 PŁ

48. Pierwsze eksperymentyCharles August Coulomb (F) 1736-1806 • Wyznaczył eksperymentalnie siłe oddziaływania na siebie ładunków • Waga skrętna • Ładunek punktowy  definicja (wymiary wielokrotnie mniejsze od odległości naładowanych ciał) WdWI 2013 PŁ

49. Określenie siłę wzajemnego oddziaływania dwóch naładowanych kul • Zetknął trzecią nienaładowaną kulę z jedną z badanych (prawo zachowania ładunku) zmniejszając jej ładunek o połowę • Zmieniając odległości 2,3,4 krotnie uzyskał 4,9,16 krotne zmniejszenie siły oddziaływania WdWI 2013 PŁ

50. Coulomb sformułował analogiczne prawo ujmujące w zależności ilościowe oddziaływanie na siebie mas magnetycznych • Dokonał przełomu otwierając okres ilościowego określania wielkości elektrycznych WdWI 2013 PŁ