BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA

1. BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA 2 Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice

2. ELEKTROMOTORNI NAPON, POTENCIJAL, NAPON • Kombinacija negativno i pozitivno nabijenog tijela ima određenu potencijalnu energiju. Električno nabijena tijela mogu se dobiti odvajanjem elektrona iz atoma utroškom neke druge vrsti energije, npr. mehaničke ili kemijske. Tom stranom energijom svladavaju se privlačne električne sile u neutralnom atomu. Takvo odvajanje postoji u električnom izvoru i vrši se pod utjecajem elektromotornog napona. • Zbog tog djelovanja jedna stezaljka izvora ima višak negativnog naboja (negativni pol), a druga manjak negativnog naboja (pozitivni pol). Svako od tih stanja polova izvora ima određeni potencijal. Električni potencijal označava se s , i on je skalarna veličina. • Razlika u potencijalu između bilo koje dvije točke naziva se naponom, i obilježava na slijedeći način: U = 2 - 1 • Elektromotorni napon obilježava se oznakom E. Predstavlja tzv. unutarnji napon, koji se predaje na stezaljke izvora.Elektromotorna sila, odnosno elektromotorni napon, može se odrediti kao radnja podijeljena prenešenim nabojem dQ, koji je prešao tijekom vremena presjekom izvora u kojem je izvršena pretvorba energije iznosa dW:E = dW/dQ • Dogovorom (konvencijom) je određeno da je elektromotorni napon u strujnom krugu pozitivan ako djeluje u istom smjeru u kojem teče električna struja. • KAD JE STRUJNI KRUG (PUT, TOK) ZATVOREN, RAZLIKA POTENCIJALA TJERA STRUJU KROZ KRUG!!!

3. ELEKTRIČNI OTPOR I VODLJIVOST

4. Ovisnost otpora nekog materijala ili otpornika o temperaturi data je s: R = R0 (1 + T) gdje je  temperaturni koeficijent materijala, R0 otpor pri referentnoj (u praksi sobnoj) temperaturi, T razlika između stvarne i referentne temperature, a R otpor pri stvarnoj temperaturi. Ako želimo da R bude jednak 0, onda slijedi: R = 0 = R0 (1 + T)  : R0 (1 + T) = 0 T = -1 T = -1/ T – T0 = -1/ T = T0 -1/ Za T0 = 20C i  = 0,004C-1 slijedi: T = 20 – 250 = - 230C. To znači da materijalu s  = 0,004C-1 iščezava otpor na temperaturi od -230C, te da tada provodi električnu struju bez gubitaka. Slično se može utvrditi za bilo koji materijal s pozitivnim temperaturnim koeficijentom.

5. Neki materijali nikako ne mogu postati supravodljivi. To su pretežno materijali iz grupe poluvodiča i iamju negativan temperaturni koeficijent otpora. R = 0 = R0 (1 + T)  : R0 (1 + T) = 0 T = -1 T = -1/ T – T0 = -1/ T = -273,15°C  = -1/(T – T0) = -0,00395 Materijali koji imaju manji apsolutni iznos temperaturnog koeficijenta, a negativnog je predznaka ne mogu biti u supravodljivom stanju. Ako se apsolutni iznos poveća, smanji se član 1/, pa je dominantniji član T0, te kritična temperatura biva iznad apsolutne nule, pa takvi materijali mogu biti supravodiči.

6. SUPRAVODLJIVOST Pojava iščezavanja električne otpornosti koja nastaje kao rezultat podhlađivanja vodiča do kritične temperature Tc, naziva se supravodljivošću. Prvi put je eksperimentalno primjećena na živi 1911. (Kamerlingh Onnes). Teorijski je pojava objašnjena s pomoću kvantne mehanike pedesetak godina kasnije. Teorija se naziva prema autorima BCS - J. Bardeen, L. Cooper, J. R. Schriefer. Problem pri praktičnim primjenama supravodljivosti su vrlo niske temperature pri kojima se materijal dovodi u supravodljivo stanje. Kod žive, to je 4,2 K! Sredstvo za hlađenje je za te temperature tekući helij. Tehnologija tekućeg helija je vrlo složena i skupa. Od sredine devedesetih godina (1986) otkriveni su keramički materijali kod kojih je pojava supravodljivosti izrazita pri temperaturama i iznad 100 K (visokotemperaturni supravodiči). Te temperature omogućuju hlađenje tekućim dušikom. On je danas standardni materijal raširene uporabe. Cijena je u odnosu na tekući helij manja za više od 100 puta! To omogućuje intenzivniji razvoj primjene supravodiča. Moguća područja primjene su: prijenos energije, izgradnja jakih magneta, transport, električni strojevi, računalska tehnika, i sl.

7. Supravodljivi materijali Velikom broju metala električna otpornost, pri smanjivanju temperature ka apsolutnoj nuli, postupno teži nuli. Međutim, postoje metali i neke legure, kod kojih električna otpornost pri nekoj temperaturi Tc naglo pada od neke konačne vrijednosti na nulu. Pri daljnjem smanjenju temperature do apsolutne nule električna otpornost tih materijala jednaka je nuli. Temperatura kod koje električna otpornost postaje praktički jednaka nuli naziva se kritičnom temperaturom. Električna otpornost umjesto da se postupno smanjuje pada manje (supravodič tipa S2; ima donju Tcd i gornju Tcg kritičnu temperaturu; karakterizira se ipak samo jednom: srednjom) ili više (supravodič tipa S1) naglo na nulu. Magnetsko polje utječe na supravodiče: snižava kritičnu temperaturu. Što je veća jakost magnetskog polja to je izraženije sniženje kritične temperature.

8. Komercijalni kriogenski uređaj Shematski prikaz dobivanja tekućeg helija

9. Supravodič tipa S1 Supravodič tipa S1 ima dva potpuno stabilna i jasno odijeljena stanja. To su supravodljivo stanje i stanje normalne vodljivosti. Supravodiči tipa S1 mogu, ako se izlože magnetskom polju i zatim ohlade, potpuno istisnuti magnetsko polje iz sebe, osim u neznatnom pripovršinskom sloju (tzv. Meissnerov učinak).

10. Supravodič tipa S2 Supravodiči tipa S2 zadržavaju određene lokalizirane niti magnetskog toka unutar supravodljivog materijala (uz pomake tih niti magnetskog toka definiraju se i supravodiči tipa S 3: kod njih se može tehnologijskim postupcima zaustaviti pomicanje niti magnetskog toka i povećati gustoću struje). Kod supravodiča tipa S2, a u odsutnosti magnetskog polja, razlikuju se tri stabilna stanja. To su: supravodljivo (ispod Tcd), miješano (između Tcd i Tcg), te normalno vodljivo stanje (iznad Tcg).

11. Supravodiči • Mogu se istaknuti četiri činjenice vezane uz supravodiče: • skokovita promjena električne otpornosti pri kritičnoj temperaturi, • dugotrajno postojanje električne struje u konturi od supravodljivog materijala kada je ohlađen na temperaturu ispod kritične, • nepostojanje magnetskog polja, osim u pripovršinskom sloju - Meissnerov učinak, unutar materijala koji se nalazi u supravodljivom stanju, • mogućnost razaranja supravodljivosti jačim vanjskim magnetskim poljem. Otpora nema kada supravodičima protiče istosmjerna struja. DC u supravodičkom krugu teče beskonačno dugo. Za izmjeničnu struju, otpor se povečava s povečanjem frekvencije. U primjeni to znači da je otpor supravodiča tisućiti dio otpora najboljeg vodiča. Stoga ove supravodičke radio-frekvencijske komponente predstavljaju najbolje u svijetu. Supravodiči se koriste u baznim stanicama mobilne telefonije.

12. Primjene supravodljivih materijala Nekoliko je velikih područja primjene supravodljivih materijala:  za izradu elektromagneta velikih iznosa magnetske indukcije,  pri prijenosu električne energije,  u transportu,  pri izradi električnih strojeva,  pri izradi komutacijskih elemenata i memorija i  u mjernoj tehnici. Malen je broj laboratorija u svijetu posjedovao snažne magnete indukcije iznad 5 T. Radi se o elektromagnetima s velikim gustoćama struja, ogromnih gubitke snage reda veličine MW. Supravodljivi materijali omogućili su većem broju laboratorija izradu elektromagneta indukcija preko 15 T uz bitno smanjene gubitke snage.

13. Primjene supravodljivih materijala • Supravodički magneti rabe se u načelu u: • istraživačke svrhe • - temelj rada fuzijskih elektrana budućnosti su ekstremno jaka • magnetska polja; • - mogućnost akumuliranja energije u magnetskom polju; • - izgradnja akceleratora čestica - supravodljivi superakcelerator; • - u medicini - nuklearna magnetska rezonancija, • u transportu • - mnogo se polaže na izgradnju supravodičkih vlakova koji bi • lebdjeli iznad tračnica na magnetskom "jastuku". Vlakovi bi • imali brzine oko 500 km/h (nezamislivo da imaju kotače) • U Japanu su istraživanja dovela, već 1979. godine do modela • supravodičkog vlaka koji je dostigao brzinu od 517 km/h. • - levitirajući automobili (lebde iznad supravodljivih auto putova)

14. Prikazivanje magnetnom rezonancijom (MRI) Doktori izvode preglede pomoću magnetne rezonancije na pacijentima da bi ispitali meka tkiva kao što je hrskavica, membrane i moždano tkivo, bez potrebe za istraživačkom kirurgijom. Tijekom MRI skeniranja pacijent je smješten unutar kružne komore. Elekromagneti napravljeni od supervodiča okružuju komoru proizvodeći veliko magnetsko polje koje uzrokuje da se jezgre vodika, u pacijentovom tkivu, poredaju u smjeru magnetskog polja. Vodikova jezgra titra oko tog magnetskog polja kao zvrk koji je okreče oko svoje osi. Frekvencija tog kretanja, poznata kao Larmorova frekvencija, ovisi o snazi magnetskog polja. Elektromagneti koji se sastoje od žićanih zavojnica, koji moraju izdržati vrlo velike struje bez topljenja, proizvode jako inducirano magnetsko polje (oko 1 Tesla). Supervodiči su upotrebljavani za izradu žičanih zavojnica zbog toga što supervodiči mogu provesti električnu struju bez otpora i bez zagrijavanja. Puls radio valova koji je istovjetan Larmorovoj frekvenciji se ispaljuje u područje tkiva koje se treba prikazati. Kao rezultat vodikova jezgra titra i postavlja se različito od smjera magnetskog polja. Kada se vodikova jezgra postavlja uzduž magnetskog polja, ona emitira radio valove koji se tada detektiraju. Variranjem snage magnetskog polja uzduž pacijentovog tijela, u sve tri dimenzije, valovi će različitih frekvencija biti emitirani iz različitih područja ispitivanog tkiva. Kao rezultat, gustoća vodika u pacijentovom tkivu može biti mjerena u tri velićine. Kompjuter obrađuje sve detektirane signale da bi proizveo MRI sliku.

16. Primjene supravodljivih materijala • u električnim strojevima • - supravodljivi materijal omogućuje da su takvi strojevi značajno • manjih dimenzija od klasičnih pri istoj snazi. To je posebice • značajno u svemirskim i vojnim istraživanjima. Veliki napori su • uloženi u konstruiranje upravo brodskih motora i generatora. • u distribuciji električne energije • - korištenje supravodljivih kabela pri prijenosu električne energije • ekonomski je isplativo, zbog velikih investicijskih troškova, tek • za snage iznad nekoliko tisuća MW. • Razmatraju se tri koncepcije pri razvoju niskotemperaturnih • kabela: korištenje nesupravodljivih materijala (aluminij i bakar), • uz hlađenje tekućim vodikom, korištenje niobija za izmjeničnu • (hlađenje helijem) i niobij – kositra za istosmjernu (hlađenje • helijem) supravodičku struju. Supravodljivi materijali nisu • najprikladniji za prijenos izmjenične struje. • - Otkriće supravodiča pri sobnoj temperaturi omogućuje prelazak na istosmjerni • EDISONOV sustav umjesti TESLINOG, što nosi mnoge uštede.

17. Primjene supravodljivih materijala • supravodljiva računala • - temeljila bi svoj rad na supravodljivim mikroelektroničkim elementima, Josephsonovim spojevima, kao sklopkama. U usporedbi sa sadašnjim računalima supravodljiva računala bila bi brža, manja i efikasnija • supravodljivi mjerni uređaji • - služili bi za mjerenje iznimno slabih električnih i magnetskih polja, te isto takvog elektromagnetskog zračenja. • - To se može iskoristiti u medicini (magnetoencelografija, • magnetokardiografija) i u geofizici (mjerenjem slabih • geomagnetnih promjena moglo bi se predvidjeti potrese). • Spomenute primjene temelje se na supravodljivim SQUID (Superconductive • Quantum Interference Detector)- detektorima, do kojih se dolazi kombiniranjem • Josephsonovih spojeva. Omogućuju mjerenje s točnošću oko 10-15 T.

18. Primjene supravodljivih materijala Dvije supravodljive žice namotane su prema slici. U temperaturi ispod obje kritične, oba su vodiča supravodljiva. Mijenjanjem struje, mijenja se i magnetsko polje. Kada je ono veće od kritičnog polja, žica prelazi iz supravodljivog u normalno stanje. Ovo se može promatrati i kao prekidač. Ovaj kabel radi pri istosmjernoj I = 67 kA i U = 75kV, sloj nioba je debel 0,32 mm, a cijev 67 mm. Ekonomski je isplativa za velike snage na velikim udaljenostima.

19. Pojam čvora, grane i konture • Čvor je mjesto spajanja 2 ili više žica. • Grana je dio strujnog kruga između 2 čvora. • Kontura je zatvorena strujna petlja (kada nije riječ o kratkom spoju, zatvara se s minimalno 2 grane).

20. OHMOV ZAKON • Njemački fizičar George Simon Ohm (1787-1854.) eksperimentalno je utvrdio da je pri konstantnoj temperaturi jakost električne struje razmjerna naponu, a obrnuto razmjerna električnom otporu.

21. PRVI KIRCHHOFFOV ZAKON • Za bilo koji čvor vrijedi da je algebarski zbroj svih struja u svakom trenutku jednak nuli:

22. DRUGI KIRCHHOFFOV ZAKON U zatvorenom strujnom krugu, koji može biti dio bilo koje složenije električne mreže, algebarski zbroj elektromotornih napona izvora jednak je algebarskom zbroju padova napona. Da se odredi koji su elektromotorni naponi u algebarskom zbroju pozitivnog, odnosnog negativnog predznaka, uzima se kao pozitivan referentni smjer. Oni elektromotorni naponi kojima se smjer djelovanja podudara s referentnim smjerom uzimaju se kao pozitivni, a ostali kao negativni. Kod padova napona uzimaju se pozitivnima oni elektromotorni naponi kod kojih struja koja stvara taj pad napona ima smjer koji se podudara s referentnim smjerom.

23. NAPOMENA Kad struja može ići kroz više vodiča: Struja većim dijelom ide kroz liniju manjeg otpora, a manjim dijelom kroz liniju većeg otpora. Ako postoji linija koja nema otpora i linija s otporom, struja ide cijelim iznosom kroz liniju bez otpora. To je tzv. kratki spoj. Gornje činjenice služe pri objašnjavanju U-I postupka mjerenja otpora (odabir sheme) te kod strujnog djelila. Također ih je važno imati u vidu kod obavljanja svakodnevih poslova u kući ili na poslu, kao što su mjenjanje utičnica,prekidača, grijača, žarulja, dodirivanje žica i sl.

24. REALNI I IDEALNI NAPONSKI IZVOR • Na slici je prikazan realni naponski izvor unutarnjeg otpora, Ri i elektromotornog napona, E. Na unutarnjem otporu izvora, prolaskom struje I, dolazi do pada napona Ui = I Ri , te sa stezaljki izvora, A i B, trošilo R ne dobiva cijeli iznos elektromotornog napona E, već napon U.

25. REALNI I IDEALNI STRUJNI IZVOR

26. KRATKI SPOJ I PRAZAN HOD IZVORA