Transcript wstęp do elektrotechniki - Zakład Inżynierii Materiałowej i Systemów

Wstęp do współczesnej inżynierii
Elektrotechnika
2013
WdWI 2013 PŁ
1
Kontakt:
• Dr inż. Marek Ossowski
• [email protected]
• Zakład Układów i Systemów
Nieliniowych
• Al.Politechniki 11 pok.14 Ip
• Tel.(42) 6312515
• Tel 501673231  tylko w sprawach
niezwykle ważnych!!!!
WdWI 2013 PŁ
2
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
3
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
4
Warunki zaliczenia
przedmiotu:
a) pozytywny wynik testu zaliczeniowego
(10pkt.)
sumarycznie >24pkt
b) obecność na wykładach (nieobecność = 1pkt)
*nieobowiązkowa prezentacja „Wybrany
problem wpółczesnej elektrotechniki” –
możliwość zaliczenia nieobecności
nieusprawiedliwionych
WdWI 2013 PŁ
5
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
6
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
7
• 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
8
– 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
9
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
10
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
11
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
12
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
13
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
14
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
15
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
16
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
17
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
18
• 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 ZŁOŻONYCH PROBLEMÓW PROJEKTOWANIA I
ZARZĄDZANIA.
WdWI 2013 PŁ
19
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
20
MECHATRONIKA
PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE SYSTEMOWEGO
WIDZENIA RZECZYWISTOŚCI
• MECHATRONIKA
– dział inżynierii systemów.
– synergiczna agregacja inżynierii mechanicznej,
elektrycznej, elektronicznej i informacyjnej.
WdWI 2013 PŁ
21
Lekcja natury
Wymiary i perspektywy poznawcze
mechatroniki jako części inżynierii systemów
WdWI 2013 PŁ
22
Ewolucja mechatroniki z techniki
mechanicznej
Elektrotechnika
WdWI 2013 PŁ
23
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
24
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
25
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
26
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
27
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
28
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
29
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
30
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
31
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
32
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
33
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
34
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
WdWI 2013 PŁ
złożoności.
35
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
36
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
37
WYBRANE DZIEDZINY
•aparaty elektryczne,
ELEKTROTECHNIKI: •urządzenia elektryczne,
•instalacje elektryczne,
•zabezpieczenia
elektryczne,
•maszyny elektryczne,
•miernictwo elektryczne,
•automatyka,
•robotyka,
•mechatronika,
•technika świetlna,
•elektrotermia.
WdWI
2013 PŁ
38
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
39
• W obrębie techniki:
•Elektrotechnika
– Elektroenergetyka
– Energoelektronika
• Elektronika
– Technika świetlna
– Elektrotechnologie
•Mechatronika
WdWI 2013 PŁ
40
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
41
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
42
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
43
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
44
Butelka lejdejska
SKOK W
teraźniejszość
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
WdWI 2013 PŁ
45
zewnętrzną warstwą folii.
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
46
Pierwsze eksperymenty
Charles August Coulomb
(F) 1736-1806
+
-
+
WdWI 2013 PŁ
47
Pierwsze eksperymenty
Charles 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
48
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

q1  q2 
F  k  2  1r
r
WdWI 2013 PŁ
49
Coulomb sformułował analogiczne prawo
ujmujące w zależności ilościowe
oddziaływanie na siebie mas magnetycznych
Dokonał przełomu otwierając okres
ilościowego określania wielkości
elektrycznych
WdWI 2013 PŁ
50
Narodziny elektrotechniki 1786
Luigi Galvani  włoski lekarz eksperymentujący z
żabimi udkami (fałszywe przekonanie o odkryciu
elektryczności zwierzęcej)
Aleksander Volta (ur. 1745 w Como):
 Prąd elektryczny pobudzający mięsień żaby
powstaje na skutek różnicy potencjałów
pomiędzy dwoma metalami ( w doświadczeniu
Galvaniego: miedź i żelazo) zanurzonymi w
elektrolicie (tkanka mięśniowa)
WdWI 2013 PŁ
51
Ogniwo Volty
• Stos srebrnych i cynowych
krążków przedzielonych
zwilżonymi kawałkami
sukna lub papieru
pozwalający na uzyskanie
ciągłego prądu
elektrycznego
WdWI 2013 PŁ
52
Demonstracja ogniwa i zaszczyty
• Prezentacja wynalazku w
listopadzie 1801 r
• Pamiątkowy medal od
Napoleona
• Tytuł hrabiego i nominacja
na senatora
• Mariaż polityki z nauką
WdWI 2013 PŁ
53
Hans Christian Oersted (ur.1777)
• Zauważył, że igła
magnetyczna umieszczona
równolegle do przewodu
odchyla się, gdy przez
przewód płynie prąd
• Przyczynił się do
wynalezienia
elektromagnesu i telegrafu
WdWI 2013 PŁ
54
Andre Maria Ampere (ur.1775)
• Kontynuator prac
Oersteda
• Wzajemne oddziaływanie
przewodników z prądem
 zjawiska
elektrodynamiczne
• Prekursor miernika prądu
elektrycznego
WdWI 2013 PŁ
55
Georg Simon Ohm
„Matematyczne ujęcie obwodu
elektrycznego” (1827)
Protesty innych naukowców
pozbawienie stanoiska wykładowcy w
Kolonii
Rehabilitacja po sześciu latach (dzięki
Karolowi Gaussowi i Wilhelmowi
Weberowi)
U  I R
WdWI 2013 PŁ
56
Michael Faraday
Zjawisko indukcji
elektromagnetycznej (1831)
Model maszyny elektrycznej
Odkrycie praw elektrolizy
Koncepcja pól elektrycznych i
magnetycznych
„Exegi monumentum aere
perennius”
WdWI 2013 PŁ
57
James Clerk
Maxwell
Edynburg 1831, wychowany w dobrach swego
ojca w Glenlair (Szkocja)
Uniwersytet w Edynburgu (w wieku 16 lat)
1855 „O Faradayowskich liniach sił”
1856 profesor fizyki teoretycznej w Aberdeen
Profesor Kings College
1871 profesor fizyki doświadczalnej w
WdWI 2013 PŁ
Cambridge
58
James Clerk Maxwell
dokonania:
1873: „Traktat o elektryczności i
magnetyzmie”  teoria fal
elektromagnetycznych (doświadczalnie
potwierdzona przez Hertza )  początek
radiotechniki
Opisanie i uogólnienie wszystkich znanych
dotąd zjawisk elektromagnetycznych.
WdWI 2013 PŁ
59
Równania Maxwella:
D
rotH  J 
t
B
rotE  
t
1863
D  E
B  H
WdWI 2013 PŁ
60
Fale elektromagnetyczne
WdWI 2013 PŁ
61
Fale elektromagnetyczne

E

H
WdWI 2013 PŁ
62
WdWI 2013 PŁ
63
Inne znane i ważne postacie:
James Joule (GB) 1818-89 prawo dotyczące
wydzielania ciepła podczas przepływu prądu
Heinrich Emil Lenz (D) 1804-85 zasady
elektrodynamiki
Herman Helmholtz (D) 1824-94 prawo zachowania
energii, uzupełnienie teorii Maxwella, teoria
elektrolizy
Gustaw Kirchhoff (D) 1824-77 twórca teorii
obwodów elektrycznych
Hendrik Lorentz (NL) 1853-1928 podstawy
WdWI 2013 PŁ
64
elektromagnetycznej teorii
światła
Wybrane zastosowania elektryczności:
Silnik elektryczny Faraday
Samowzbudne maszyny elektryczne Werner
Siemens
Prądy trójfazowe Doliwo-Dobrowolski
Silnik indukcyjny dwufazowy N.Tesla
Ogniwa i akumulatory Volta, Kirchhoff, Bunsen
 AKUMULATOR Gaston Plante (ołowiany
1860), Tomasz Edison (zasadowy)
Oświetlenie
 Lampa łukowa WdWI
Paweł
2013 PŁ Mikołajewicz
65
Wybrane zastosowania elektryczności:
 Żarówka 1879 Tomasz Edison
Przesyłanie energii na odległość
 Marcel Deprez, Oskar Miller 1882 (57km,
1.1kW, 1.52kV)
 1891 Michał Doliwo-Dobrowolski, O.Miller
(175km 150kW, 14kV Laufen-Frankfurt)
Telekomunikacja
 Telegraf  Paweł Szyling
 Klucz telegraficzny Samuel Morse, Joseph
Henry
WdWI 2013 PŁ
66
1838 TELEGRAF
Samuel E.B. Morse wykorzystuje odkryte w 1820
Przez Ch.Oersteda właściwości elektromagnetyzmu
WdWI 2013 PŁ
67
Wybrane zastosowania elektryczności:
Telekomunikacja (cd)
 Kabel telegraficzny  Ernst Werner Siemens
 Telefon  Graham Bell(1876) , Philip Reiss
 Radio
 Aleksander Popow 1895
 Gulielmo Marconi 1896
 Światłowód (Tyndall 1870, Wheeler 1880)
 Laser 1957...............
WdWI 2013 PŁ
68
1873 Telefon
Graham Bell (1847-1922)
Patent z 1876 roku
WdWI 2013 PŁ
69
Radio
1865
Konstruktor
pierwszego radia
G.Marconi
WdWI 2013 PŁ
70
Trochę o koncepcji światłowodu
TUBA Z
WIĄZKA ŚWIATŁA
MEMBRANĄ
~ 200 METRÓW
Reflektor
RUCHOMA
MEMBRANA
MODULUJE
ŚWIATŁO
PROSTOWNIK
SELENOWY
Rys.4 Doświadczenie
G.Bella
WdWI
2013 PŁ
GŁOŚNIK
71
1870
WdWI 2013 PŁ
Rys.5 Doświadczenie Johna Tyndalla
72
1880
WdWI 2013 PŁ
73
Propagacja promieni świetlnych wzdłuż światłowodu
n2 < n1 Płaszcz
n1
RDZEŃ
WdWI 2013 PŁ
74
ŚWIATŁOWÓD –POJĘCIA PODSTAWOWE
•ŚWIATŁOWÓD jest (na ogół) cylindrycznym
falowodem dielektrycznym wykonanym z
niskostratnego materiału (np. szkła kwarcowego)
WdWI 2013 PŁ
75
Dygresja : światło laserowe
• LIGT AMPLIFICATION BY THE
SIMULATED EMISSION OF
RADIATION
• ŚWIATŁA WZMACNIANIE
WYMUSZONĄ EMISJĄ
PROMIENIOWANIA
WdWI 2013 PŁ
76
Rozkład elektronów w powłokach atomu sodu
• Dostarczenie energii może
przesunąć elektron na
wyższy poziom=> stan
wzbudzenia
• Atom w takim stanie dąży do
minimalizacji energii:
emituje energię i wraca do
STANU
PODSTAWOWEGO
• Ta wyemitowana energia to
może być FOTON światła
E  h f

hc

8e
0e
J¹ dro
2e
1e
n=1
n=2
n=3
n=4
 Ewzb  E pods
WdWI 2013 PŁ
77
Emisja wymuszona
STAN WZBUDZENIA
Z zasady nieoznaczoności
Heisenberga:
h
E   
2
FOTON
Czas życia stanu
wzbudzonego
• Ta sama energia,
długość fali,
kierunek ruchu, faza
i polaryzacja
FOTON
WZBUDZAJ¥ CY
FOTON
WZBUDZONY
STAN PODSTAWOWY
WdWI 2013 PŁ
78
Cząstka o dwóch poziomach energetycznych.
Kiedy dominuje emisja wymuszona?
E
N
2
2
WZBUDZANIE
EM ISJA
E
1
N
1
• Warunek dominacji emisji wymuszonej:
N 2  N1
WdWI 2013 PŁ
79
Wzmocnienie uzyskamy jeśli doprowadzimy do tzw.
inwersji obsadzeń
WdWI 2013 PŁ
80
Dioda laserowa
WdWI 2013 PŁ
81
Laser He-Ne
Nastawa
precyzyjna luster
Zbiornik gazu
Katoda
Zwierciado
Brewstera
Stabilne kovarove
pytki lustra
Izolacja
antywstrząs
owa
Osłona
aluminiowa
Zwierciado o wys. wsp
odbicia.
Mieszanka gazowa
Osłona luster
Soczewka
kolimacyjna
Strumień
wyjściowy
Anoda
WdWI 2013 PŁ
Zasilanie prądowo
sterowane
82
Polacy w historii elektrotechniki:
 Michał Doliwo-Dobrowolski energetyka, prądy
trójfazowe
 Kazimierz Drewnowski  działacz NOTU,
elektryfikacja kraju, technika wysokich napięć
 Ignacy Mościcki technologia produkcji
kondensatorów
 Wiktor Biernacki omal nie wynalazł radia
 Julian Ochorowicz człowiek renesansu
(przesyłanie obrazów, mikrofon, właściwości
elektryczne organizmu)
 Napoleon Nikodem Cybulski (fizjolog, twórca
WdWI 2013 PŁ
elektroencefalografii)
83
Józef Herman Osiński, w
zakonie Kazimierz (17381802)
•
Pierwszy elektryk polski, pionier techniki
odgromowej, pedagog, autor i tłumacz
dzieł z zakresu fizyki, chemii, i metalurgii,
pionier fizjologii roślin w Polsce.
• W roku 1784 wydał pierwszą książkę z
elektrotechniki w Polsce " Sposób
ubezpieczający życie i majątki od
piorunów". Otrzymał za nią złoty medal
od króla Stanisława Augusta. Dawał w
niej wskazówki jak należy konstruować i
zakładać piorunochrony oraz przedstawiał
poradnik ratowania osób porażonych
piorunami.
WdWI 2013 PŁ
84
Michał Doliwo-Dobrowolski(1862-1919)
• Pionier techniki prądu trójfazowego
• Autor pierwszej prądnicy prądu
zmiennego 3-fazowego z wirującym
polem magnetycznym.
• Uzyskał kilka patentów na transformatory
trójfazowe, przyrządy pomiarowe (np.
fazomierz) i
• Pracował nad generatorami dużej mocy
dla hydroelektrowni
• Opracował założenia techniczne pierwszej
na świecie trójfazowej elektrowni
wodnej na Renie w Rheinfelden,
zbudowanej
w 1895r.
WdWI 2013 PŁ
85
Kazimierz Drewnowski (1881-1952)
• Pierwszy mianowany w Polsce profesor
elektrotechniki, mianowany w r.ak.
1915/16 w Politechnice Warszawskiej.
• Twórca szkół:
– miernictwa elektrycznego,
– techniki wysokich napięć
– materiałów elektrotechnicznych.
• Jego prace dotyczyły badania rozkładów
napięcia w układach izolacyjnych i metod
pomiarów wysokiego napięcia.
• Twórca metoda kompensacyjnego
pomiaru rozkładu pola elektrycznego,
WdWI 2013 PŁ
86
Ignacy Mościcki (1867-1946) prezydent RP (VI 1926 - IX 1939)
• inżynier chemik, profesor elektrochemii,
wynalazca
• wielkie zasługi w dziedzinie elektrotechniki
(technika wysokich napięć i ochrona
przepięciowa)
• odkrył wyładowania powierzchniowe i opublikował
prace z dziedziny wytrzymałości dielektryków na
przebicie.
• opracowywał technologie chemiczne (kwas azotowy,
nawozy sztuczne i rafinacja ropy naftowej)
• projektował fabryki chemiczne.
• opracował wysokonapięciowe kondensatory
produkowane we Fryburgu przez ok. 20 lat pod
nazwą kondensatorów Mościckiego.
WdWI 2013 PŁ
87
Napoleon Nikodem Cybulski (18541919)
• Twórca encefalografii.
• Badał zjawiska elektryczne w mięśniach, nerwach
i korze mózgowej. Wyniki badań tych zjawisk
stworzyły podłoże, na którym powstała
współczesna encefalografia.
• Autor wielu prac z zakresu fizjologii fizykalnej,
np.: – studia nad szybkością krążenia krwi przy pomocy fotochemo-tachometru (przyrządu własnego pomysłu), – zjawiska elektryczne w mięśniach, nerwach i w
korze mózgowej (ostatnie wspólnie z Beckiem),
– zastosowanie kondensatora przy badaniu
pobudliwości nerwów i mięśni, – badanie ciepłoty z pomocą mikrokalorymetru
WdWI
2013 PŁ itd.
88
własnego
pomysłu
Julian Ochorowicz (1850-1917)
• Pierwszy Polak zajmujący się przesyłaniem
obrazów na odległość.
• Filozof, lekarz, psycholog, literat, wynalazca.
• Zasada szeregowego analizowania i
odtwarzania obrazów podana przez niego
jest wykorzystywana we współczesnej TV.
• Pionier w dziedzinie telefonii  wynalazca
mikrofonów telefonu głośno-mówiącego.
• Eksperymentował w dziedzinie elektryczności i
elektromagnetyzmu oraz badał zjawiska z
zakresu parapsychologii, a zwłaszcza
hipnotyzmu i właściwości elektrycznych ciała
ludzkiego.
WdWI 2013 PŁ
89
Wiktor Biernacki (1869 - 1918)
• pionier polskiej radiotechniki.
• organizuje pracowni fizycznej w szkole
Wawelberga i Rotwanda.
• wyniki swoich badań publikuje, min. w:
– "Badania wstępne nad oporem iskry",
– "Promienie elektryczne",
– "O zachowaniu przewodników wobec
szybkich wahań magnetycznych".
• Jeden z pionierów radiologii w
Polsce
WdWI 2013 PŁ
90
Wielkości fizyczne i jednostki
Wielkość fizyczna: cecha zjawiska fizycznego
lub właściwość ciała, którą można
zmierzyć.
Przykłady:
napięcie elektryczne 1[U]=1V
admitancja (przewodność) 1[Y]=1S
natężenie pola magnetycznego 1[B]=1H
WdWI 2013 PŁ
91
Wielkości fizyczne i jednostki
Układ wielkości fizycznych
Zbiór wielkości fizycznych obejmujących
wszystkie lub niektóre dziedziny fizyki
WIELKOŚĆ PODSTAWOWA – umownie przyjęta
za niezależną od pozostałych
WIELKOŚĆ POCHODNA ->określana w
zależności od wielkości podstawowych
Jednostka miary wielkości fizycznej
 Wartość danej wielkości, której umownie
przyporządkowuje się wartość liczbową równą jedności
WdWI 2013 PŁ
92
Jednostki podstawowe układu SI
Jednostki podstawowe
Nr
Wielkość
Jednostka miary
nazwa
Definicja
oznaczenie
1 ......
Prąd
4 elektryczny
7 .......
amper
A
Jest to prąd elektryczny stały, który
płynąc w dwóch równoległych
prostoliniowych przewodach o przekroju
kołowym znikomo małym, umieszczonych
w próżni w odległości 1 m (metr) od
siebie wywołałyby między tymi
przewodami siłę 2*10-7 N na każdy metr
długości
WdWI 2013 PŁ
93
Wielokrotności jednostek miar
Przedrostek
Oznaczenie
Mnożnik
eksa
peta
tera
giga
mega
kilo
hekto
deka
E
P
T
G
M
k
h
da
1018
1015
1012
109
106
103
102
WdWI 2013 PŁ
101
94
Podwielokrotności jednostek miar
Przedrostek
Oznaczenie
Mnożnik
decy
centy
mili
mikro
nano
piko
femto
atto
d
c
m

n
p
f
a
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
WdWI 2013 PŁ
10-18
95
Rodzaje sił w przyrodzie (1)
A. Grawitacyjne  działające na wszystkie
obiekty posiadające masę
B. Elektromagnetyczne  między cząstkami
niosącymi ładunek elektryczny
C. Jądrowe silneodpowiedzialne za
spajanie jądra i nukleonów, działają tylko
we wnętrzu i maleją szybko z odległością
D. Jądrowe słabe ujawniają się wobec
cząstek bez ładunku (zwanych
neutrinami)
WdWI 2013 PŁ
96
Rodzaje sił w przyrodzie (2)
Główne zadanie współczesnej fizyki:
Opracowanie spójnej teorii ujmującej
wszystkie rodzaje odziaływań występujących
w przyrodzie.
Zadanie współczesnej elektrotechniki
teoretycznej:
Teoria sił elektromagnetycznych 
odpowiedzialnych za istnienie atomów i
wiązań międzyatomowych w cząsteczkach
WdWI 2013 PŁ
97
Rodzaje sił w przyrodzie (3)
Ogólna równowaga skupisk cząsteczek
dodatnich i ujemnych  brak oddziaływania
Zakłócenie równowagi  teoretyczna
możliwość wyzwolenia sił ‘ogromnych’:
 Jeśli każda z osób stojących blisko
siebie miałaby o 1% więcej ładunków
ujemnych niż dodatnich to siła
odpychania byłaby zdolna
zrównoważyć ciężar Ziemi!!!!!!!
WdWI 2013 PŁ
98
Rodzaje sił w przyrodzie (4)
Mechanizmy utrzymujące atomy w całości:
 Efekty kwantowe – zasada
nieoznaczoności (średni pęd tym większy
im bardziej ograniczony obszar)
Mechanizmy utrzymujące jądro atomu w
całości:
 Jądrowe siły nieelektryczne o małym
zasięgu (maleją szybciej niż 1/r2)
WdWI 2013 PŁ
99
Rodzaje sił w przyrodzie (wniosek)
Kombinacja sił elektrycznych i
efektów kwantowo-mechanicznych
określa szczegółową strukturę
substancji materialnych i ich
właściwości.
WdWI 2013 PŁ
100
Budowa materii (1)
• Cząsteczka (molekuła)
– Najmniejsza część danej substancji zdolna do
samodzielnego istnienia i zachowująca cechy
tej substancji
• Związek chemiczny jeśli składa się z kilku
atomów różnych
• Pierwiastek atomy jednakowe
• Atom
– Składa się z cząsteczek elementarnych
stanowiących najmniejszą ilość pierwiastka
WdWI 2013 PŁ
101
zdolną do samodzielnego
istnienia
Budowa materii (2)
• Teoria budowy atomu  Niels Bohr
• Dookoła jądra złożonego z protonów i
neutronów krążą elektrony (liczba
elektronów równa liczbie protonów 
atom elektrycznie obojętny)
• Elektrony (cząsteczki ujemne) układają się
w warstwy (powłoki)
• Od liczby elektronów w powłoce
zewnętrznej zależy elektroprzewodnictwo
WdWI 2013 PŁ
102
Uproszczony model poziomów energetycznych
• Elektrony otaczają jądro w
ściśle określonych powłokach
(poziomach energetycznych)
• Elektron aby zająć określoną
powłokę musi posiadać
odpowiednią energię, tym
większą im dalsza to
powłoka
• Powłokom odpowiadają
skwantowane poziomy
energetyczne (odległości
między poziomami maleją ze
wzrostem n)
WdWI 2013 PŁ
n=1
n=2
J¹ dro
103
n=3
Uproszczony model poziomów energetycznych.
Liczba kwantowa.
• Każdy elektron posiadający energię
większą od energii poziomów zwanych
kontinuum to tzw. elektron swobodny
• Elektrony dążą do minimalizacji energii,
czyli do obsadzania niższych poziomów
energetycznych
• To dążenie ogranicza zasada PAULIEGO
limitująca liczbę elektronów na danym
poziomie:
n=1
J¹ dro
W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH IDENTYCZNYCH
ELEKTRONÓW (TZN. ELEKTRONÓW POSIADAJĄCYCH
IDENTYCZNE KODY ZWANE
LICZBAMI
KWANTOWYMI)
WdWI 2013
PŁ
104
n=2
n=3
• ELEKTRONY I POZIOMY oznaczane są tzw.
Liczbami kwantowymi:
1) n => główna liczba kwantowa (poziom energetyczny)
2) l =>
orbitalna liczba kwantowa (kształt orbity)
3) ml => magnetyczna liczba kwantowa (określa kierunek orbity)
4) ms => spinowa liczba kwantowa (kierunek ruchu, czy
spin jest zgodny z ruchem wskazówek zegara)
Maksymalna liczba elektronów 2n2
POZIOMY ENERGETYCZNE ZAPEŁANIANE SĄ
SEKWENCYJNIE (OD NAJNIŻSZEGO);
NAJDALSZE MOGĄ NIE BYĆ ZAPEŁNIONE
CAŁKOWICIE
WdWI 2013 PŁ
105
Elektrony swobodne poruszają się w metalu ruchem
bezładnym.
Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu
ładunków elektrycznych przez dany przekrój poprzeczny
ciała przewodzącego pod wpływem pola elektrycznego
nazywamy prądem elektrycznym.
E
Jądro
atomowe
WdWI 2013 PŁ
106
Prąd elektryczny
Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym
ruchu ładunków
Wielkość skalarna będąca ilorazem elementarnego
ładunku przenoszonego przez dany przekrój
poprzeczny w ciągu ciągu pewnego czasu
elementarnego do tego czasu
dq
i( t ) 
dt
WdWI 2013 PŁ
107
Co to jest pole?
• Tam gdzie pojawiają się ładunki powstają
wzajemne odziaływania między nimi 
pole elektryczne
• POLE  STAN PRZESTRZENI
OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI
FIZYCZNYMI
• Rodzaje pól
– Skalarne
– Wektorowe
– Wektorowo-skalarne
WdWI 2013 PŁ
108
Poziomice
Zbocza gór
Obszary leśne
Temperatura
Kierunek wiatru
Prędkość zmian
WdWI 2013 PŁ
109
W danym punkcie przestrzeni pole opisane jest przez
pewną funkcję:
f  f ( x, y , z )
Pole może być płaskie lub przestrzenne.
Stałe wartości pola są wyznaczone przez
izopowierzchnie
lub
izolinie.
Pole wektorowe scharakteryzowane jest przez
.
wektor pola
v( x , y , z )
Liniami pola wektorowego nazywamy linie wyznaczające
kierunek pola.
Wektor pola jest w każdym punkcie styczny do linii pola.
WdWI 2013 PŁ
110
• POLE ELEKTRYCZNE  wywołane przez
ładunki elektryczne i charakteryzujące się tym, że na
nieruchome ciała naładowane umieszczone w nim
działa siła
• POLE ELEKTROSTATYCZNE pole
elektryczne wywołane przez nieruchome ładunki
• POLE MAGNETYCZNE  wytworzone przez
poruszające się ładunki elektryczne. Charakteryzuje
się tym, że na poruszające się w nim ciała
naładowane działa siła (magnetostatyczne:
wytworzone przez magnesy trwałe i przepływ prądu
stałego)
WdWI 2013 PŁ
111
Ładunek elektryczny(1)
To cecha cząstek elementarnych
powodująca, że podlegają one
działaniom elektromagnetycznym
• WŁAŚCIWOŚCI:
• Ładunki cząstek i ich układów stanowią
krotność ładunku elementarnego:
qel  e  1.60210 C
19
WdWI 2013 PŁ
112
Ładunek elektryczny (2)
• 1C (kulomb) jednostka ładunku
– to ładunek elektryczny jaki jest przenoszony w ciągu
jednej sekundy przez dany przekrój przewodu stałym
prądem 1 ampera
• Masa elekronu
me  9.10710 kg
31
WdWI 2013 PŁ
113
Ładunek elektryczny (3)
• Ładunek elektryczny cząstek nie zmienia swej
wartości podczas ruchu (nie zależy od
prędkości)
• Jako ładunek rozumiemy określoną liczbę
ładunków elementarnych
Prawo zachowania ładunku
• Wypadkowy ładunek układu odosobnionego
jest niezmienny
lub
• Suma algebraiczna ładunków w układzie
WdWI 2013 PŁ
114
odosobnionym jest stała
• Współczesna teoria pola
elektromagnetycznego opiera się na
mikrocząsteczkowej budowie materii
• Klasyczne, makroskopowe podejście do teorii
zjawisk elektromagnetycznych prowadzi do
uproszczonego ale często wystarczająco
dokładnego opisu zjawisk
• Zakładamy ciągły rozkład ładunku -ładunek
jest nieskończenie podzielny co umożliwia
wprowadzenie definicji gęstości ładunku
WdWI 2013 PŁ
115
Gęstość ładunku
• Jeżeli ładunek jest rozłożony równomiernie
w pewnym obszarze przestrzeni to można
zdefiniować gęstość objętościową ładunku
„ro”
q

V
ładunek
1q  1C
objętość
C
1   1 3
m
WdWI 2013 PŁ
1V   1m
116
3
Prawo Coulomba
wektor
jednostkowy
(wersor)
q2

1r
q1
r
WdWI 2013 PŁ
Odległość
ładunków
117
Prawo Coulomba

1 q1  q2 
F
 2  1r
4 r
q1 , q2
Ładunki punktowe


F
Przenikalność dielektryczna
środowiska
(bezwzględna)
WdWI 2013 PŁ
Siła oddziaływania
118
Prawo Coulomba (ładunki jednoimienne)
q1  0, q2  0
q1  0, q2  0
q1


F'   F
q2

1r

F
r
WdWI 2013 PŁ
119
Prawo Coulomba (ładunki różnoimienne)
q1  0, q2  0
q1  0, q2  0
q2

F
q1


F'   F
r
WdWI 2013 PŁ
120
Natężenie pola elektrycznego (1)
Siła oddziaływania na dany ładunek,
bez względu na to ile jeszcze innych
ładunków występuje i bez względu
na to ja się one poruszają, zależy
jedynie od
położenia danego ładunku,
jego prędkości
i jego wielkości.
WdWI 2013 PŁ
121
Wzór Lorentza (1)

  
F  q  E  v  B 


 
F  q  E  q  v  B

Fe
Odziaływanie pola
elektrycznego na ładunek

Fm
Odziaływanie pola magnetycznego
WdWI 2013 PŁ na ładunek w ruchu
122

  
Wzór Lorentza (2) F  q  E  v  B 
q

F

E

B
Ładunek punktowy
Siła oddziaływania na ładunek
Natężenie pola elektrycznego
Natężenie pola magnetycznego
WdWI 2013 PŁ
123

  
Wzór Lorentza (3) F  q  E  v  B 
 
vB

B

v

WdWI 2013 PŁ
124
Natężenie pola elektrycznego (def)
Natężeniem pola elektrycznego w
dowolnym punkcie, w którym pole
istnieje, nazywamy wielkość
wektorową, której wartość mierzymy
ilorazem siły działającej na
umieszczony w tym punkcie ładunek
próbny do wartości tego ładunku
WdWI 2013 PŁ
125
Natężenie pola elektrycznego (wzór)

 F
E
q
1F 
N
1E  
1 
1q 
C
N m
J
W s
1
1
1
C m
C m
A s  m
VA
V
1
1
A m
m


F
E  lim
q 0
q
WdWI 2013 PŁ
126
Pole elektryczne ładunku punktowego
Q0

1r
r

Qq

1
2
 F 4r r
Q 
E 

1
2 r
q
q
4r
P(x,y,z)
Ładunek próbny

E( x , y , z )
WdWI 2013 PŁ
127
Linie sił pola elektrycznego
Jednym ze sposobów graficznego
przedstawienia pola elektrycznego jest
wyrysowanie linii pola. Są to krzywe, do
których styczne w każdym punkcie
pokrywają się z kierunkiem natężenia
pola. (Po nich poruszałby się nie
zakłócający pola dodatni ładunek próbny.)
WdWI 2013 PŁ
128
Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego
(+)
+
WdWI 2013 PŁ
129
Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego
(-)
-
WdWI 2013 PŁ
130
Linie sił pola od dwóch równych ładunków
różnoimiennych
WdWI 2013 PŁ
131
Linie sił pola od dwóch równych ładunków dodatnich
WdWI 2013 PŁ
132
Polaryzacja
• Cząsteczka jako całość jest obojętna  ładunki elektronów
i jąder równoważą się
• Nie wyklucza to posiadania właściwości elektrycznych:
zastąpmy ładunki jąder wypadkowym ładunkiem +q i
umieśćmy go w środku ciężkości ładunków składowych;
podobnie ujemne ładunki zastąpmy ładunkiem -q
• Otrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o
momencie pe
q
q

pe
+
-
l
WdWI 2013 PŁ
133
Polaryzacja
q

pe
+

F1

E
l
q

F2
WdWI 2013 PŁ
134
Polaryzacja (cd)
• Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku
w stosunku do natężenia w próżni jest efektem
polaryzacji.
• Przy braku pola elektrycznego dielektryk jest obojętny
elektrycznie; w zewnętrznym polu dipole wytwarzające
własne pole elektryczne ustawiają się tak, że ich
wypadkowe pole przeciwdziała zewnętrznemu osłabiając
je. Stopień polaryzacji określa wektor polaryzacji
proporcjonalny do wektora natężenia pola
elektrycznego:



P  E   r o E
Podatność bezwzględna
WdWI 2013 PŁ
135
Wektor indukcji
• Wprowadźmy nową wielkość wektorową

 
D  oE  P




D   o E  E   o 1   r E


D   o r E
WdWI 2013 PŁ
r
136
Wektor indukcji (cd)


D   o r E
F V
1D  1 1E   1 1 
m m
C V
C
1

2
2
V m
m
WdWI 2013 PŁ
137
Wektor indukcji (interpretacja)
• W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane
(efekt polaryzacji)
• Pierwotnym źródłem pola są ładunki swobodne
• W dielektryku na pole ładunków swobodnych
nakłada się pole od ładunków związanych
• Wektor natężenia E odpowiada polu
wypadkowemu
• Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od
ładunków swobodnych (ale przy takim ich
rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka)
WdWI 2013 PŁ
138
Strumień indukcji
  DS
Wartość wektora
indukcji (prostopadła
do powierzchni S i stała
na całej powierzchni)
Pole powierzchni
przez którą
przenika wektor
indukcji

D
S
C
2
1   1D 1S   1 2 1m  1C
m
WdWI 2013 PŁ
139
Strumień indukcji w przypadku
ogólnym
 D
dS i
in
dSi
i

Di
S

m

i 1
 
Di dSi 
m
 D dS   D dS cos
m
in
i 1 WdWI 2013 PŁ
i
i
i 1
i
140
i
Strumień indukcji w przypadku ogólnym
Dla m  

m

 
Di dSi
i 1
 
  DdS

WdWI 2013 PŁS
Całka powierzchniowa
141
Prawo Gaussa
Strumień indukcji przez dowolną
powierzchnię zamkniętą równa się
sumie algebraicznej ładunków
elektrycznych obejmowanych przez tę
powierzchnię

S
 
DdS  Q
WdWI 2013 PŁ
142
Pole magnetostatyczne
• POLE MAGNETYCZNE  wytworzone
przez poruszające się ładunki
elektryczne. Charakteryzuje się tym, że
na poruszające się w nim ciała
naładowane działa siła
• POLE MAGNETOSTATYCZNE stałe w
czasie pole wytworzone przez magnesy
trwałe i przez prądy stałe.
WdWI 2013 PŁ
143
WdWI 2013 PŁ
144
Siły w polu magnetycznym

  
F  q  E  v  B 


 
F  q  E  q  v  B
Odziaływanie pola
magnetycznego na
ładunek w ruchu

Fm
Wb
1B   1T  1 2
m
Jednostka indukcji
magnetycznej
WdWI 2013 PŁ
145
Strumień magnetyczny 
dS i
dSi
i
 
dSn i Bi
 
di  Bi dSi  Bi dSni
S

n
 
i 1
n
i
 WdWI
d 2013 PŁ
 
  Bds

S
146
Bezźródłowość pola magnetycznego:
Linie pola magnetycznego są krzywymi
zamkniętymi wobec czego strumień
magnetyczny przez dowolną powierzchnię
zamkniętą jest równy zeru.

 
Bds  0
S
WdWI 2013 PŁ
147
Napięcie magnetyczne

lk
u 

n

k 1

Hk
 
H k lk
 
uk  H k lk
n
d
WdWI 2013 PŁ
u 

l AB
 
Hdl
148
Napięcie magnetyczne na odcinku
o stałym natężeniu
l


H k  H  const
k  1,2,....n

lk

H
u  AB  H
 0
l

lk 
AB
 Hl
WdWI 2013 PŁ
149
Prawo przepływu:
Napięcie magnetyczne wzdłuż dowolnej
zamkniętej krzywej l równa się
całkowitemu przepływowi przez
powierzchnię ograniczoną krzywą l.

l
S
WdWI 2013 PŁ
150
Ilustracja prawa przepływu
 
  i1  i2  i3  i4    Jds

S
WdWI 2013 PŁ
151
Natężenie i indukcja magnetyczna


B  H
przenikalność
magnetyczna
A
1H   1
m
Wielkość fizyczna charakteryzująca środowisko
ze względu na jego magnetyczne właściwości
H
o  4 10
m
7
przenikalność
magnetyczna
próżni
  o  r
H
1   1
m
WdWI 2013 PŁ
przenikalność
magnetyczna
152
względna
Istota magnetyzmu

m

lm


m  qm  lm
Ładunek magnetyczny
WdWI 2013 PŁ
153
mikroprądy
iI

B
e

pm
WdWI 2013 PŁ
154
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
Ruch magnesu
trwałego
Ruch obwodu z
Prądem stałym
Powstawanie napięcia w
uzwojeniu (przewodzie)
pod wpływem
jakiejkolwiek zmiany
strumienia magnetycznego
skojarzonego z tym
uzwojeniem.
Załączanie napięcia
w obwodzie

e
t
WdWI 2013 PŁ
155
Prawo Faradaya
d
d
e
 z
dt
dt
d
0
dt
Strumień skojarzony z
danym uzwojeniem

v
d
0
dt
Indukuje się siła
elektromotoryczna e o takim
zwrocie, że pole towarzyszące
przepływowi prądu zmniejsza
strumień skojarzony z ramką
WdWI 2013 PŁ
156
Prawo Faradaya (obwód otwarty)

B
e

v

B
x

B
l
Przewód o długości l przemieszcza się w czasie t na
odległość x, zmiana strumienia w tym czasie da się wyrazić
wzorem:
  B  S  B  l  x
WdWI 2013 PŁ
157
skąd:
 
Bl x
e

  Blv
t
t
WNIOSEK:
Wzór Faradaya jest uniwersalny i opisuje również zjawisko
indukowania się napięcia w przewodzie poruszającym się w
stałym polu magnetycznym (obwód otwarty)
Reguła wyznaczania zwrotu
napięcia e (strumień i zwrot
napięcia zgodne z rysunkiem)
WdWI 2013 PŁ
158
Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru
Lorentza):

v
l

B

B
+

FB
Pod wpływem siły Lorentza:

 
FB  qv  B
ładunki przemieszczą się (zgrupują); wytworzy się w
przewodzie pole elektryczne E równoważące działanie pola B
WdWI 2013 PŁ
159
Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru
Lorentza) (cd)

v
l

dl
-

B

E
+

 
E  v  B
 
vB

FB

FE
 
FB  FE  0

 
qv  B  qE  0
 
e  Edl 

l
e  vBl
WdWI 2013 PŁ

  
 v  B dl
l
160
Cewka w polu magnetycznym
1
2
3
z
1
2
3
z
Przy zmianie strumieni poszczególnych
zwojów indukują się w nich siły
elektromotoryczne (napięcia indukowane):
WdWI 2013 PŁ
d k
ek  
dt
k  1,2,...z
161
Indukcja wzajemna cewek
z2
z1
11  z111
21  z 2  21
 L1i1
 M 21i1
i1
i =0
2
Cewka 1
Cewka 2
d21
di1
u2 
 M 21
dt
dt
WdWI 2013 PŁ
162
22  z 2  22
12  z112
 L 2i 2
 M12i 2
i2
i 1= 0
z1 Cewka 1
d12
di 2
u1 
 M12
dt
dt
z 2 Cewka 2
WdWI 2013 PŁ
M12  M21  M
163
Siły elektrodynamiczne
• Siły oddziaływania na siebie przewodów wiodących
prąd.
• Rozpatrzmy dwa równoległe przewody
prostoliniowe 1 i 2 z prądami i1 oraz i2 w
środowisku jednorodnym (są one dostatecznie
długie)
• Przypomnienie: pole o indukcji B działa na
elementarny odcinek przewodnika z prądem z siłą:

 

 dl  
dF  dq    B   idl  B
 dt

WdWI 2013 PŁ
164
Siły elektrodynamiczne
L
i

dl


B
i1
 

dF  idl  B
WdWI 2013 PŁ
a
i2
165
Siły elektrodynamiczne (cd)
i1
a
a
i2
 
F' F

B21
i1
B12   0
2a

B12
i2
B21   0
2a
i1i2
F'  B21i1 L   0
L
22013
a PŁ
WdWI
i1i2
F  B12i2 L   0
L
2a
166
Superkondensator - budowa
•
W superkondensatorach nie zachodzą
reakcje chemiczne
•
Dużą pojemność uzyskujemy przez
zwiększenie powierzchni elektrod
•
Rolę dielektryka pełnią obszary styku
przewodzących elektrod
z przewodzącym elektrolitem
•
Separator uniemożliwia bezpośrednie
zwarcie elektryczne obu elektrod (nie jest
barierą dla jonów)
•
Na granicy elektrod i elektrolitu tworzą się
dwie warstwy, gdzie gromadzą się nośniki
WdWI 2013 PŁ
prądu
167
Superkondesator –
zasada
działania
• Suprkondensatorykondensatory elektrycznej
warstwy podwójnej
• Napięcie graniczne (około
3V)
powoduje ruch jonów
• Siły elektrostatyczne
porządkują układ jonów w
pobliżu elektrod
WdWI 2013 PŁ
168
Budowa elektrycznej warstwy
podwójnej
•
Podwójna warstwa elektryczna
składa się z dwóch części
warstwy adsorbcyjnej i
dyfuzyjnej.
Cząstkę możemy przedstawić
jako kondensator, którego jedną
okładką jest powierzchnia
cząstki, a druga okładka
rozciąga się na pewną odległość
w głąb cieczy.
WdWI 2013 PŁ
169
Ładowanie i rozładowanie
superkondensatora
•
Ładowanie i rozładowanie kondensatora zbudowanego z nanorurek.
Elektolit: 1.4 M TEABF4 w acetonitrylu.
•
E. Frackowiak et al. / Fuel Processing Technology 77– 78 (2002) 213–219
WdWI 2013 PŁ
170
Zalety superkondensatorów
• Duża trwałość (nawet 500000 cykli
ładowanie/rozładowanie)
• Prosty sposób ładowania (wprost ze źródła
napięcia)
• Brak składników szkodliwych dla
środowiska (Pb, Cd)
• Odporność na zwarcie
WdWI 2013 PŁ
171
Fakty o superkondensatorach
• są stosowane w module hamulcowym hybrydowego samochodu
Toyota Prius
• użyto ich w hybrydowym samochodzie VW z ogniwami
paliwowymi,
• zastosowane są także w opracowywanych od lat samochodach
Honda Civic IMA i FCX-V3,
• znajdują się we wprowadzonej przez firmę Nissan do sprzedaży
w Japonii hybrydowej ciężarówce elektryczno-dieslowskiej z
hamowaniem regeneracyjnym i wspomaganiem rozruchu,
• zostały zastosowane w lansowanym przez firmę Man
elektryczno-dieslowskim autobusie miejskim z regeneracyjnym
systemem hamulcowym,
• w wersji na napięcie 200V zostały użyte w hybrydowym BMW
WdWI 2013 PŁ
172
X5 do hamowania regeneracyjnego.