WdWI 2013 PŁ 1

WstWstęp do ęp do wspwspółczesnej inżynierii ółczesnej inżynierii

ElektrotechnikaElektrotechnika

2013

WdWI 2013 PŁ 2

Kontakt:Kontakt:

• Dr inż. Marek OssowskiDr inż. Marek Ossowski• mmarekarek.ossowski.ossowski@p.lodz.pl@p.lodz.pl• Zakład Zakład UkUkładów i Systemów ładów i Systemów

Nieliniowych Nieliniowych • Al.Politechniki 11 pok.14 IpAl.Politechniki 11 pok.14 Ip• Tel.(42) 6312515Tel.(42) 6312515• Tel 501673231 Tel 501673231 tylko w sprawach tylko w sprawach

niezwykle ważnych!!!!niezwykle ważnych!!!!

WdWI 2013 PŁ 3

Program wykładówProgram wykładów• WprowadzenieWprowadzenie

– InInżżynieria?ynieria?– Próba definicji „elektrotechniki”Próba definicji „elektrotechniki”– Przegląd historycznyPrzegląd historyczny– Elektrotechnika i społeczeństwoElektrotechnika i społeczeństwo

• Podstawowe prawa elektrotechnikiPodstawowe prawa elektrotechnikico należy wiedzieć aby próbować zrozumieć

współczesną technikę (Ładunek i pole elektryczne, prąd elektryczny, Ładunek i pole elektryczne, prąd elektryczny, pole magnetyczne i indukcja.....)pole magnetyczne i indukcja.....)

WdWI 2013 PŁ 4

Program wykładów (cd)• EnergetykaEnergetyka

– Sposoby wytwarzania i przesyłania energii elektrycznejSposoby wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej– Niekonwencjonalne rozwiązaniaNiekonwencjonalne rozwiązania– Problemy z magazynowaniem energiiProblemy z magazynowaniem energii

• Transport – współczesność i perspektywyTransport – współczesność i perspektywy– Projekt KDPProjekt KDP

• Przegląd wybranych dokonań współczesnej Przegląd wybranych dokonań współczesnej inżynierii ze szczególnym uwzględnieniem inżynierii ze szczególnym uwzględnieniem „wynalazków elektrotechnicznych”„wynalazków elektrotechnicznych”

WdWI 2013 PŁ 5

Warunki zaliczenia Warunki zaliczenia przedmiotu:przedmiotu:

a) pozytywnya) pozytywny wynik testu zaliczeniowego wynik testu zaliczeniowego (10pkt.) (10pkt.) sumarycznie >24pktsumarycznie >24pktb) obecność na wykładach (nieobecność = -1pkt)b) obecność na wykładach (nieobecność = -1pkt)

*nieobowi*nieobowiązkowa prezentacja „Wybrany ązkowa prezentacja „Wybrany problem wpółczesnej elektrotechniki”problem wpółczesnej elektrotechniki” – – momożżliwoliwość zaliczenia nieobecności ść zaliczenia nieobecności nieusprawiedliwionychnieusprawiedliwionych

WdWI 2013 PŁ 6

LiteraturaLiteratura

• 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 1i2Wykład 1i2• Inżynieria i elektrotechnika – Inżynieria i elektrotechnika –

podstawowe pojęciapodstawowe pojęcia• Rys historycznyRys historyczny

– Naukowcy i wynalazcyNaukowcy i wynalazcy– Zastosowania wiedzy Zastosowania wiedzy

elektrotechnicznejelektrotechnicznej• Polacy w elektrotechnicePolacy w elektrotechnice• Wielkości fizyczne i jednostki stosowane Wielkości fizyczne i jednostki stosowane

w elektrotechnicew elektrotechnice

WdWI 2013 PŁ 8

• Rodzaje sił w przyrodzieRodzaje sił w przyrodzie• Co to jest pole elektromagnetyczneCo to jest pole elektromagnetyczne• Podstawy pola elektrostatycznegoPodstawy pola elektrostatycznego

– Ładunek elektrycznyŁadunek elektryczny– Prawo CoulombaPrawo Coulomba– Wzór Lorentza Wzór Lorentza – Natężenie pola elektrycznegoNatężenie pola elektrycznego– Linie sił polaLinie sił pola

WdWI 2013 PŁ 9

– Zjawisko polaryzacji. IndukcjaZjawisko polaryzacji. Indukcja– StrumieStrumień indukcjiń indukcji– Prawo GaussaPrawo Gaussa

• Pole Pole magnetomagnetostatycznestatyczne– NatNatężenie i indukcjaężenie i indukcja– Siła LorentzaSiła Lorentza– Prawo Biota-SavartaPrawo Biota-Savarta– Strumień magnetycznyStrumień magnetyczny– Napięcie magnetyczne. Prawo przepływu Napięcie magnetyczne. Prawo przepływu

• Zjawisko indukcji elektromagnetycznejZjawisko indukcji elektromagnetycznej– Indukcja własna i wzajemnaIndukcja 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 technologiitechnologii.

• 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.

INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE

WdWI 2013 PŁ 12

Skąd te słowa? ETYMOLOGIA

• "inżynieria" i "inżynier" pochodzą od francuskich słów ingénieur oraz ingénierie– od starofrancuskiego terminu engigneorengigneor

oznaczającego konstruktora machin wojennych.• angielskie słowa engineeringengineering oraz engineer 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

– ImhotepImhotep, jeden z urzędników faraona DżeseraDżesera, 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 elektrykainżyniera elektryka uważa się – Williama Gilberta, który w roku 1600 w publikacji

De Magnete użył jako pierwszy terminu elektrycznośćelektryczność.

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 elektrycznaInżynieria 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 mechanicznejinżynierii 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 chemicznainżynieria 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 poznawczemechatroniki 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 elastycznośćelastyczność 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, aparaty elektryczne, •urządzenia elektryczne, urządzenia elektryczne, •instalacje elektryczne, instalacje elektryczne, •zabezpieczenia zabezpieczenia elektryczne, elektryczne, •maszyny elektryczne, maszyny elektryczne, •miernictwo elektryczne, miernictwo elektryczne, •automatyka, automatyka, •robotyka, robotyka, •mechatronika, mechatronika, •technika świetlna, technika świetlna, •elektrotermia.elektrotermia.

WdWI 2013 PŁ 39

Zagadnienia dotyczące elektryczności są działami fizyki oraz techniki:

W obrębie fizyki:W obrębie fizyki:•ElektrostatykaElektrostatyka - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi; nieruchomymi ładunkami elektrycznymi; •ElektrodynamikaElektrodynamika - obejmuje oddziaływania pomiędzy - obejmuje oddziaływania pomiędzy ruchomymi ładunkami, a w szczególności ruchomymi ładunkami, a w szczególności

– elektromagnetyzm elektromagnetyzm – prąd elektryczny prąd elektryczny

•MagnetyzmMagnetyzm - powstawanie oraz oddziaływanie pola - powstawanie oraz oddziaływanie pola magnetycznego na otoczenie magnetycznego na otoczenie

•..

WdWI 2013 PŁ 40

• W obrębie techniki:W obrębie techniki:

•ElektrotechnikaElektrotechnika – Elektroenergetyka Elektroenergetyka – Energoelektronika Energoelektronika

• Elektronika Elektronika – Technika świetlna Technika świetlna – Elektrotechnologie Elektrotechnologie

•MechatronikaMechatronika

WdWI 2013 PŁ 41

Organizacja Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Organizacja Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i AutomatykiInformatyki i Automatyki • Instytut Systemów Inżynierii ElektrycznejInstytut Systemów Inżynierii Elektrycznej• Instytut Automatyki Instytut Automatyki • Instytut Mechatroniki i Systemów InformatycznychInstytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych• Instytut ElektroenergetykiInstytut Elektroenergetyki• Instytut Elektroniki Instytut Elektroniki • Katedra Aparatów Elektrycznych Katedra Aparatów Elektrycznych • Katedra Elektrotechniki Ogólnej i Przekładników Katedra Elektrotechniki Ogólnej i Przekładników • Katedra Informatyki Stosowanej Katedra Informatyki Stosowanej • Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych • Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i

OptoelektronicznychOptoelektronicznych

WdWI 2013 PŁ 42

VI wiek p.n.e

VI w pne Grecja, właściwości VI w pne Grecja, właściwości rudy żelazna Ferudy żelazna Fe33OO44 przyciągania przedmiotów przyciągania przedmiotów żelaznychżelaznychprzyciąganie lekkich przyciąganie lekkich przedmiotów przez potarty przedmiotów przez potarty bursztynbursztynTales z Miletu Tales z Miletu opis opis zjawiskazjawiska

WdWI 2013 PŁ 43

Wiliam Gilbert1600 r „O magnesie, ciałach magnetycznych i o 1600 r „O magnesie, ciałach magnetycznych i o wielkim magnesie ziemskim”: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 lejdejskaPieter VAN MUSSCHEN-BROEKPieter VAN MUSSCHEN-BROEK

(1746)(1746)Naukowiec z kamienia pomorskiego KLEIST (1745) próba naelektryzowania gwoździa (skóra ręki-warstwa wilgoci wewnątrz kolby=pierwszy opisany kondensator)Arka przymierza1749 Watson naczynie oklejone folią cynkową

WdWI 2013 PŁ 45

Butelka lejdejskaNaczynie 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.

SKOK Wteraźniejszość

WdWI 2013 PŁ 46

Teoria zjawisk elektrycznychTeoria zjawisk elektrycznych

Benjamin Franklin (1706-1790)Benjamin Franklin (1706-1790) człowiek renesansuczłowiek renesansuUniwersalna „materia elektryczna”Uniwersalna „materia elektryczna”Pojęcie ciał naładowanych (dodatnio: Pojęcie ciał naładowanych (dodatnio: nadmiar materii elektrycznej; ujemnie nadmiar materii elektrycznej; ujemnie niedomiar) niedomiar)Elektryczna natura błyskawicy (1750)Elektryczna natura błyskawicy (1750)Wynalazca piorunochronu (Dalibard z Wynalazca piorunochronu (Dalibard z Francji chyba był pierwszy)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 Wyznaczył eksperymentalnie siłe oddziaływania na siebie ładunkówoddziaływania na siebie ładunkówWaga skrętnaWaga skrętnaŁadunek punktowy Ładunek punktowy definicja definicja (wymiary wielokrotnie mniejsze od (wymiary wielokrotnie mniejsze od odległości naładowanych ciał)odległości naładowanych ciał)

WdWI 2013 PŁ 49

Określenie siłę wzajemnego Określenie siłę wzajemnego oddziaływania dwóch naładowanych kuloddziaływania dwóch naładowanych kulZetknął trzecią nienaładowaną kulę z Zetknął trzecią nienaładowaną kulę z jedną z badanych (prawo zachowania jedną z badanych (prawo zachowania ładunku) zmniejszając jej ładunek o połowęładunku) zmniejszając jej ładunek o połowęZmieniając odległości 2,3,4 krotnie Zmieniając odległości 2,3,4 krotnie uzyskał 4,9,16 krotne zmniejszenie siły uzyskał 4,9,16 krotne zmniejszenie siły oddziaływaniaoddziaływania

rrqqkF 12

21

WdWI 2013 PŁ 50

Coulomb sformułował analogiczne prawo Coulomb sformułował analogiczne prawo ujmujące w zależności ilościowe ujmujące w zależności ilościowe oddziaływanie na siebie mas magnetycznychoddziaływanie na siebie mas magnetycznychDokonał przełomu otwierając okres Dokonał przełomu otwierając okres ilościowego określania wielkości ilościowego określania wielkości elektrycznychelektrycznych

WdWI 2013 PŁ 51

Narodziny elektrotecNarodziny elektrotechhniki 1786niki 1786Luigi Galvani Luigi Galvani włoski lekarz eksperymentujący z włoski lekarz eksperymentujący z żabimi udkami (fałszywe przekonanie o odkryciu żabimi udkami (fałszywe przekonanie o odkryciu elektryczności zwierzęcej)elektryczności zwierzęcej)Aleksander Volta (ur. 1745 w Como):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 52

Ogniwo VoltyOgniwo Volty

• Stos srebrnych i cynowych krążków przedzielonych zwilżonymi kawałkami sukna lub papieru pozwalający na uzyskanie ciągłego prądu elektrycznego

WdWI 2013 PŁ 53

Demonstracja ogniwa i zaszczytyDemonstracja 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 54

Hans Christian Oersted (ur.1777)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 55

Andre Maria Ampere (ur.1775)Andre Maria Ampere (ur.1775)

• Kontynuator prac Oersteda

• Wzajemne oddziaływanie przewodników z prądem zjawiska elektrodynamiczne

• Prekursor miernika prądu elektrycznego

WdWI 2013 PŁ 56

Georg Simon Ohm

„„Matematyczne ujęcie obwodu Matematyczne ujęcie obwodu elektrycznego” (1827)elektrycznego” (1827)Protesty innych naukowcówProtesty innych naukowców pozbawienie stanoiska wykładowcy w pozbawienie stanoiska wykładowcy w KoloniiKoloniiRehabilitacja po sześciu latach (dzięki Rehabilitacja po sześciu latach (dzięki Karolowi Gaussowi i Wilhelmowi Karolowi Gaussowi i Wilhelmowi Weberowi)Weberowi) RIU

WdWI 2013 PŁ 57

Michael Faraday

Zjawisko indukcji Zjawisko indukcji elektromagnetycznej (1831)elektromagnetycznej (1831)Model maszyny elektrycznejModel maszyny elektrycznejOdkrycie praw elektrolizy Odkrycie praw elektrolizy Koncepcja pól elektrycznych i Koncepcja pól elektrycznych i magnetycznychmagnetycznych„„Exegi monumentum aere Exegi monumentum aere perennius”perennius”

WdWI 2013 PŁ 58

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 AberdeenProfesor Kings College1871 profesor fizyki doświadczalnej w Cambridge

WdWI 2013 PŁ 59

James Clerk Maxwelldokonania:

1873: „Traktat o elektryczności i magnetyzmie” teoria fal elektromagnetycznych (doświadczalnie potwierdzona przez Hertza ) początek radiotechnikiOpisanie i uogólnienie wszystkich znanych dotąd zjawisk elektromagnetycznych.

WdWI 2013 PŁ 60

Równania Maxwella:

trot

DJH

trot

BE

ED HB

1863

WdWI 2013 PŁ 61

Fale elektromagnetyczne

WdWI 2013 PŁ 62

Fale elektromagnetyczne

E

H

WdWI 2013 PŁ 63

WdWI 2013 PŁ 64

Inne znane i ważne postacie:James JouleJames Joule (GB) 1818-89 prawo dotyczące wydzielania ciepła podczas przepływu prąduHeinrich Emil LenzHeinrich Emil Lenz (D) 1804-85 zasady elektrodynamikiHerman HelmholtzHerman Helmholtz (D) 1824-94 prawo zachowania energii, uzupełnienie teorii Maxwella, teoria elektrolizyGustaw KirchhoffGustaw Kirchhoff (D) 1824-77 twórca teorii obwodów elektrycznychHendrik LorentzHendrik Lorentz (NL) 1853-1928 podstawy elektromagnetycznej teorii światła

WdWI 2013 PŁ 65

Wybrane zastosowania elektryczności:Silnik elektryczny Silnik elektryczny FaradaySamowzbudne maszyny elektryczne Samowzbudne maszyny elektryczne Werner SiemensPrądy trójfazowe Prądy trójfazowe Doliwo-DobrowolskiSilnik indukcyjny dwufazowy Silnik indukcyjny dwufazowy N.TeslaOgniwa i akumulatory Ogniwa i akumulatory Volta, Kirchhoff, Bunsen

AKUMULATORAKUMULATOR Gaston Plante (ołowiany 1860), Tomasz Edison (zasadowy)

OświetlenieOświetlenie Lampa łukowa Paweł Mikołajewicz

WdWI 2013 PŁ 66

Wybrane zastosowania elektryczności: Żarówka Żarówka 1879 Tomasz Edison

Przesyłanie energii na odległość 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)TelekomunikacjaTelekomunikacja

Telegraf Paweł Szyling Klucz telegraficzny Samuel Morse, Joseph

Henry

WdWI 2013 PŁ 67

1838 TELEGRAF

Samuel E.B. Morse wykorzystuje odkryte w 1820 Przez Ch.Oersteda właściwości elektromagnetyzmu

WdWI 2013 PŁ 68

Wybrane zastosowania elektryczności:Telekomunikacja (cd)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)Światłowód (Tyndall 1870, Wheeler 1880) Laser 1957...............Laser 1957...............

WdWI 2013 PŁ 69

1873 Telefon

Graham Bell (1847-1922) Patent z 1876 roku

WdWI 2013 PŁ 70

Radio 1865Konstruktorpierwszego radiaG.Marconi

WdWI 2013 PŁ 71

TUBA Z MEMBRANĄ

RUCHOMA MEMBRANA MODULUJE ŚWIATŁO

WIĄZKA ŚWIATŁA

~ 200 METRÓW

PROSTOWNIK SELENOWY GŁOŚNIK

Rys.4 Doświadczenie G.Bella

Reflektor

Trochę o koncepcji światłowodu

WdWI 2013 PŁ 72Rys.5 Doświadczenie Johna Tyndalla

1870

WdWI 2013 PŁ 73

1880

WdWI 2013 PŁ 74

n1 RDZEŃ

n2 < n1 Płaszcz

Propagacja promieni świetlnych wzdłuż światłowodu

WdWI 2013 PŁ 75

ŚWIATŁOWÓD –POJĘCIA PODSTAWOWE

•ŚWIATŁOWÓD jest (na ogół) cylindrycznym falowodem dielektrycznym wykonanym z niskostratnego materiału (np. szkła kwarcowego)

WdWI 2013 PŁ 76

Dygresja : światło laserowe

• LIGT AMPLIFICATION BY THE SIMULATED EMISSION OF RADIATION

• ŚWIATŁA WZMACNIANIE WYMUSZONĄ EMISJĄ PROMIENIOWANIA

WdWI 2013 PŁ 77

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

J¹ dro

n=1

n=2 n=3 n=4

1e

8e

2e

0e

fhE podswzb EEhc

WdWI 2013 PŁ 78

Emisja wymuszona

• Ta sama energia, długość fali, kierunek ruchu, faza i polaryzacja

FOTON

STAN WZBUDZENIA

FOTONWZBUDZAJ¥ CY

STAN PODSTAWOWY

FOTONWZBUDZONY

2hE

Z zasady nieoznaczonościHeisenberga:

Czas życia stanuwzbudzonego

WdWI 2013 PŁ 79

Cząstka o dwóch poziomach energetycznych.Kiedy dominuje emisja wymuszona?

• Warunek dominacji emisji wymuszonej:

E N

EMISJA

E N1 1

2 2

WZBUDZANIE

12 NN

WdWI 2013 PŁ 80

Wzmocnienie uzyskamy jeśli doprowadzimy do tzw.inwersji obsadzeń

WdWI 2013 PŁ 81

Dioda laserowa

WdWI 2013 PŁ 82

Laser He-Ne Nastawa precyzyjna luster

Zwierciado Brewstera

Stabilne kovarove pytki lustra

Zwierciado o wys. wsp odbicia.

Zbiornik gazu

Strumieńwyjściowy

Osłona aluminiowa

Katoda

Mieszanka gazowa

Anoda

Zasilanie prądowo sterowane

Osłona lusterSoczewka

kolimacyjna

Izolacja antywstrząs

owa

WdWI 2013 PŁ 83

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 elektroencefalografii)

WdWI 2013 PŁ 84

Józef Herman Osiński, w zakonie Kazimierz (1738-

1802) • 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 85

Michał Doliwo-Dobrowolski(1862-1919)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 86

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 87

Ignacy Mościcki (1867-1946) - prezydent RP (VI 1926 - IX 1939)

• inżynier chemik, profesor elektrochemii, wynalazca

• wielkie zasługi w dziedzinie elektrotechniki wielkie zasługi w dziedzinie elektrotechniki (technika wysokich napięć i ochrona (technika wysokich napięć i ochrona przepięciowa)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 88

Napoleon Nikodem Cybulski (1854-1919)

• 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 foto-

chemo-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

własnego pomysłu itd.

WdWI 2013 PŁ 89

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 90

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 91

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]=1Snatężenie pola magnetycznego 1[B]=1H

WdWI 2013 PŁ 92

Wielkości fizyczne i jednostkiUkład wielkości fizycznychZbiór wielkości fizycznych obejmujących wszystkie lub niektóre dziedziny fizyki

WIELKOŚĆ PODSTAWOWA – umownie przyjęta za niezależną od pozostałychWIELKOŚĆ POCHODNA ->określana w

zależności od wielkości podstawowychJednostka miary wielkości fizycznej

Wartość danej wielkości, której umownie Wartość danej wielkości, której umownie przyporządkowuje się wartość liczbową równą jednościprzyporządkowuje się wartość liczbową równą jedności

WdWI 2013 PŁ 93

Jednostki podstawowe układu SIJednostki podstawowe układu SIJednostki podstawoweJednostki podstawowe

Nr WielkośćJednostka miary

DefinicjaDefinicjanazwa oznaczenie

1 ......

4 Prąd elektryczny 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

7 .......

WdWI 2013 PŁ 94

Wielokrotności jednostek miarWielokrotności jednostek miar

Przedrostek OznaczenieOznaczenie Mnożnik

eksaeksa EE 1018

petapeta PP 1015

teratera TT 1012

gigagiga GG 109

megamega MM 106

kilokilo kk 103

hektohekto hh 102

dekadeka dada 101

WdWI 2013 PŁ 95

Podwielokrotności jednostek miarPodwielokrotności jednostek miar

Przedrostek OznaczenieOznaczenie Mnożnik

decydecy dd 10-1

centycenty cc 10-2

milimili mm 10-3

mikromikro 10-6

nanonano nn 10-9

pikopiko pp 10-12

femtofemto ff 10-15

attoatto aa 10-18

WdWI 2013 PŁ 96

Rodzaje sił w przyrodzie (1)

A.A. Grawitacyjne Grawitacyjne działające na wszystkie działające na wszystkie obiekty posiadające masęobiekty posiadające masę

B.B. Elektromagnetyczne Elektromagnetyczne między cząstkami między cząstkami niosącymi ładunek elektrycznyniosącymi ładunek elektryczny

C.C. Jądrowe silneJądrowe silneodpowiedzialne za odpowiedzialne za spajanie jądra i nukleonów, działają tylko spajanie jądra i nukleonów, działają tylko we wnętrzu i maleją szybko z odległościąwe wnętrzu i maleją szybko z odległością

D.D. Jądrowe słabeJądrowe słabe ujawniają się wobec ujawniają się wobec cząstek bez ładunku (zwanych cząstek bez ładunku (zwanych neutrinami)neutrinami)

WdWI 2013 PŁ 97

Rodzaje sił w przyrodzie (2)

Główne zadanie współczesnej fizyki:Główne zadanie współczesnej fizyki:Opracowanie spójnej teorii ujmującej Opracowanie spójnej teorii ujmującej wszystkie rodzaje odziaływań występujących wszystkie rodzaje odziaływań występujących w przyrodzie.w przyrodzie.

Zadanie współczesnej elektrotechniki Zadanie współczesnej elektrotechniki teoretycznej:teoretycznej:Teoria sił elektromagnetycznych Teoria sił elektromagnetycznych odpowiedzialnych za istnienie atomów i odpowiedzialnych za istnienie atomów i wiązań międzyatomowych w cząsteczkachwiązań międzyatomowych w cząsteczkach

WdWI 2013 PŁ 98

Rodzaje sił w przyrodzie (3)Ogólna równowaga skupisk cząsteczek Ogólna równowaga skupisk cząsteczek dodatnich i ujemnych dodatnich i ujemnych brak oddziaływania brak oddziaływaniaZakłócenie równowagi Zakłócenie równowagi teoretyczna teoretyczna możliwość wyzwolenia sił ‘ogromnych’: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 99

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 100

Rodzaje sił w przyrodzie (wniosek)

Kombinacja sił elektrycznych i Kombinacja sił elektrycznych i efektów kwantowo-mechanicznych efektów kwantowo-mechanicznych określa szczegółową strukturę określa szczegółową strukturę substancji materialnych i ich substancji materialnych i ich właściwości.właściwości.

WdWI 2013 PŁ 101

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 zdolną do samodzielnego istnienia

WdWI 2013 PŁ 102

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 103

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)

J¹ dro

n=1 n=2n=3

WdWI 2013 PŁ 104

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:

J¹ dro

n=1 n=2n=3

W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH IDENTYCZNYCHELEKTRONÓW (TZN. ELEKTRONÓW POSIADAJĄCYCHIDENTYCZNE KODY ZWANE LICZBAMI KWANTOWYMI)

WdWI 2013 PŁ 105

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

• ELEKTRONY I POZIOMY oznaczane są tzw. Liczbami kwantowymi:

1) n => główna liczba kwantowa (poziom energetyczny)

2) l => orbitalna liczba kwantowa (kształt orbity)

POZIOMY ENERGETYCZNE ZAPEŁANIANE SĄ SEKWENCYJNIE (OD NAJNIŻSZEGO);NAJDALSZE MOGĄ NIE BYĆ ZAPEŁNIONE CAŁKOWICIE

WdWI 2013 PŁ 106

E

Jądro Jądro atomoweatomowe

Elektrony swobodne poruszają się w metalu ruchem bezładnym.Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu ładunków ładunków elektrycznych przez dany przekrój poprzeczny ciała przewodzącego pod wpływem pola elektrycznego nazywamy prądem elektrycznym.prądem elektrycznym.

WdWI 2013 PŁ 107

Prąd elektryczny

Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu ładunkówruchu ładunków

Wielkość skalarna będąca ilorazem elementarnego Wielkość skalarna będąca ilorazem elementarnego ładunku przenoszonego przez dany przekrój ładunku przenoszonego przez dany przekrój poprzeczny w ciągu ciągu pewnego czasu poprzeczny w ciągu ciągu pewnego czasu elementarnego do tego czasuelementarnego do tego czasu

dtdq)t(i

WdWI 2013 PŁ 108

Co to jest pole?• Tam gdzie pojawiają się ładunki powstają

wzajemne odziaływania między nimi pole elektryczne

• POLE STAN PRZESTRZENI STAN PRZESTRZENI OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI FIZYCZNYMI FIZYCZNYMI

• Rodzaje pól– Skalarne– Wektorowe– Wektorowo-skalarne

WdWI 2013 PŁ 109

PoziomiceZbocza górObszary leśne

TemperaturaKierunek wiatruPrędkość zmian

WdWI 2013 PŁ 110

W danym punkcie przestrzeni pole opisane jest przez pewną funkcję: ),,( zyxff

Pole może być płaskie lub przestrzenne.Stałe wartości pola są wyznaczone przez izopowierzchnielub izolinie.

Pole wektorowe scharakteryzowane jest przezwektor pola )z,y,x(v .

Liniami pola wektorowego nazywamy linie wyznaczające kierunek pola. Wektor pola jest w każdym punkcie styczny do linii pola.

WdWI 2013 PŁ 111

• POLE ELEKTRYCZNEPOLE ELEKTRYCZNE wywołane przez ładunki elektryczne i charakteryzujące się tym, że na nieruchome ciała naładowane umieszczone w nim działa siła

• POLE ELEKTROSTATYCZNEPOLE ELEKTROSTATYCZNE pole elektryczne wywołane przez nieruchome ładunki

• POLE MAGNETYCZNEPOLE 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 112

Ładunek elektryczny(1)

• WŁAŚCIWOŚCI:• Ładunki cząstek i ich układów stanowią

krotność ładunku elementarnego:

To cecha cząstek elementarnych powodująca, że podlegają one działaniom elektromagnetycznym

C.eqel19106021

WdWI 2013 PŁ 113

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

kg.me31101079

WdWI 2013 PŁ 114

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 ładunkuPrawo zachowania ładunku• Wypadkowy ładunek układu odosobnionego

jest niezmiennylub• Suma algebraiczna ładunków w układzie

odosobnionym jest stała

WdWI 2013 PŁ 115

• 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 116

Gęstość ładunku• Jeżeli ładunek jest rozłożony równomiernie

w pewnym obszarze przestrzeni to można zdefiniować gęstość objętościową ładunkugęstość objętościową ładunku

Vq

„ro”

311mC

ładunek

Cq 11

objętość

311 mV

WdWI 2013 PŁ 117

Prawo Coulomba

r

1q

2q

r1

Odległośćładunków

wektorjednostkowy

(wersor)

WdWI 2013 PŁ 118

Prawo Coulomba

rrqqF 1

41

221

21 q,q Ładunki punktowe

Przenikalność dielektrycznaśrodowiska

(bezwzględna)

F

Siła oddziaływania

WdWI 2013 PŁ 119

Prawo Coulomba (ładunki jednoimienne)

r

1q

2q

r1

0000

21

21

q,qq,q

F

F'F

WdWI 2013 PŁ 120

Prawo Coulomba (ładunki różnoimienne)

r

1q

2q0000

21

21

q,qq,q

F

F'F

WdWI 2013 PŁ 121

Natężenie pola elektrycznego (1)

Siła oddziaływania na dany ładunek, Siła oddziaływania na dany ładunek, bez względu na to ile jeszcze innych bez względu na to ile jeszcze innych ładunków występuje i bez względu ładunków występuje i bez względu na to ja się one poruszają, zależy na to ja się one poruszają, zależy jedynie odjedynie od

położenia położenia danego ładunku,danego ładunku,jegojego prędkości prędkościi jegoi jego wielkości. wielkości.

WdWI 2013 PŁ 122

Wzór Lorentza (1)

BvEqF

BvqEqF

eF

Odziaływanie pola elektrycznego na ładunek

mF

Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu

WdWI 2013 PŁ 123

Wzór Lorentza (2) BvEqF

q Ładunek punktowy

F

Siła oddziaływania na ładunek

E

Natężenie pola elektrycznego

B

Natężenie pola magnetycznego

WdWI 2013 PŁ 124

Wzór Lorentza (3) BvEqF

B

v

Bv

WdWI 2013 PŁ 125

Natężenie pola elektrycznego (def)

Natężeniem pola elektrycznego w Natężeniem pola elektrycznego w dowolnym punkcie, w którym pole dowolnym punkcie, w którym pole istnieje, nazywamy wielkość istnieje, nazywamy wielkość wektorową, której wartość mierzymy wektorową, której wartość mierzymy ilorazem siły działającej na ilorazem siły działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek umieszczony w tym punkcie ładunek próbny próbny do wartości tego ładunkudo wartości tego ładunku

WdWI 2013 PŁ 126

Natężenie pola elektrycznego (wzór)

qFE

qFlimE

q

0

mV

mAAV

msAsW

mCJ

mCmN

CN

qFE

11

111

1111

WdWI 2013 PŁ 127

Pole elektryczne ładunku punktowego

P(x,y,z)

0Q

)z,y,x(E

r1

rr

r

rQ

qr

Qq

qFE 1

4

14

2

2

Ładunek próbny

WdWI 2013 PŁ 128

Linie sił pola elektrycznego

Jednym ze sposobów graficznego Jednym ze sposobów graficznego przedstawienia pola elektrycznego jest przedstawienia pola elektrycznego jest wyrysowanie wyrysowanie linii polalinii pola. Są to krzywe, do . Są to krzywe, do których styczne w każdym punkcie których styczne w każdym punkcie pokrywają się z kierunkiem natężenia pokrywają się z kierunkiem natężenia pola. (Po nich poruszałby się nie pola. (Po nich poruszałby się nie zakłócający pola dodatni ładunek próbny.)zakłócający pola dodatni ładunek próbny.)

WdWI 2013 PŁ 129

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (+)

+

WdWI 2013 PŁ 130

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (-)

-

WdWI 2013 PŁ 131

Linie sił pola od dwóch równych ładunków różnoimiennych

WdWI 2013 PŁ 132

Linie sił pola od dwóch równych ładunków dodatnich

WdWI 2013 PŁ 133

Polaryzacja• Cząsteczka jako całość jest obojętna ładunki elektronów

i jąder równoważą się• Nie wyklucza to posiadania właściwości elektrycznych:

zastąpmy ładunki jąder wypadkowym ładunkiem +q +q i umieśćmy go w środku ciężkości ładunków składowych; podobnie ujemne ładunki zastąpmy ładunkiem -q -q

• Otrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o Otrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o momencie pmomencie pee

+ -

qq

ep l

WdWI 2013 PŁ 134

Polaryzacja+

-

q

qep

l

1F

2F

E

WdWI 2013 PŁ 135

Polaryzacja (cd)• Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku

w stosunku do natężenia w próżni jest efektem w stosunku do natężenia w próżni jest efektem polaryzacji.polaryzacji.

• Przy braku pola elektrycznego dielektryk jest obojętny Przy braku pola elektrycznego dielektryk jest obojętny elektrycznie; w zewnętrznym polu dipole wytwarzające elektrycznie; w zewnętrznym polu dipole wytwarzające własne pole elektryczne ustawiają się tak, że ich własne pole elektryczne ustawiają się tak, że ich wypadkowe pole przeciwdziała zewnętrznemu osłabiając wypadkowe pole przeciwdziała zewnętrznemu osłabiając je. Stopień polaryzacji określa wektor polaryzacji je. Stopień polaryzacji określa wektor polaryzacji proporcjonalny do wektora natężenia pola proporcjonalny do wektora natężenia pola elektrycznego:elektrycznego:

EEP or

Podatność bezwzględna

WdWI 2013 PŁ 136

Wektor indukcji• Wprowadźmy nową wielkość wektorowąWprowadźmy nową wielkość wektorową

PED o

EEED roo

1

rED ro

WdWI 2013 PŁ 137

Wektor indukcji (cd)

ED ro

221

11111

mC

mVVC

mV

mFED

WdWI 2013 PŁ 138

Wektor indukcji (interpretacja)• W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane

(efekt polaryzacji)(efekt polaryzacji)• Pierwotnym źródłem pola są ładunki swobodnePierwotnym źródłem pola są ładunki swobodne• W dielektryku na pole ładunków swobodnych W dielektryku na pole ładunków swobodnych

nakłada się pole od ładunków związanychnakłada się pole od ładunków związanych• Wektor natężenia E odpowiada polu Wektor natężenia E odpowiada polu

wypadkowemuwypadkowemu• Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od

ładunków swobodnych (ale przy takim ich ładunków swobodnych (ale przy takim ich rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka)rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka)

WdWI 2013 PŁ 139

Strumień indukcji

SD

CmmCSD 111111 2

2

Wartość wektoraindukcji (prostopadła

do powierzchni S i stała na całej powierzchni)

Pole powierzchni przez którą

przenika wektor indukcji

S

D

WdWI 2013 PŁ 140

StrumieStrumień indukcji w przypadku ogólnymń indukcji w przypadku ogólnym

m

iii SdD

1

S

iD

idSiSd

i

m

iini dSD

1

niD

normalna

i

m

iii cosdSD

1

WdWI 2013 PŁ 141

StrumieStrumień indukcji w przypadku ogólnymń indukcji w przypadku ogólnym

m

iii SdD

1

mDla

S

SdD

Całka powierzchniowa

WdWI 2013 PŁ 142

Prawo GaussaPrawo Gaussa

S

QSdD

Strumień indukcji przez dowolną Strumień indukcji przez dowolną powierzchnię zamkniętą równa się powierzchnię zamkniętą równa się sumie algebraicznej ładunków sumie algebraicznej ładunków elektrycznych obejmowanych przez tę elektrycznych obejmowanych przez tę powierzchniępowierzchnię

WdWI 2013 PŁ 143

Pole magnetostatyczne

• POLE MAGNETYCZNEPOLE MAGNETYCZNE wytworzone przez poruszające się ładunki elektryczne. Charakteryzuje się tym, że na poruszające się w nim ciała naładowane działa siła

• POLE MAGNETOSTATYCZNEPOLE MAGNETOSTATYCZNE stałe w czasie pole wytworzone przez magnesy trwałe i przez prądy stałe.

WdWI 2013 PŁ 144

WdWI 2013 PŁ 145

Siły w polu magnetycznym BvEqF

BvqEqF

mFOdziaływanie pola

magnetycznego na ładunek w ruchu

2111

mWbTB Jednostka indukcji

magnetycznej

WdWI 2013 PŁ 146

StrumieStrumień magnetycznyń magnetyczny

n

ii

1

S

iB

idSiSd

i

inSd

normalnainiiii dSBSdBd

dn

S

sdB

WdWI 2013 PŁ 147

Bezźródłowość pola magnetycznego:Bezźródłowość pola magnetycznego:

0S

sdB

Linie pola magnetycznego są krzywymi zamkniętymi wobec czego strumień magnetyczny przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest równy zeru.

WdWI 2013 PŁ 148

Napięcie magnetyczne

kl

kH

kk lHuk

n

kkk lHu

1

d

n

ABl

ldHu

WdWI 2013 PŁ 149

Napięcie magnetyczne na odcinku

Hl

lHuAB

kAB

n,....,kconstHH k

21

l

o stałym natężeniu

kl

0

H

l

WdWI 2013 PŁ 150

Prawo przepływu:Napięcie magnetyczne wzdłuż dowolnej zamkniętej krzywej l równa się całkowitemu przepływowi przez powierzchnię ograniczoną krzywą l.

l

S

WdWI 2013 PŁ 151

Ilustracja prawa przepływu

S

sdJiiii 4321

WdWI 2013 PŁ 152

Natężenie i indukcja magnetyczna

HB

mAH 11

przenikalnośćmagnetyczna

ro

mH11

Wielkość fizyczna charakteryzująca środowisko ze względu na jego magnetyczne właściwości

przenikalnośćmagnetyczna

próżni

przenikalnośćmagnetyczna

względna

mH

o7104

WdWI 2013 PŁ 153

Istota magnetyzmum

ml

mm lqm

Ładunek magnetyczny

WdWI 2013 PŁ 154

mikroprądy

mp

Ii e

B

WdWI 2013 PŁ 155

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Powstawanie napięcia w uzwojeniu (przewodzie) pod wpływem jakiejkolwiek zmiany strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem.

Załączanie napięciaw obwodzie

Ruch magnesutrwałego

Ruch obwodu z Prądem stałym

te

WdWI 2013 PŁ 156

Prawo FaradayaStrumień skojarzony z danym uzwojeniem

dtdz

dtde

0dtd

Indukuje się siła elektromotoryczna e o takim zwrocie, że pole towarzyszące przepływowi prądu zmniejsza strumień skojarzony z ramką

0dtd

v

WdWI 2013 PŁ 157

Prawo Faradaya (obwód otwarty)

xPrzewód o długości l przemieszcza się w czasie t na odległość x, zmiana strumienia w tym czasie da się wyrazić wzorem:

B v B

B

l

xlBSB

e

WdWI 2013 PŁ 158

skąd:

WNIOSEK:Wzór Faradaya jest uniwersalny i opisuje również zjawisko indukowania się napięcia w przewodzie poruszającym się w stałym polu magnetycznym (obwód otwarty)

BlvtxBl

te

Reguła wyznaczania zwrotu napięcia e (strumień i zwrot napięcia zgodne z rysunkiem)

WdWI 2013 PŁ 159

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza):

B vl

B

+

BF

Pod wpływem siły Lorentza: BvqFB

ładunki przemieszczą się (zgrupują); wytworzy się w przewodzie pole elektryczne E równoważące działanie pola B

WdWI 2013 PŁ 160

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza) (cd)

B

vl

+E

BF

-

EF

ld

0 EB FF

0 EqBvq

BvE

ldBvldEel l

Bv vBle

WdWI 2013 PŁ 161

Cewka w polu magnetycznym

1 2 3 z1 2 3 z

Przy zmianie strumieni poszczególnych zwojów indukują się w nich siły elektromotoryczne (napięcia indukowane):

z,...,kdt

de kk

21

WdWI 2013 PŁ 162

i1

i = 02

Cewka 1 Cewka 2

1z 2z

121

21221

iMz

dtdiM

dtdu 1

2121

2

11

11111

iLz

Indukcja wzajemna cewek

WdWI 2013 PŁ 163

Cewka 1 Cewka 21z 2z

22

22222

iLz

dtdiM

dtdu 2

1212

1

212

12112

iMz

i1i = 0 2

MMM 2112

WdWI 2013 PŁ 164

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:

BlidBdtlddqFd

WdWI 2013 PŁ 165

Siły elektrodynamiczne

BlidFd

i

ld

B

1i 2ia

L

WdWI 2013 PŁ 166

Siły elektrodynamiczne (cd)

1i 2ia

a

'F

F

21B

12B

aiB

2

1012

aiB

2

2021

La

iiLiBF

2

210212 L

aiiLiB'F

2

210121

WdWI 2013 PŁ 167

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 prądu

WdWI 2013 PŁ 168

Superkondesator – zasada

działania• Suprkondensatory-

kondensatory elektrycznej warstwy podwójnej

• Napięcie graniczne (około 3V)powoduje ruch jonów

• Siły elektrostatyczne porządkują układ jonów w pobliżu elektrod

WdWI 2013 PŁ 169

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 170

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 171

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 172

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 X5 do hamowania regeneracyjnego.