1 1 Wstęp do współczesnej inżynierii Elektrotechnika 201 6

2 2 Kontakt: Dr inż. Marek OssowskiDr inż. Marek Ossowski [email protected]@[email protected]@p.lodz.pl Zakład Układów i Systemów NieliniowychZakład Układów i Systemów Nieliniowych Al.Politechniki 11 pok.14 IpAl.Politechniki 11 pok.14 Ip Tel.(42) 6312515Tel.(42) 6312515 Tel 501673231  tylko w sprawach niezwykle ważnych!!!!Tel 501673231  tylko w sprawach niezwykle ważnych!!!!

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

4 4 Program wykładów (cd) EnergetykaEnergetyka –Sposoby wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej –Niekonwencjonalne rozwiązania –Problemy z magazynowaniem energii Transport – współczesność i perspektywyTransport – współczesność i perspektywy –Projekt KDP –projekty Przegląd wybranych dokonań współczesnej inżynierii ze szczególnym uwzględnieniem „wynalazków elektrotechnicznych”Przegląd wybranych dokonań współczesnej inżynierii ze szczególnym uwzględnieniem „wynalazków elektrotechnicznych”

5 5 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

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

7 7 Wykład 1i2 Inżynieria i elektrotechnika – podstawowe pojęciaInżynieria i elektrotechnika – podstawowe pojęcia Rys historycznyRys historyczny –Naukowcy i wynalazcy –Zastosowania wiedzy elektrotechnicznej Polacy w elektrotechnicePolacy w elektrotechnice Wielkości fizyczne i jednostki stosowane w elektrotechniceWielkości fizyczne i jednostki stosowane w elektrotechnice

8 8 Rodzaje sił w przyrodzieRodzaje sił w przyrodzie Co to jest pole elektromagnetyczneCo to jest pole elektromagnetyczne Podstawy pola elektrostatycznegoPodstawy pola elektrostatycznego –Ładunek elektryczny –Prawo Coulomba –Wzór Lorentza –Natężenie pola elektrycznego –Linie sił pola

9 9 –Zjawisko polaryzacji. Indukcja –Strumień indukcji –Prawo Gaussa Pole magnetostatycznePole magnetostatyczne –Natężenie i indukcja –Siła Lorentza –Prawo Biota-Savarta –Strumień magnetyczny –Napięcie magnetyczne. Prawo przepływu Zjawisko indukcji elektromagnetycznejZjawisko indukcji elektromagnetycznej –Indukcja własna i wzajemna

10 10 Inżynieria ??? działalność polegająca na –projektowaniu, –konstrukcji, –modyfikacji –i utrzymaniu technologii 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.

11 WdWI 2015 PŁ11 Inżynier ??? osoba wykorzystująca – wyobraźnię –doświadczenie, –umiejętność oceny –rozumowanie, –własną wiedzę do projektowania, tworzenia, eksploatacji i usprawnienia użytecznych maszyn oraz procesów. INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE

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

13 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.

14 14 Cd historii inżynierii Najstarszy znany z imienia inżynier ImhotepDżesera – 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. inżyniera elektrykaZa pierwszego inżyniera elektryka uważa się elektryczność –Williama Gilberta, który w roku 1600 w publikacji De Magnete użył jako pierwszy terminu elektryczność.

15 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.

16 16 inżynierii mechanicznej 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.Mechanizm z Antykithiry –śruba Archimedesa, przenośnik śrubowyśruba Archimedesa

17 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.

18 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)

19 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.

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

21 21 MECHATRONIKA PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE SYSTEMOWEGO WIDZENIA RZECZYWISTOŚCI MECHATRONIKA –dział inżynierii systemów. –synergiczna agregacja inżynierii mechanicznej, elektrycznej, elektronicznej i informacyjnej.

22 22 Lekcja natury Wymiary i perspektywy poznawcze mechatroniki jako części inżynierii systemów

23 23 Ewolucja mechatroniki z techniki mechanicznej Elektrotechnika

24 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!!!!

25 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.modelu matematycznego 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.matematycznych algorytmów optymalizacji

26 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. Omiń aksjomaty WdWI 2015 PŁ

27 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.

28 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.

29 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.

30 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. elastycznośćZ 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.

31 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.

32 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

33 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 2015 PŁ

34 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 2015 PŁ

35 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.

36 WdWI 2015 PŁ36 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.

37 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 2015 PŁ

38 38 WYBRANE DZIEDZINY ELEKTROTECHNIKI : aparatyaparaty elektryczne, urządzeniaurządzenia elektryczne, instalacjeinstalacje elektryczne, zabezpieczeniazabezpieczenia elektryczne, maszynymaszyny elektryczne, miernictwomiernictwo elektryczne, automatyka,automatyka, robotyka,robotyka, mechatronika,mechatronika, technikatechnika świetlna, elektrotermia.elektrotermia. WdWI 2015 PŁ

39 39 Zagadnienia dotyczące elektryczności są działami fizyki oraz techniki:W obrębie fizyki: ElektrostatykaElektrostatyka - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi; ElektrodynamikaElektrodynamika - obejmuje oddziaływania pomiędzy ruchomymi ładunkami, a w szczególności –elektromagnetyzm –prąd –prąd elektryczny MagnetyzmMagnetyzm - powstawanie oraz oddziaływanie pola magnetycznego na otoczenie WdWI 2015 PŁ

40 40 W obrębie techniki: ElektrotechnikaElektrotechnika –Elektroenergetyka –Energoelektronika ElektronikaElektronika –Technika –Technika świetlna –Elektrotechnologie MechatronikaMechatronika WdWI 2015 PŁ

41 41 Organizacja Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Instytut Systemów Inżynierii ElektrycznejInstytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Instytut AutomatykiInstytut Automatyki Instytut Mechatroniki i Systemów InformatycznychInstytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Instytut ElektroenergetykiInstytut Elektroenergetyki Instytut ElektronikiInstytut Elektroniki Katedra Aparatów ElektrycznychKatedra Aparatów Elektrycznych Katedra Elektrotechniki Ogólnej i PrzekładnikówKatedra Elektrotechniki Ogólnej i Przekładników Katedra Informatyki StosowanejKatedra Informatyki Stosowanej Katedra Mikroelektroniki i Technik InformatycznychKatedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i OptoelektronicznychKatedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych

42 42 VI wiek p.n.e  VI  VI w pne Grecja, właściwości rudy żelazna Fe 3 O 4 przyciągania przedmiotów żelaznych  przyciąganie  przyciąganie lekkich przedmiotów przez potarty bursztyn  Tales  Tales z Miletu opis zjawiska WdWI 2015 PŁ

43 43 Wiliam Gilbert  1600  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 2015 PŁ

44 44 Butelka lejdejska  Pieter  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 2015 PŁ

45 45 Butelka lejdejska Naczynie ze szkła wypełnione wodą i zatkane korkiem który był przebity na wylot miedzianym drutem. Butelkę można było naładować elektrycznie stykając pręt z naładowanym ciałem. Poprzez drut i wodę prąd dostawał się do środka naczynia i ładował dodatnio lub ujemnie jego wewnętrzne ścianki. Pojemność elektryczną można zwiększyć pokrywając szkło od zewnątrz i wewnątrz folią przewodzącą prąd, oraz przedłużając drut tak, aby zetknął się z zewnętrzną warstwą folii.szkłamiedzianym SKOK W teraźniejszość WdWI 2015 PŁ

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

47 WdWI 2015 PŁ47 Pierwsze eksperymenty Charles August Coulomb (F) 1736-1806 + + -

48 48 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 2015 PŁ

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

50 50  Coulomb sformułował analogiczne prawo ujmujące w zależności ilościowe oddziaływanie na siebie mas magnetycznych  Dokonał przełomu otwierając okres ilościowego określania wielkości elektrycznych WdWI 2015 PŁ

51 51 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 2015 PŁ

52 52 Ogniwo Volty Stos srebrnych i cynowych krążków przedzielonych zwilżonymi kawałkami sukna lub papieru pozwalający na uzyskanie ciągłego prądu elektrycznego WdWI 2015 PŁ

53 53 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 2015 PŁ

54 54 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

55 55 Andre Maria Ampere (ur.1775) Kontynuator prac Oersteda Wzajemne oddziaływanie przewodników z prądem  zjawiska elektrodynamiczneWzajemne oddziaływanie przewodników z prądem  zjawiska elektrodynamiczne Prekursor miernika prądu elektrycznego

56 56 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)

57 57 Michael Faraday  Zjawisko  Zjawisko Zjawisko indukcji elektromagnetycznej (1831)  Model  Model maszyny elektrycznej  Odkrycie  Odkrycie praw elektrolizy  Koncepcja  Koncepcja pól elektrycznych i magnetycznych  „Exegi  „Exegi monumentum aere perennius” WdWI 2015 PŁ

58 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 Aberdeen  Profesor Kings College  1871 profesor fizyki doświadczalnej w Cambridge WdWI 2015 PŁ

59 59 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 2015 PŁ

60 60 Równania Maxwella: 1863 WdWI 2015 PŁ

61 61 Fale elektromagnetyczne WdWI 2015 PŁ

62 62 Fale elektromagnetyczne WdWI 2015 PŁ

63 63

64 64 Inne znane i ważne postacie:  James Joule  James Joule (GB) 1818-89 prawo dotyczące wydzielania ciepła podczas przepływu prądu  Heinrich Emil Lenz  Heinrich Emil Lenz (D) 1804-85 zasady elektrodynamiki  Herman Helmholtz  Herman Helmholtz (D) 1824-94 prawo zachowania energii, uzupełnienie teorii Maxwella, teoria elektrolizy  Gustaw Kirchhoff  Gustaw Kirchhoff (D) 1824-77 twórca teorii obwodów elektrycznych  Hendrik Lorentz  Hendrik Lorentz (NL) 1853-1928 podstawy elektromagnetycznej teorii światła Hendrik Lorentz Hendrik Lorentz WdWI 2015 PŁ

65 65 Wybrane zastosowania elektryczności:  Silnik elektryczny  Silnik elektryczny Faraday  Samowzbudne maszyny elektryczne  Samowzbudne maszyny elektryczne Werner Siemens  Prądy trójfazowe  Prądy trójfazowe Doliwo-Dobrowolski  Silnik indukcyjny dwufazowy  Silnik indukcyjny dwufazowy N.Tesla  Ogniwa i akumulatory  Ogniwa i akumulatory Volta, Kirchhoff, Bunsen  AKUMULATOR   AKUMULATOR  Gaston Plante (ołowiany 1860), Tomasz Edison (zasadowy)  Oświetlenie  Lampa łukowa  Paweł Mikołajewicz WdWI 2015 PŁ

66 66 Wybrane zastosowania elektryczności:  Żarówka  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 2015 PŁ

67 67 1838 TELEGRAF Samuel E.B. Morse wykorzystuje odkryte w 1820 Przez Ch.Oersteda właściwości elektromagnetyzmu WdWI 2015 PŁ

68 68 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 2015 PŁ

69 69 1873 Telefon Graham Bell (1847- 1922) Patent z 1876 roku WdWI 2015 PŁ

70 70 Radio 1865 Konstruktor pierwszego radia G.Marconi WdWI 2015 PŁ

71 71 Trochę o koncepcji światłowodu

72 WdWI 2015 PŁ72 Rys.5 Doświadczenie Johna Tyndalla 1870

73 73 1880 WdWI 2015 PŁ

74 74 Propagacja promieni świetlnych wzdłuż światłowodu WdWI 2015 PŁ

75 75 ŚWIATŁOWÓD –POJĘCIA PODSTAWOWE ŚWIATŁOWÓD jest (na ogół) cylindrycznym falowodem dielektrycznym wykonanym z niskostratnego materiału (np. szkła kwarcowego)

76 76 Dygresja : światło laserowe LIGT AMPLIFICATION BY THE SIMULATED EMISSION OF RADIATION ŚWIATŁA WZMACNIANIE WYMUSZONĄ EMISJĄ PROMIENIOWANIA WdWI 2015 PŁ

77 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

78 78 Emisja wymuszona Ta sama energia, długość fali, kierunek ruchu, faza i polaryzacja Z zasady nieoznaczoności Heisenberga: Czas życia stanu wzbudzonego WdWI 2015 PŁ

79 79 Cząstka o dwóch poziomach energetycznych. Kiedy dominuje emisja wymuszona? Warunek dominacji emisji wymuszonej:

80 80 Wzmocnienie uzyskamy jeśli doprowadzimy do tzw. inwersji obsadzeń WdWI 2015 PŁ

81 81 Dioda laserowa WdWI 2015 PŁ

82 82 Laser He-Ne Nastawa precyzyjna luster Zwierciado Brewstera Stabilne kovarove pytki lustra Zwierciado o wys. wsp odbicia. Zbiornik gazu Strumień wyjściowy Osłona aluminiowa Katoda Mieszanka gazowa Anoda Zasilanie prądowo sterowane Osłona luster Soczewka kolimacyjna Izolacja antywstrząs owa WdWI 2015 PŁ

83 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 WdWI 2015 PŁ

84  Julian Ochorowicz  człowiek renesansu (przesyłanie obrazów, mikrofon, właściwości elektryczne organizmu)  Napoleon Nikodem Cybulski (fizjolog, twórca elektroencefalografii)  Roman Podoski ->> pionier kolejnictwa  Janusz Groszkowski  pionier radiotechniki i elektroniki 84WdWI 2015 PŁ

85 85 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 2015 PŁ

86 86 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 2015 PŁ

87 87 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 2015 PŁ

88 88 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)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 2015 PŁ

89 89 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 2015 PŁ

90 90 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 2015 PŁ

91 91 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 2015 PŁ

92 Roman Podoski (1873-1954) Pionier elektryfikacji polskich kolei. Urodzony w Dąbrowicach k. Lwowa w polskiej rodzinie ziemiańskiej. W 1918r. opracował pierwszy projekt elektryfikacji kolei w Polsce. Inicjator Biura Studiów Elektryfikacji Kolei w Polsce. W 1929 r. opracował szczegółowy nowoczesny projekt wstępny elektryfikacji kolejowego węzła warszawskiego prądem stałym o napięciu 3000 woltów. Profesor Politechniki Warszawskiej od 1919 r. - wykładał Kolejnictwo Elektryczne. Po II wojnie światowej brał udział w opracowywaniu perspektywicznego planu elektryfikacji kolei w PRL. 92WdWI 2015 PŁ

93 Janusz Groszkowski (1898-1984) Pionier radiotechniki i elektroniki Urodzony w Warszawie. Absolwent, a później profesor Politechniki Warszawskiej. Doktor honoris causa Politechniki Warszawskiej (1962). Organizator Instytutu Radiotechniki (1934) i Przemysłowego Instytutu Telekomunikacji. Inicjator (1937) pierwszych polskich prób telewizji. Prowadził badania w dziedzinie wytwarzania i stabilizacji drgań elektrycznych wysokiej częstotliwości oraz technologii wysokiej próżni. Prezes Polskiej Akademii Nauk (1962-71). W latach dwudziestych był: - współzałożycielem Warszawskiego Radioklubu, - pierwszym prezesem Polskiego Związku Krótkofalarskiego, - prezesem Stowarzyszenia Elektryków Polskich (SEP). 93WdWI 2015 PŁ

94 94 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 2015 PŁ

95 95 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 2015 PŁ

96 96 Jednostki podstawowe układu SI Jednostki podstawowe Nr Wielkość Jednostka miary Definicja nazwa oznaczenie 1...... 4 Prąd elektryczn y amperA 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 2015 PŁ

97 97 Wielokrotności jednostek miar Przedrostek Oznaczenie Mnożnik eksaE 10 18 petaP 10 15 teraT 10 12 gigaG 10 9 megaM 10 6 kilok 10 3 hektoh 10 2 dekada 10 1 WdWI 2015 PŁ

98 98 Podwielokrotności jednostek miar Przedrostek Oznaczenie Mnożnik decyd 10 -1 centyc 10 -2 milim 10 -3 mikro 10 -6 nanon 10 -9 pikop 10 -12 femtof 10 -15 attoa 10 -18 WdWI 2015 PŁ

99 99 Rodzaje sił w przyrodzie (1) A.Grawitacyjne A.Grawitacyjne działające na wszystkie obiekty posiadające masę B.Elektromagnetyczne B.Elektromagnetyczne między cząstkami niosącymi ładunek elektryczny C.Jądrowe C.Jądrowe silne  odpowiedzialne silne  odpowiedzialne za spajanie jądra i nukleonów, działają tylko we wnętrzu i maleją szybko z odległością D.Jądrowe D.Jądrowe słabe  słabe  ujawniają się wobec cząstek bez ładunku (zwanych neutrinami) WdWI 2015 PŁ

100 100 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 2015 PŁ

101 101 Rodzaje sił w przyrodzie (3)  Ogólna  Ogólna równowaga skupisk cząsteczek dodatnich i ujemnych brak oddziaływania  Zakłócenie  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 2015 PŁ

102 102 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/r 2 ) WdWI 2015 PŁ

103 103 Rodzaje sił w przyrodzie (wniosek)  Kombinacja  Kombinacja sił elektrycznych i efektów kwantowo-mechanicznych określa szczegółową strukturę substancji materialnych i ich właściwości. WdWI 2015 PŁ

104 104 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 2015 PŁ

105 105 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 2015 PŁ

106 106 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 2015 PŁ

107 107 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: W ATOMIE NIE MOŻE BYĆ DWÓCH IDENTYCZNYCH ELEKTRONÓW (TZN. ELEKTRONÓW POSIADAJĄCYCH IDENTYCZNE KODY ZWANE LICZBAMI KWANTOWYMI) WdWI 2015 PŁ

108 108 3) m l =>magnetyczna liczba kwantowa (określa kierunek orbity) 4) m s => spinowa liczba kwantowa (kierunek ruchu, czy spin jest zgodny z ruchem wskazówek zegara) Maksymalna liczba elektronów 2n 2 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 POZIOMY ENERGETYCZNE ZAPEŁANIANE SĄ SEKWENCYJNIE (OD NAJNIŻSZEGO); NAJDALSZE MOGĄ NIE BYĆ ZAPEŁNIONE CAŁKOWICIE

109 109 E Jądro atomowe Elektrony swobodne poruszają się w metalu ruchem bezładnym. ładunków prądem elektrycznym. Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu ładunków elektrycznych przez dany przekrój poprzeczny ciała przewodzącego pod wpływem pola elektrycznego nazywamy prądem elektrycznym. WdWI 2015 PŁ

110 110 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

111 111 Co to jest pole? Tam gdzie pojawiają się ładunki powstają wzajemne odziaływania między nimi  pole elektryczne STAN PRZESTRZENI OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI FIZYCZNYMIPOLE  STAN PRZESTRZENI OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI FIZYCZNYMI Rodzaje pól –Skalarne –Wektorowe –Wektorowo-skalarne WdWI 2015 PŁ

112 112 Poziomice Zbocza gór Obszary leśne Temperatura Kierunek wiatru Prędkość zmian

113 113 W danym punkcie przestrzeni pole opisane jest przez pewną funkcję: Pole może być płaskie lub przestrzenne. Stałe wartości pola są wyznaczone przez izopowierzchnie lub izolinie. Pole wektorowe scharakteryzowane jest przez wektor pola. Liniami pola wektorowego nazywamy linie wyznaczające kierunek pola. Wektor pola jest w każdym punkcie styczny do linii pola. WdWI 2015 PŁ

114 114 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 2015 PŁ

115 115 Ładunek elektryczny(1) WŁAŚCIWOŚCI: Ładunki cząstek i ich układów stanowią krotność ładunku elementarnego: To cecha cząstek elementarnych powodująca, że podlegają one działaniom elektromagnetycznym

116 116 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 WdWI 2015 PŁ

117 117 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 odosobnionym jest stała WdWI 2015 PŁ

118 118 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 2015 PŁ

119 119 Gęstość ładunku gęstość objętościową ładunkuJeżeli ładunek jest rozłożony równomiernie w pewnym obszarze przestrzeni to można zdefiniować gęstość objętościową ładunku „ro” ładunek objętość

120 120 Prawo Coulomba r Odległość ładunków wektor jednostkowy (wersor) WdWI 2015 PŁ

121 121 Prawo Coulomba Ładunki punktowe Przenikalność dielektryczna środowiska (bezwzględna) Siła oddziaływania WdWI 2015 PŁ

122 122 Prawo Coulomba (ładunki jednoimienne) r WdWI 2015 PŁ

123 123 Prawo Coulomba (ładunki różnoimienne) r WdWI 2015 PŁ

124 124 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 2015 PŁ

125 125 Wzór Lorentza (1) Odziaływanie pola elektrycznego na ładunek Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu

126 126 Wzór Lorentza (2) Ładunek punktowy Siła oddziaływania na ładunek Natężenie pola elektrycznego Natężenie pola magnetycznego WdWI 2015 PŁ

127 127 Wzór Lorentza (3) WdWI 2015 PŁ

128 128 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 2015 PŁ

129 129 Natężenie pola elektrycznego (wzór)

130 130 Pole elektryczne ładunku punktowego P(x,y,z) r Ładunek próbny WdWI 2015 PŁ

131 131 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 2015 PŁ

132 132 Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (+) + WdWI 2015 PŁ

133 133 Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (-) - WdWI 2015 PŁ

134 134 Linie sił pola od dwóch równych ładunków różnoimiennych

135 WdWI 2015 PŁ135 Linie sił pola od dwóch równych ładunków dodatnich

136 136 Polaryzacja Cząsteczka jako całość jest obojętna  ładunki elektronów i jąder równoważą się +q -qNie 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 p eOtrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o momencie p e +- WdWI 2015 PŁ

137 137 Polaryzacja + - WdWI 2015 PŁ

138 138 Polaryzacja (cd) Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku w stosunku do natężenia w próżni jest efektem polaryzacji.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: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: Podatność bezwzględna

139 139 Wektor indukcji Wprowadźmy nową wielkość wektorowąWprowadźmy nową wielkość wektorową WdWI 2015 PŁ

140 140 Wektor indukcji (cd)

141 141 Wektor indukcji (interpretacja) W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane (efekt polaryzacji)W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane (efekt polaryzacji) Pierwotnym źródłem pola są ładunki swobodnePierwotnym źródłem pola są ładunki swobodne W dielektryku na pole ładunków swobodnych nakłada się pole od ładunków związanychW dielektryku na pole ładunków swobodnych nakłada się pole od ładunków związanych Wektor natężenia E odpowiada polu wypadkowemuWektor natężenia E odpowiada polu wypadkowemu Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od ładunków swobodnych (ale przy takim ich rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka)Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od ładunków swobodnych (ale przy takim ich rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka) WdWI 2015 PŁ

142 142 Strumień indukcji Wartość wektora indukcji (prostopadła do powierzchni S i stała na całej powierzchni) Pole powierzchni przez którą przenika wektor indukcji S

143 WdWI 2015 PŁ143 Strumień indukcji w przypadku ogólnym S normalna

144 WdWI 2015 PŁ144 Strumień indukcji w przypadku ogólnym Całka powierzchniowa 

145 WdWI 2015 PŁ145 Prawo Gaussa Strumień indukcji przez dowolną powierzchnię zamkniętą równa się sumie algebraicznej ładunków elektrycznych obejmowanych przez tę powierzchnię

146 146 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 2015 PŁ

147 147

148 148 Siły w polu magnetycznym Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu Jednostka indukcji magnetycznej WdWI 2015 PŁ

149 149 Strumień magnetyczny S normalna WdWI 2015 PŁ

150 150 Bezźródłowość pola magnetycznego: Linie pola magnetycznego są krzywymi zamkniętymi wobec czego strumień magnetyczny przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest równy zeru. WdWI 2015 PŁ

151 151 Napięcie magnetyczne WdWI 2015 PŁ

152 152 Napięcie magnetyczne na odcinku o stałym natężeniu WdWI 2015 PŁ

153 153 Prawo przepływu: Napięcie magnetyczne wzdłuż dowolnej zamkniętej krzywej l równa się całkowitemu przepływowi przez powierzchnię ograniczoną krzywą l. WdWI 2015 PŁ

154 154 Ilustracja prawa przepływu WdWI 2015 PŁ

155 155 Natężenie i indukcja magnetyczna przenikalność magnetyczna Wielkość fizyczna charakteryzująca środowisko ze względu na jego magnetyczne właściwości przenikalność magnetyczna próżni przenikalność magnetyczna względna

156 WdWI 2015 PŁ156 Istota magnetyzmu Ładunek magnetyczny

157 157 mikroprądy WdWI 2015 PŁ

158 158 Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Powstawanie napięcia w uzwojeniu (przewodzie) pod wpływem jakiejkolwiek zmiany strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem. Załączanie napięcia w obwodzie Ruch magnesu trwałego Ruch obwodu z Prądem stałym WdWI 2015 PŁ

159 159 Prawo Faradaya Strumień skojarzony z danym uzwojeniem Indukuje się siła elektromotoryczna e o takim zwrocie, że pole towarzyszące przepływowi prądu zmniejsza strumień skojarzony z ramką WdWI 2015 PŁ

160 160 Prawo Faradaya (obwód otwarty) Przewód o długości l przemieszcza się w czasie  t na odległość  x, zmiana strumienia w tym czasie da się wyrazić wzorem: WdWI 2015 PŁ

161 161 skąd: 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 2015 PŁ

162 162 Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza): + Pod wpływem siły Lorentza: ładunki przemieszczą się (zgrupują); wytworzy się w przewodzie pole elektryczne E równoważące działanie pola B WdWI 2015 PŁ

163 163 Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza) (cd) + - WdWI 2015 PŁ

164 164 Cewka w polu magnetycznym 1 2 3 z Przy zmianie strumieni poszczególnych zwojów indukują się w nich siły elektromotoryczne (napięcia indukowane):

165 165 Cewka 1Cewka 2 Indukcja wzajemna cewek WdWI 2015 PŁ

166 166 Cewka 1Cewka 2 WdWI 2015 PŁ

167 167 Siły elektrodynamiczne Siły oddziaływania na siebie przewodów wiodących prąd. Rozpatrzmy dwa równoległe przewody prostoliniowe 1 i 2 z prądami i 1 oraz i 2 w środowisku jednorodnym (są one dostatecznie długie) Przypomnienie: pole o indukcji B działa na elementarny odcinek przewodnika z prądem z siłą:

168 168 Siły elektrodynamiczne WdWI 2015 PŁ

169 169 Siły elektrodynamiczne (cd)

170 170 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 2015 PŁ

171 171 Superkondesator – zasada działania Suprkondensatory- kondensatory elektrycznej warstwy podwójnej Napięcie graniczne (około 3V) powoduje ruch jonów Siły elektrostatyczne porządkują układ jonów w pobliżu elektrod WdWI 2015 PŁ

172 172 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 2015 PŁ

173 173 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 2015 PŁ

174 174 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 2015 PŁ

175 175 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. WdWI 2015 PŁ