Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

4. MATERIAà NAUCZANIA, Notatki z Elektrotechnika

Jak zdefiniować prawo Ohma dla prądu przemiennego? 6. Jak wyjaśnić co to jest reaktancja cewki i kondensatora? 7. Co to jest impedancja i reaktancja obwodu RLC?

Typologia: Notatki

2022/2023

Załadowany 24.02.2023

kujon_86
kujon_86 🇵🇱

4.8

(6)

112 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz 4. MATERIAà NAUCZANIA i więcej Notatki w PDF z Elektrotechnika tylko na Docsity! 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Pole elektryczne i kondensatory 4.1.1. Materiał nauczania Zgodnie z prawem ustalonym przez Coulomba siła F, z jaką na każdy z dwóch ładunków punktowych Q; i Q» działa ich wspólne pole elektryczne, jest proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r między nimi. Przenikalność elektryczna bezwzględna £=€,E, - 1 -p|F 8 - 3 gdzie: e, =————,=8,85-10 | — |-stała elektryczna zwana też przenikalnością 4n-9-10 m elektryczną próżni e, —przenikalność elektryczna względna środowiska. Przenikalność elektryczna próżni e, jest jedną ze stałych fizycznych, a jej wartość została określona w układzie SI i ma wymiar farada na metr. Przenikalność elektryczna względna podaje nam, ile razy przenikalność określonego środowiska jest większa od przenikalności próżni. Przenikalność względna jest wielkością bezwymiarową. Natężenie pola elektrycznego Zgodnie z prawem Coulomba na ładunek próbny q działa siła F. Siła F, określona wzorem, jest proporcjonalna do wartości ładunku ,, próbnego ”. Natężenie pola elektrycznego w dowolnym punkcie, w którym istnieje pole elektryczne, jest wielkością wektorową, w której wartość mierzymy stosunkiem siły działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek ,, próbny ” do wartości tego ładunku. Równanie jednostek można napisać umownie w postaci [EJ=FIN_Nm_ J | W:s _V [q] € Cm C:m A:'s'm m Jeżeli w każdym punkcie pola elektrycznego wektor natężenia pola E ma ten sam zwrot i tę samą wartość ( tę samą miarę ), to pole takie nazywamy polem równomiernym. Potencjał i napięcie elektryczne Można wykazać, że praca wykonana wzdłuż dowolnej drogi zamkniętej przechodzącej przez punkty A i B jest zawsze równa zeru. Jest to jedna z podstawowych własności pola elektrycznego. Stosunek pracy AW , którą wykonałyby siły pola elektrycznego przy przemieszczeniu ładunku „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 7 „próbnego” dodatniego q z punktu A do punktu B, do wartości tego ładunku nazywamy e - . AW napięciem elektrycznym między punktami U „=——. Ponieważ praca wykonana przy przemieszczaniu ładunku AW = FAI=E:q:Al U„=U=E-A/ IU] _V [EJ [AI] m Potencjałem elektrycznym w punkcie A pola elektrycznego nazywamy stosunek pracy wykonanej przez przemieszczenie ładunku „ próbnego ” q z punktu A do punktu położonego w nieskończoności, do ładunku „, próbnego ” q, czyli AW; PAS = q Analogicznie potencjał w punkcie B AW bo Pp 7 q AW =AW,,„-AW,,, to U,= EA = Ace _APa = 04 OB q q q Jednostką potencjału, podobnie jak jednostką napięcia, jest I wolt [ 1 V ]. Miejsce geometryczne punktów o równym potencjale nazywamy powierzchnią równego potencjału lub powierzchnią ekwipotencjalną. Powierzchnie ekwipotencjalne w polu ładunku punktowego tworzą koncentryczne powierzchnie kuliste. Kondensatory Kondensatorem nazywamy urządzenie składające się z dwóch przewodników zwanych okładzinami, rozdzielonych dielektrykiem. Pojemność kondensatora C_ jest cechą charakterystyczną (kondensatora) określającą jego zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego. Rys. 1. Kondensator płaski ( przekrój poprzeczny ) [1, s. 94] Pojemność kondensatora płaskiego można obliczyć ze wzoru: C= ze gdzie: C — pojemność kondensatora w [F], S — powierzchnia okładziny w [m], e - przenikalność bezwzględna dielektryka [| » d — odstęp między okładzinami w m. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 8 4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 W jednorodne pole elektrostatycznego filtra powietrza dostały się naładowane cząsteczki kurzu. Natężenie pola w filtrze wynosi 50kV/m, a zgromadzony ładunek ma wartość 3-10 7A-s. Oblicz siłę działającą na ten ładunek. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) skorzystać ze wzoru na natężenie pola elektrycznego, 2) obliczyć siłę działającą na ten ładunek. Wyposażenie stanowiska pracy — _ zeszyt, — _ kalkulator, — _ literatura uzupełniająca zgodna z punktem 6. Ćwiczenie 2 Trzy kondensatory o następujących pojemnościach: 0,1 uF; 0,22 uF i 0,68 uF są połączone szeregowo. Cały układ przyłączono na napięcie 100V. Oblicz C„,Q.,U,,U,iU;. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) obliczyć pojemność zastępczą układu, 2) obliczyć ładunki kondensatorów, 3) obliczyć napięcie na poszczególnych kondensatorach. Wyposażenie stanowiska pracy — zeszyt, — kalkulator, — literatura uzupełniająca zgodna z punktem 6. Ćwiczenie 3 Wykonaj pomiar pojemności metodą techniczną elementów zaproponowanych przez nauczyciela. ©— (0. © O ko Układ do pomiaru pojemności metodą techniczną Tabela wyników pomiarów i obliczeń Lp. U[VI I [mA] x1o] | GHz] |C [nF lub uF] 100 100 „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 11 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) zanalizować schemat pomiarowy, 2) skompletować potrzebną aparaturę i elementy, 3) połączyć obwód elektryczny i zasilić go sygnałem sinusoidalnie zmiennym o U=$5V i f=100Hz, 4) wykonać pomiary wartości skutecznych prądu oraz napięcia, $) obliczyć wartości pojemności na podstawie wzorów: R 1 2:a:f:Xe 6) porównać obliczone wartości pojemności z oznaczeniami na wybranych elementach, 7) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski. xc=U I Wyposażenie stanowiska pracy — _ generator funkcyjny, — _ częstościomierz, — — multimetr cyfrowy i analogowy, — _ kondensatory: € = 10 nF, C= 0,22 uF, C= 0,47 uF, C= 22 nF, C=0,1 uF. 4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojemność elektryczną? z z 2) obliczyć pojemność kondensatora płaskiego? z z 3) narysować układ szeregowy kondensatorów? z z 4) narysować układ równoległy kondensatorów? z z 5) obliczyć pojemność kondensatora? z z obliczyć pojemność zastępczą dla połączenia szeregowego 60: - D D i równoległego kondensatorów? 7) zdefiniować prawo Coulomba? D D 8) - wyjaśnić, co to jest przenikalność elektryczna w próżni? z z „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 12 4.2. Prąd przemienny jednofazowy 4.2.1. Materiał nauczania Wielkości charakterystyczne prądu sinusoidalnego Wartość chwilowa i = I, -sin ot gdzie: I, — wartość maksymalna (amplituda ), © — pulsacja (prędkość kątowa) t- czas Okres prądu sinusoidalnego T -m [T Fs © Pulsacja o=2xf [0]=rad/s. Częstotliwość f = Ę [ f]= Hz (herc). Wartość skuteczna prądu sinusoidalnego I: 1=1m— 0,7071, 5] Rys. 4. Wykres prądu sinusoidalnie zmiennego [3, s. 32] Wartość średnia półokresowa prądu sinusoidalnego I. : 1,= 2 1, = 0,6371, śr n Analogicznie określa się wartość skuteczną i średnią napięcia sinusoidalnego: U= Sa = 0,707U,, J2 U,=ŻU,, =0,637U,, nT Wartość skuteczną oznacza się dużymi literami bez wskaźników. Wartości skuteczne prądów i napięć można mierzyć za pomocą mierników elektrodynamicznych i elektromagnetycznych. Wartości średnie prądów i napięć można mierzyć miernikami magnetoelektrycznymi. W praktyce posługujemy się wartościami skutecznymi napięć i prądów. Obwód elektryczny z rezystancją, reaktancją i impedancją Obwód elektryczny z rezystancją R: „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 13 m ŁA 2. 6 Im U=iX.I ||Ue=-iXel p=0 Rys. 9. Rezonans napięć w dwójniku szeregowym R, L, C: a) schemat obwodu; b) wykres wektorowy w stanie rezonansu [1,s.209] Rezonans prądów Rezonansem prądów lub rezonansem równoległym nazywamy rezonans występujący w obwodzie o połączeniu równoległym elementów R.L,C, charakteryzujący się równością susceptancji indukcyjnej i susceptancji pojemnościowej. |te=jBcu JR=I=GU y 7 Re |1=-IBLU y 9=0 Rys. 10. Rezonans prądów w dwójniku równoległym R, L, C: a) schemat obwodu; b) wykres wektorowy w stanie rezonansu [1,s.212] 4.2.2. Pytania sprawdzające: Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co nazywamy wartością skuteczną? „. Co nazywamy wartością średnią? . Jak wygląda przebieg czasowy i wykres wektorowy prądu i napięcia dla cewki indukcyjnej? . Jak wygląda przebieg czasowy i wykres wektorowy prądu i napięcia dla kondensatora? . Jak zdefiniować prawo Ohma dla prądu przemiennego? . Jak wyjaśnić co to jest reaktancja cewki i kondensatora? . Co to jest impedancja i reaktancja obwodu RLC? . Co to jest zjawisko rezonansu? . Jakie są cechy charakteryzujące obwód, w którym występuje rezonans prądów? 0. Jakie są cechy charakteryzujące obwód, w którym występuje rezonans napięć? —OJOUNAWK „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 16 4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Wykonaj pomiar amplitudy, wartości międzyszczytowej oraz skutecznej napięcia sinusoidalnie zmiennego za pomocą oscyloskopu i woltomierza. 1 z: Układ do pomiaru amplitudy, wartości międzyszczytowej oraz skutecznej napięcia sinusoidalnie zmiennego Tabela wyników pomiarów i obliczeń Lp. | L,[działki] | C, [działki/V] | Uw[V] | U„[V] | U[V] | Wskazanie woltomierza [V] L, - maksymalna wysokość oscylogramu; C, - współczynnik odchylania pionowego oscyloskopu Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś : 1) zanalizować schemat pomiarowy, 2) skompletować potrzebną aparaturę, 3) połączyć obwód elektryczny i zasilić go napięciem sinusoidalnie zmiennym, 4) wykonać pomiary wartości skutecznej napięcia sinusoidalnie zmiennego za pomocą woltomierza, 5) przerysować zaobserwowane oscylogramy, a wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w tabeli, 6) obliczyć wartości napięć U., , U, „ U na podstawie wzorów: Uw=L,C, ; Un=.C, wynika ze wzoru Un= 2 ; L; p Us ——=-C;, wynika ze wzoru Un=—= aa 2-92 7) porównać obliczone wartości napięcia skutecznego U ze wskazaniami woltomierza, 8) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski. U= Wyposażenie stanowiska pracy — _ generator funkcyjny, — woltomierz napięcia zmiennego, — _oscyloskop. Ćwiczenie 2 Wykonaj pomiar częstotliwości oraz okresu napięcia sinusoidalnie zmiennego za pomocą oscyloskopu i częstościomierza. (du © L Układ do pomiaru częstotliwości i okresu napięcia sinusoidalnie zmiennego oscyloskopem i częstościomierzem. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 17 Tabela wyników pomiarów i obliczeń Lp.| L.[działki] | C. [ms/działki] | T.[ms] | £.[Hz] | Wskazanie częstościomierza [Hz] L, - wartość okresu z oscylogramu; C, - współczynnik odchylania poziomego oscyloskopu Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś : 1) zanalizować schemat pomiarowy, 2) skompletować potrzebną aparaturę, 3) połączyć obwód elektryczny i zasilić go napięciem sinusoidalnie zmiennym, 4) wykonać pomiary częstotliwości napięcia sinusoidalnie zmiennego częstościomierzem, 5) przerysować zaobserwowane oscylogramy, a wyniki pomiarów zapisać w tabeli, 6) obliczyć wartości T, , f, na podstawie wzorów: Ts=LiC« pr=L x 7) porównać obliczone wartości częstotliwości f, ze wskazaniami częstościomierza, 8) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy — _ generator funkcyjny, — częstościomierz, — oscyloskop. Ćwiczenie 3 Zbadaj obwód szeregowy RLC. ie © E Układ do badania obwodu szeregowego RLC Tabela wyników pomiarów i obliczeń kHz 0,1 0,5 1 3 5 I [mA' UR] Uc UL „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 18 4.3. Pole magnetyczne i elektromagnetyczne 4.3.1. Materiał nauczania Pole magnetyczne może być wytworzone przez: a) magnes trwały b) elektromagnes Rys. 11. Obraz pól magnetycznych wytworzonych przez: a) magnes trwały; b) elektromagnes [4, s. 25] Obwodem magnetycznym nazywamy zespół elementów tworzących drogę zamkniętą dla strumienia magnetycznego. Indukcja elektromagnetyczna Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na indukowaniu się napięcia nazywanego siłą elektromotoryczną SEM w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym lub w zamkniętym obwodzie obejmującym zmienny w czasie strumień magnetyczny. Napięcie indukowane w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym jest wprost proporcjonalne do długości czynnej przewodu 1, prędkości poruszania przewodnika v oraz indukcji magnetycznej B. Indukcja B określa intensywność pola magnetycznego: E=B-l-v [B]=T (tesla) Kierunek indukowanej siły elektromotorycznej wyznaczamy za pomocą reguły prawej dłoni. HF Rys. 12. Stosowanie reguły prawej dłoni [1, s. 136] Zjawisko indukcji własnej i wzajemnej Zjawisko indukcji własnej jest to indukowanie się siły elektromotorycznej w cewce pod wpływem zmian prądu płynącego w tej cewce. Siłę elektromotoryczną indukcji własnej nazywamy siłą elektromotoryczną samoindukcji e, . di e, =-L— L]=H (henr L dt [L] (henr) „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 21 Wielkość L oznacza indukcyjność własną cewki. C „a ,, Ś, | — Rys. 13. Indukowanie siły elektromotorycznej: a) w cewce 2 przy zmianie prądu w cewce 1; b) w cewce 1 przy zmianie prądu w cewce 2 [4,s.27] Zjawisko indukcji wzajemnej jest to indukowanie się siły elektromotorycznej w cewce pod wpływem zmian prądu w drugiej cewce z nią sprzężonej Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej wyraża się wzorem: di a [M] =H (henr) ey =- wielkość M — indukcyjność wzajemna. Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne: - natężenie pola magnetycznego H, jednostką jest [A/m] - indukcja magnetyczna B jest wielkością charakteryzującą gęstość linii sił pola magnetycznego, jednostką jest B=[Vs/m*]=[T] (Tesla) - strumień magnetyczny ©, jednostką jest [Wb] = [Vs] (weber) Własności magnetyczne materiałów Ze względu na przenikalność magnetyczną względną u, rozróżniamy następujące grupy materiałów: — _ ferromagnetyczne (stal elektrotechniczna, stopy Alnico, ferryty), w których u, jest dużo większa od I, — _paramagnetyczne (platyna, powietrze, aluminium), w których u, jest nieco większa od 1, — _ diamagnetyczne ( rtęć, woda, bizmut, miedź), w których u, jest nieco mniejsza od 1. W zależności od kształtu pętli histerezy rozróżniamy materiały : - magnetyczne miękkie 1 - magnetyczne twarde 2 Rys. 14. Pętla histerezy [1,s.125] 1 — materiału magnetycznie miękkiego, 2 - materiału magnetycznie twardego Zastosowanie materiałów magnetycznych: Materiały magnetycznie miękkie stosuje się do budowy : — — silników elektrycznych ( blacha twornika ), „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 22 — _ przekaźników, — transformatorów sieciowych, — cewek z rdzeniem ( ferryty ). Materiały magnetycznie twarde stosuje się do budowy magnesów trwałych. Indukcyjność własna i wzajemna cewki. Indukcyjność własna Stosunek strumienia skojarzonego cewki Y do prądu I płynącego przez cewkę nazywamy indukcyjnością własną cewki. L 1 L -indukcyjność własna Jednostką indukcyjności jest Ihenr[1H] [L] = = a = ke =Q0:s=H Indukcyjność wzajemna Dwa elementy ułożone względem siebie w taki sposób, że pole magnetyczne jednego z nich przenika, choćby częściowo, element drugi nazywamy elementami sprzężonymi magnetycznie. Rys. 15. Dwie cewki sprzężone magnetycznie [1,s.127] Indukcyjnością wzajemną cewki pierwszej z drugą nazywamy stosunek strumienia magnetycznego wytworzonego w cewce pierwszej 1 i skojarzonego z cewką drugą 2, do prądu płynącego w cewce 1.Oznaczamy M, M „= Wn 1 Współczynnikiem sprzężenia cewki pierwszej z cewką drugą ( drugiej z pierwszą ) nazywamy stosunek strumienia magnetycznego głównego cewki pierwszej ( drugiej ) do strumienia całkowitego tej cewki . Zapamiętaj ! — Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Zjawisko elektrodynamiczne Jeśli w polu magnetycznym znajdują się przewodniki z prądem, to na przewodnik działa siła F. F=B.I-1 Wielkość siły zależy od indukcji magnetycznej B, natężenia prądu I i długości czynnej przewodu 1. Kierunek działania siły określa się stosując regułę lewej dłoni. A Rys. 16. Reguła lewej dłoni [5,s.39] „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 23 Ćwiczenie 4 Wykonaj pomiar indukcyjności wzajemnej cewek sprzężonych magnetycznie. 1 © tb Układ do pomiaru indukcyjności wzajemnej cewek sprzężonych magnetycznie. Tabela wyników pomiarów i obliczeń Lp. | Li[mH] | La[mH] | I[mA] | Uz[V] | M[mH] | k 70 70 140 140 70 140 140 70 15 3) 4) 5) Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: zanalizować schemat pomiarowy i skompletować potrzebną aparaturę oraz elementy, połączyć obwód elektryczny i zasilić go sygnałem sinusoidalnie zmiennym o U=9V i częstotliwości f= I kHz, wykonać pomiary prądu I po stronie pierwotnej układu i napięcia U z:po stronie wtórnej, obliczyć wartość indukcyjności wzajemnej cewek M oraz ich współczynnika sprzężenia k z poniższych wzorów: U: k M M=——H— = , 2:z:f-1 NLIL2 oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy generator funkcyjny, multimetr cyfrowy i analogowy, 4 cewki z rdzeniem ferromagnetycznym: 2 cewki o L = 70mH i 2 cewki o L = 140mH. 4.3.4. Sprawdzian postępów 5 2) 3) 4) 5) 6) Czy potrafisz: Tak Nie wyjaśnić zjawisko elektrodynamiczne? omówić właściwości magnetyczne materiałów? wyjaśnić, co nazywamy indukcją elektromagnetyczną? narysować układ równoległy kondensatorów? omówić zasadę działania prądnicy prądu stałego? narysować obraz pól magnetycznych? nozozooaz nozozooaz „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 26 4.4. Rodzaje mocy w obwodzie prądu sinusoidalnego 4.4.1. Materiał nauczania Mocą czynną nazywamy wartość średnią mocy chwilowej i określamy ją wzorem P=Ulcos p gdzie: 9 - kat przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem, cos - współczynnik mocy Jednostką mocy czynnej jest I wat [I W]. Jeżeli moc czynną P pomnożymy przez czas T, to otrzymamy energię pobraną przez odbiornik ze źródła w czasie jednego okresu. Moc pozorna oznaczana jest przez S i definiowana jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu. Moc pozorna ma istotne znaczenie dla urządzeń elektrycznych ze względu na ich określone wartości znamionowe napięcia i prądu, wynikające z wytrzymałości izolacji i dopuszczalnych wartości prądu S=UI Jednostką mocy pozornej jest I woltoamper [ VA]. W obwodach elektrycznych znajduje zastosowanie jeszcze trzecia wielkość zwana mocą bierną, oznaczana przez Q i definiowana jako iloczyn wartości skutecznych napięcia, prądu i sinusa kąta przesunięcia fazowego między nimi. Q=Ulsin p Jednostką mocy biernej jest I war [1 var]. Z powyższych wzorów wynika, że moc czynna, bierna i pozorna są związane zależnością S*-=P*+Q* czyli Dla zależności wiążących poszczególne moce podaje się ilustrację (graficzną) w postaci trójkąta mocy, który jest pomocny przy analizie obwodów. Moc bierna może przyjmować wartość dodatnią, gdy kąt fazowy jest dodatni(odbiornik rezystancyjno — indukcyjny) lub może mieć wartość ujemną, gdy kat fazowy jest ujemny ( odbiornik rezystancyjno — pojemnościowy). „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 27 a) b) Mż” 2" |oso Q<0 s Rys.17. Trójkąty mocy: a) odbiornik pojemnościowy, b) odbiornik indukcyjny [1,s.200] 4.4.2. Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest współczynnik mocy? 2. Co to jest moc czynna? 3. Jaka jest zależność między mocą czynną, bierną i pozorną? 4.4.3. Ćwiczenia Ćwiczeniel Silnik indukcyjny jednofazowy zasilany napięciem U= 230 V posiada następujące dane: P. 71.1 kW, cosp=0,98 oraz n=74%. Oblicz wartość prądu pobieranego z sieci oraz moc. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) skorzystać ze wzoru na sprawność, następnie przekształcić wzór 2) obliczyć moc. Wyposażenie stanowiska pracy — zeszyt, — kalkulator, — _ literatura uzupełniająca zgodna z punktem 6. Ćwiczenie 2 Wykonaj pomiary mocy prądu przemiennego. Układ do pomiaru mocy prądu przemiennego „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 28 Filtry górnoprzepustowe Filtry górnoprzepustowe przepuszczają sygnały o częstotliwościach z zakresu od częstotliwości granicznej fy do nieskończoności. W gałęziach podłużnych występują idealne kondensatory, a w poprzecznych idealne cewki. JI e o | k m 2 — a) b) Rys. 19. Filtr górnoprzepustowy: a)schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [1, s. 308] Filtry pasmowe Filtry pasmowe przepuszczają sygnały o częstotliwościach z zakresu od częstotliwości granicznej fy, do częstotliwości granicznej fo. Częstotliwości fo, i fa są częstotliwościami granicznymi. W gałęziach podłużnych tych filtrów występują obwody rezonansu napięć, a w poprzecznych zazwyczaj obwody rezonansu prądów (choć może być sam kondensator). a) b) Rys. 20. Filtr pasmowy: a)schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [1, s. 311] Filtry zaporowe Filtry zaporowe przepuszczają sygnały o wszystkich częstotliwościach za wyjątkiem sygnałów określonego pasma ograniczonego częstotliwościami granicznymi fp, i fy2 W gałęziach podłużnych tych filtrów występują obwody rezonansu prądów, a w poprzecznych obwody rezonansu napięć. L, Uwe ÓW | i | j i lc L, © L. m C. c, m l j po T EM T t T T t —— | t, t 1 a) b) Rys. 21. Filtr zaporowy: a) schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [1, s. 311] „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 31 Filtry pasywne RC Realizowane są za pomocą rezystorów i kondensatorów. W konstrukcji tych filtrów zrezygnowano z cewek, ponieważ elementy te sprawiają największe kłopoty, przede wszystkim nie mogą być realizowane w technice scalonej. Mają one parametry trochę gorsze niż filtry reaktancyjne. Najczęściej wykonywane są jako układy zminiaturyzowane. R R —P————— u LE Ia Rys. 22. Filtr RC [1, s. 312] Filtry aktywne Budowane są z wykorzystaniem wzmacniaczy, rezystorów i kondensatorów. Prócz właściwości typowych filtrów wzmacniają również przepuszczane sygnały. 4.5.2. Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy jesteś przygotowany do ćwiczeń., Jakie funkcje spełnia filtr częstotliwościowy? Jak dzielimy filtry częstotliwościowe ze względu na przepuszczane częstotliwości? Jakie są podstawowe parametry filtrów częstotliwościowych? Jak dzielimy filtry ze względu na budowę? Jak zbudowane są i czym charakteryzują się filtry dolnoprzepustowe? Jak zbudowane są i czym charakteryzują się filtry górnoprzepustowe? Jak zbudowane są i czym charakteryzują się filtry pasmowe? Jak zbudowane są i czym charakteryzują się filtry zaporowe? Czym różnią się filtry aktywne od reaktancyjnych? 10. Jakie są różnice w budowie między filtrami reaktancyjnymi a pasywnymi RC? 11. Jakie zalety posiadają filtry pasywne RC? OPRDUAWEH 4.5.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Zbadaj filtr dolnoprzepustowy RC. R R De AG zk v Układ do badania filtra dolnoprzepustowego RC Tabela wyników pomiarów i obliczeń f[Hz] 40 80 100 | 200 | 400 | 800 1k 2k | 4k | 8k | 10k | 20k Uw [V] Uw [V] „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 32 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) zanalizować schemat pomiarowy, 2) skompletować potrzebną aparaturę i elementy, 3) połączyć obwód elektryczny i zasilić go sygnałem napięcie sinusoidalnie zmiennym o U=IV i częstotliwościach zmienianych w zakresie od 40Hz do 20kHz, 4) wykonać pomiary napięcia Uwe na wejściu układu i Uwy na jego wyjściu, $) wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową badanego filtra, 6) określić wartość częstotliwości granicznej f oraz pasmo przepustowe filtra (częstotliwość graniczna wyznaczana jest przy spadku wartości sygnału wyjściowego o 3 decybele), 7) obliczyć stałą czasową r badanego obwodu z zależności: r=R:C i na jej podstawie ponownie określić częstotliwość graniczną fy= 2 s *T*:T 8) porównać obie wartości częstotliwości granicznej fo, 9) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski. Wyposażenie stanowiska pracy — _ generator funkcyjny, — _ częstościomierz, 2 multimetry cyfrowe, — 2rezystory R=470Q/2W, kondensator C=0,22 uF/400V. 4.5.4 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) sklasyfikować filtr ze względu jego na pasmo przepustowe na podstawie schematu elektrycznego? - - 2) zdefiniować parametry filtrów? z L 3) sklasyfikować filtry ze względu na budowę? z L 4) określić częstotliwość graniczną filtra na podstawie charakterystyki z z częstotliwościowej? $) określić pasmo przepustowe filtra na podstawie charakterystyki z z częstotliwościowej? 6) zaprojektować układ pomiarowy do określenia charakterystyki z z częstotliwościowej filtra? 7) zaproponować strukturę filtra o określonym paśmie przepustowym? z z 8) opisać budowę filtra pasywnego o danym paśmie przepustowym? LD LD 9) narysować schemat przykładowego filtra dolnoprzepustowego? z L 10) narysować schemat przykładowego filtra górnoprzepustowego? z L 11) narysować schemat przykładowego filtra pasmowego? z L 12) narysować schemat przykładowego filtra zaporowego? z L „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 33 4.6.2. Pytania sprawdzające DURE*ND= Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Z czego zbudowany jest transformator? Jakie znasz podstawowe parametry transformatora? Jakim urządzeniem jest transformator? Narysować schemat zastępczy transformatora? Jakie podstawowe zadania spełnia transformator? Z jakich podstawowych elementów zbudowany jest transformator? 4.6.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Tabele wyników pomiarów i obliczeń Wykonaj badania transformatora jednofazowego. Układ do badania transformatora jednofazowego Uiss[V] | Uss[V] | Ii[mA] | L[mAJ|_ Ni N»_| Ro[kQ] | Pi[mW] | P-[mW] |_ny v 1700 | 1700| «© 1700 | 1700 0,1 1700 | 1700 1 1700 | 1700 4,7 1700 | 850 1 850 | 1700 1 5 2) 3) 4) 5) 6) Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: zanalizować schemat pomiarowy, skompletować potrzebną aparaturę i elementy, połączyć obwód elektryczny i zasilić go sygnałem sinusoidalnie zmiennym wartości międzyszczytowej U.„=6V i f=100Hz, wykonać pomiary napięcia i prądu po stronie pierwotnej układu i po stronie wtórnej zmieniając liczbę uzwojeń N, i N» oraz wartość rezystancji obciążenia Ry. Powtórzyć pomiary po włożeniu między rdzeń transformatora izolatora (kawałka papieru), obliczyć moc pobraną przez uzwojenie pierwotne transformatora P;, moc oddaną przez uzwojenie wtórne P», sprawność transformatora r» i przekładnię zwojową v według zależności: Pi=l-Ui; P»=l>-U2; na= 22.100%; v=N2, P: N 1 oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski. „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 36 Wyposażenie stanowiska pracy — _ generator funkcyjny, — — multimetr cyfrowy i analogowy, — _ oscyloskop dwukanałowy, multimetr cyfrowy i analogowy, — 2 cewki z rdzeniem ferromagnetycznym o L=70mH i liczbie zwojów N,=850, oraz 2 cewki z rdzeniem ferromagnetycznym o L =140mH i liczbie zwojów N» = 1700, — rezystory R= 100 Q/2W, R=4,7 kQ/1IW, R= l kQ/1W 4.6.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie l) Zdefiniować, co to jest zwarcie pomiarowe? 2) wyjaśnić zasadę działania transformatora? 3) omówić stany pracy transformatora? 4) obliczyć napięcie zwarcia? 5) omówić budowę transformatora? 6) określić podstawowe parametry transformatorów? ZOOOZCE ZOOOZCE „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 37 4.7. Prąd przemienny trójfazowy 4.7.1. Materiał nauczania Układem trójfazowym nazywamy zbiór trzech obwodów elektrycznych, w którym działają trzy napięcia źródłowe sinusoidalnie zmienne o jednakowej częstotliwości, przesunięte względem siebie o kąt 120? i wytwarzane w jednym źródle energii, którym najczęściej jest generator lub prądnica trójfazowa. W zależności od tego czy punkt neutralny jest doprowadzony do odbiornika rozróżniamy układy: trójprzewodowy lub czteroprzewodowy. Rys. 23. Układ trójfazowy: a) trójprzewodowy, b) czteroprzewodowy W układach trójfazowych symetrycznych zachodzą następujące zależności: a) połączenie w gwiazdę U=4J3U, I=l, Rys. 24. Połączenie odbiorników trójfazowych w gwiazdę [4,s.39] Na zaciskach źródła 3- fazowego skojarzonego w gwiazdę rozróżniamy napięcia: — _ napięcia fazowe — U,,, U;,, U;;; są to napięcia pomiędzy zaciskiem fazowym a punktem neutralnym, — napięcia międzyfazowe — U,p, Uy;,Uq;,: Są to napięcia występujące pomiędzy przewodami fazowymi. b) połączenie w trójkąt 1 Lt 1 b „AP, Rys. 25. Połączenie odbiorników trójfazowych w trójkąt [4,s.39] t2 „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 38 4.8. Oddziaływanie prądu przemiennego na organizm ludzki 4.8.1. Materiał nauczania Porażenie prądem elektrycznym — efekt powstający w wyniku przepływu znacznego prądu elektrycznego przez tkanki organizmów żywych - ludzi i zwierząt. Skutki przepływu prądu przez ciało człowieka zależą od: — _ rodzaju prądu ( stałego lub przemiennego), — natężenia prądu, — częstotliwość, — _ czasu przepływu prądu przez ciało, — _ drogi przepływu prądu przez ciało — gęstości prądu, — rezystancji ciała ludzkiego. Minimalna niebezpieczna dla człowieka wartość prądu płynącego przez dłuższy czas wynosi: — _ 30 mA prądu zmiennego — _ 70 mA prądu stałego Napięcie dotykowe jest to napięcie występujące między dwoma punktami, nie należącymi do obwodu elektrycznego, z którymi mogą się zetknąć jednocześnie ręce lub ręka i stopa człowieka. W praktyce nie operuje się bezpiecznymi wielkościami prądów lecz bezpiecznymi wielkościami napięć U, w danych warunkach środowiskowych. Napięcie U, nazywa się napięciem dotykowym bezpiecznym. Dla prądu przemiennego (w warunkach normalnych) wartość napięcia wynosi 50V, dla prądu stałego 120 V. Tabela 1. Objawy działania prądu przemiennego 50...60 Hz na człowieka przy przepływie na drodze ręka- ręka lub ręka - noga Wartość skuteczna prądu Objawy mA. 0...0,5 prąd niewyczuwalny 0,6...1,6 prąd znacznie wyczuwalny(swędzenie, łaskotanie) 1,6...3,5 cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie nóg 3,5...15 silnie sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni i drżenia rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze skurcze mięśni pleców i ramion, zaciskanie się rąk obejmujących przedmiot i niemożność samodzielnego oderwania się 15...25 nie kontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost ciśnienia krwi 25...50 bardzo silne skurcze mięśni rąk i klatki piersiowej; nieregularność pracy serca , przy dłuższym działaniu prądu w górnym zakresie- migotanie komór sercowych. 50...70 migotanie komór sercowych, porażenie mięśni oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierć przez uduszenie Powyżej 70 przy dłuższym działaniu prądu zwykle śmierć „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 41 Ratowanie porażonych prądem elektrycznym Przed wszystkim należy: uwolnić człowieka porażonego spod napięcia, rozpoznać stan zagrożenia porażonego, zastosować najlepszą metodę ratownictwa. Należy pamiętać, że niebezpieczne dla ratownika są: bezpośrednie zetknięcie gołych rąk ratownika z ciałem porażonego, równoczesne używanie obu rąk przy odciąganiu spod napięcia, mokre podłoże, bliskie sąsiedztwo urządzeń pod wysokim napięciem, brak równowagi. 4.8.2. Pytania sprawdzające 3. 4. Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. Co nazywamy porażeniem elektrycznym? Ile wynosi minimalna niebezpieczna dla człowieka wartość prądu przemiennego płynącego przez dłuższy czas? Czemu ma zapobiegać ochrona podstawowa? Jakie są skutki przepływu prądu przez organizm człowieka? 4.8.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Jaka musiałaby być najmniejsza rezystancja zastępcza obwodu, w którym nastąpiło zwarcie przy U,= 230V, aby dopuszczalne napięcie dotykowe nie przekroczyło wartości U„=50 V; R.=1500Q ? R, U, R. "U, 5 2) Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: zapisać proporcję rezystancji z napięciem, wyliczyć rezystancję zastępczą. Wyposażenie stanowiska pracy: zeszyt, kalkulator , literatura uzupełniająca zgodna z punktem 6. 4.8.4. Sprawdzian postępów 5 2) 3) 4) Czy potrafisz: Tak Nie wyjaśnić, co nazywamy porażeniem prądem elektrycznym? wymienić środki ochrony przeciwporażeniowej podstawowej? wymienić, jakie są skutki przepływu prądu przez ciało człowieka? wyliczyć bezpieczne wartości prądów i napięć dla człowieka? ZZOCTE ZZOCTE „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 42 6. LITERATURA Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 1995 Goźlińska E.: Maszyny elektryczne — ćwiczenia. WSiP, Warszawa 1998 Jabłoński W., Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa 1996 Orlik W.: Egzamin kwalifikacyjny elektryka. KaBe, Krosno 1999 Praca zbiorowa: Poradnik elektryka. WSiP, Warszawa 1995 Pilawski M.: Pracownia elektryczna. WSiP, Warszawa 2001 DURE*ND= „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 49