Wstp do wspczesnej inynierii Elektrotechnika 2016 1 Kontakt

Wstęp do współczesnej inżynierii Elektrotechnika 2016 1

Kontakt: • • • Dr inż. Marek Ossowski marek. ossowski@p. lodz. pl Zakład Układów i Systemów Nieliniowych Al. Politechniki 11 pok. 14 Ip Tel. (42) 6312515 Tel 501673231 tylko w sprawach niezwykle ważnych!!!! 2

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

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

Warunki zaliczenia przedmiotu: a) pozytywny wynik testu zaliczeniowego (10 pkt. ) sumarycznie >24 pkt b) obecność na wykładach (nieobecność = -1 pkt) *nieobowiązkowa prezentacja „Wybrany problem wpółczesnej elektrotechniki” – możliwość zaliczenia nieobecności nieusprawiedliwionych 5

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

Wykład 1 i 2 • Inżynieria i elektrotechnika – podstawowe pojęcia • Rys historyczny – Naukowcy i wynalazcy – Zastosowania wiedzy elektrotechnicznej • Polacy w elektrotechnice • Wielkości fizyczne i jednostki stosowane w elektrotechnice 7

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

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

Inżynieria ? ? ? • działalność polegająca na – projektowaniu, – konstrukcji, – modyfikacji – i utrzymaniu efektywnych kosztowo rozwiązań dla praktycznych problemów, z wykorzystaniem wiedzy naukowej oraz technicznej. Wymaga ona rozwiązywania problemów różnej natury oraz skali, zajmuje się też rozwojem technologii • INACZEJ: inżynieria to używanie właściwości materii, energii oraz obiektów abstrakcyjnych dla tworzenia konstrukcji, maszyn i produktów, przeznaczonych do wykonywania określonych funkcji lub rozwiązania określonego problemu. 10

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

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

Rozwój inżynierii • Historia pojęcia "inżynieria" sięga starożytności, kiedy ludzkość dokonała takich wynalazków jak koło, dźwignia czy bloczek. – "inżynier" oznaczał tu osobę dokonującą praktycznych i użytecznych odkryć. • Przykłady dokonań starożytnej inżynierii – – Akropol i Partenon w Grecji, Via Appia i Koloseum w Rzymie, Wiszące Ogrody piramidy w Gizie. 13

Cd historii inżynierii • Najstarszy znany z imienia inżynier – Imhotep, jeden z urzędników faraona Dżesera, Imhotep Dżesera projektant i budowniczym Piramidy schodkowej w latach ok. 2630 – 2611 p. n. e. Prawdopodobnie był on pierwszym, który użył kolumn w architekturze. • Za pierwszego inżyniera elektryka uważa się inżyniera elektryka – Williama Gilberta, który w roku 1600 w publikacji De Magnete użył jako pierwszy terminu elektryczność 14

Cd historii inżynierii • W XIX termin ten zaczął być stosowany w sposób bardziej wąski, do dziedzin, w których używano nauk przyrodniczych i matematyki zawód inżynier • Inżynieria elektryczna ma swoje źródło w Inżynieria elektryczna 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. 15

Początki inżynierii mechanicznej • sięgają starożytności, kiedy to konstruowano wiele maszyn do użytku cywilnego i wojskowego. • Spektakularne przykłady: – Mechanizm z Antykithiry, maszyna o stopniu złożoności niespotykanym aż do XIV w. – śruba Archimedesa, przenośnik śrubowy 16

cd historii inżynierii • Inżynieria procesowa źródło w czasach rewolucji przemysłowej, wymuszona przez zapotrzebowanie na nowe materiały i nowe procesy wytwarzania konieczne do produkcji na skalę przemysłową. • inżynieria chemiczna zaprojektowanie i inżynieria chemiczna eksploatacja fabryk zajmujących się tą produkcją. 17

Metodologia • Istnieją rozwiązania dla konkretnych dziedzin techniki, opracowania tworzone przez poszczególne firmy • Brak uniwersalnej metodologii inżynieryjnej, niezależnej od specyfiki dziedzin inżynierii i używanych instrumentów! – inżynieria systemów, – inżynieria wiedzy (i meta-wiedzy) 18

• TEORIA SYSTEMÓW (ogólna teoria systemów) • Głównym paradygmatem teorii systemów jest holistyczne (całościowe) traktowanie rzeczywistości. – Teoria systemów od samego początki istnienia wykorzystywała i włączała w swoje ramy koncepcje istniejące w innych naukach, w tym również humanistycznych. – Teoria systemów jest zasobem wiedzy uzyskanej w wyniku badań systemowych w dającym się zaobserwować świecie. • INŻYNIERIA SYSTEMÓW – – INTERDYSCYPLINARNA INŻYNIERIA UKIERUNKOWANA NA ROZWIĄZYWANIU ZŁOŻONYCH PROBLEMÓW PROJEKTOWANIA I ZARZĄDZANIA. 19

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

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

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

Ewolucja mechatroniki z techniki mechanicznej Elektrotechnika 23

Podstawy metodologii • zrozumienie – celu zadania (problemu), – wymagań i ograniczeń dotyczących oczekiwanego rozwiązania lub produktu. • • jakość produktu dostępność surowców, energochłonnością rozwiązania, ograniczenia technicznymi lub fizycznymi łatwość produkcji, wdrożenia i serwisowania. możliwość modyfikacji istniejących rozwiązań KOSZTY!!!! 24

Jak rozwiązywać problemy? • Inżynierowie rozwiązują problemy konieczne do rozwiązania, ale zwykle nie określone na początku zbyt jednoznacznie, – zwykle możliwych jest kilka rozwiązań. – inżynierowie muszą oceniać wiele możliwości pod kątem ich przydatności, bezpieczeństwa i ekonomii i wybierać rozwiązania najlepiej spełniające założone wymagania wyjściowe. • Stworzenie odpowiedniego modelu matematycznego jest zwykle niezbędnym narzędziem inżyniera, pozwalającym analizować i testować potencjalne rozwiązania. • Genrich Altshuller postawił, tezę, iż – na "niskim poziomie" rozwiązania inżynierskie są oparte na kompromisach, – na "wyższym poziomie" praca inżyniera prowadzi do wybrania jako najlepszego takiego rozwiązania, które eliminuje główną trudność problemu. • Mimo stosowania różnych matematycznych algorytmów optymalizacji, inżynieria zadowala się zwykle rozwiązaniami wystarczającymi. 25

Zasady rozwiązywania problemów inżynierskich – cechy rozwiązania • • • • bezpieczeństwo funkcjonalność niezawodność i trwałość sprawność prawidłowość doboru materiałów dobór właściwej technologii lekkość (to o konstrukcji), ergonomiczność łatwość eksploatacji i napraw niskie koszty eksploatacji zgodność z obowiązującymi normami i przepisami łatwość likwidacji . . inne zasady i wymagania. Omiń aksjomaty Wd. WI 2015 PŁ 26

Aksjomat synergii • Synergia – efekt współdziałania dwóch lub więcej czynników (elementów składowych, części itp. ) w jakimś procesie lub układzie. • Przykładem efektu synergii jest praca zespołowa: w odróżnieniu od pracy grupowej, zespół wspólnie pracuje nad pewnym zagadnieniem, dążąc do wspólnego rezultatu, natomiast członkowie grupy pracują równolegle („współbieżnie”), ale każdy ma swój cel i zadanie. Całość, czyli system, nie jest prostą sumą części: nabiera właściwości, jakich nie mają jej po-szczególne części. • Synergizm jest uważany za uniwersalne prawo przyrody. 27

Aksjomat kontekstu • Każdy system jest wyselekcjonowaną częścią rzeczywistości. – Zrozumienie systemu nie może ograniczać się wyłącznie do niego samego – do jego elementów składowych i relacji między nimi. • Otaczająca nas rzeczywistość jest ciągła każdy system musi być traktowany jako element pewnej szerszej całości. • W takim razie każdy system musi być podporządkowany owej szerszej całości, czyli podlegać określonym oddziaływaniom innych elementów, które – w razie traktowania go jako samodzielnej całości – stanowią jego otoczenie. 28

Aksjomat równoważności systemów • systemy mogą być równoważne pod względem osiąganych rezultatów (celów, funkcji, właściwości). • Każdy z nich może jednak charakteryzować się inną miarą skuteczności i efektywności oraz innymi kosztami budowy i funkcjonowania. 29

Aksjomat różnorodności Ashby’ego • Stopień różnorodności i elastyczności elementów systemu zależy od różnorodności i zmienności wejść do systemu. • Miarą trwałości systemu staje się wystarczający stopień różnorodności elementów składowych systemu oraz ich elastyczności w konfrontacji z otoczeniem. • Elastyczność każdego elementu wchodzącego w skład systemu musi być zbilansowana i skorelowana z elastycznością wszystkich pozostałych elementów: system musi być zbilansowany, aby żaden z elementów nie stał się „wąskim gardłem” systemu pod względem jego funkcjonalności. • Z kolei nadmierna elastyczność któregoś z jednostkowych elementów staje elastyczność się jedynie przyczyną wzrostu kosztów funkcjonowania systemu: wprowadzenie i utrzymanie elastyczności kosztuje zarówno podczas konstruowania systemu oraz podczas jego funkcjonowania. 30

Aksjomat sprawności systemu • sprawność systemu pod wzglę-dem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elementu pod względem tegoż kryterium K. • Kryterium K może oznaczać – – – niezawodność systemu, jego dynamikę, odporność na zakłócenia ze strony otoczenia, elastyczność, o której wspomina aksjomat Ashby’ego, siłę oddziaływania na otoczenie i każdą inną cechę, jaką obserwator przypisuje danemu systemowi. 31

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE • Problem Model Rozwiązanie • DWA MOŻLIWE PODEJŚCIA: • 1. Problem Model. P Rozwiązanie. D(Model. P) • Model. P – przybliżony model problemu • 2. Problem Model. D Rozwiązanie. P(Model. D) • Model. D – dokładny model problemu • Rozwiązanie. P(Model. D) – rozwiązanie przybliżone modelu dokładnego 32

OGRANICZENIA MODELOWANIA: • 1. Niedokładności modelowania. NIE MA MODELI IDEALNYCH !!!!! • 2. Niewystarczające umiejętności zawodowe (wiedza, praktyka). • 3. Niedokładności materiałowe. • 4. Niedokładności wykonania elementów. • 5. Niedokładności montażowe. • 6. Niedokładności eksploatacyjne (nie przestrzeganie przepisów, procedur KATASTROFY). Wd. WI 2015 PŁ 33

Heurystyka w optymalizacji • Niepotrzebna jest znajomość „klasycznych” metod optymalizacji – wystarczy skoncentrować się na formułowaniu funkcji celu. • Metody koncentrują się na poszukiwaniu optimów globalnych. • Możliwość zastosowania do szerokiej klasy zadań optymalizacji (budowa maszyn, eksploatacja, zarządzanie, sterowanie itp. ). • Możliwość rozpoczynania procedury z różnych punktów startowych. • Otrzymywanie kilku rozwiązań uruchomienie procedury decyzyjnej Wd. WI 2015 PŁ 34

Mechanizm z Antykithiry • starożytny mechaniczny przyrząd, zaprojektowany do obliczania pozycji ciał niebieskich. • odkryty we wraku obok greckiej wyspy Antykithiry (Antikythera), pomiędzy Kíthirą i Kretą, datowany na lata 150 -100 p. n. e. • do czasu XVIII-wiecznych zegarów nie jest znany żaden mechanizm o podobnym stopniu Wd. WI 2015 PŁ złożoności. 35

Śruba Archimedesa • podajnik zbudowany ze śruby umieszczonej wewnątrz rury ustawionej skośnie do poziomu. • W czasie pracy dolny koniec śruby zanurzony jest w wodzie, a obrót śruby wymusza jej ruch do góry. Wd. WI 2015 PŁ 36

ELEKTROTECHNIKA: Dział nauki o elektryczności obejmujący rozległy krąg zjawisk fizycznych wraz z ich zastosowaniami Obejmuje analizę zjawisk fizycznych występujących w obwodach elektrycznych i magnetycznych oraz w polu elektromagnetycznym w zakresie ich zastosowań technicznych Wd. WI 2015 PŁ 37

WYBRANE DZIEDZINY • aparaty elektryczne, ELEKTROTECHNIKI: • urządzenia elektryczne, • instalacje elektryczne, • zabezpieczenia elektryczne, • maszyny elektryczne, • miernictwo elektryczne, • automatyka, • robotyka, • mechatronika, • technika świetlna, • elektrotermia. Wd. WI 2015 PŁ 38

Zagadnienia dotyczące elektryczności są działami fizyki oraz techniki: W obrębie fizyki: • Elektrostatyka - zajmuje się oddziaływaniem pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi; • Elektrodynamika - obejmuje oddziaływania pomiędzy ruchomymi ładunkami, a w szczególności – elektromagnetyzm – prąd elektryczny • Magnetyzm - powstawanie oraz oddziaływanie pola magnetycznego na Wd. WI 2015 PŁ otoczenie 39

• W obrębie techniki: • Elektrotechnika – Elektroenergetyka – Energoelektronika • Elektronika – Technika świetlna – Elektrotechnologie • Mechatronika Wd. WI 2015 PŁ 40

Organizacja Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki • Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej • Instytut Automatyki • Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych • Instytut Elektroenergetyki • Instytut Elektroniki • Katedra Aparatów Elektrycznych • Katedra Elektrotechniki Ogólnej i Przekładników • Katedra Informatyki Stosowanej • Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych • Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Wd. WI 2015 PŁ 41

VI wiek p. n. e ØVI w pne Grecja, właściwości rudy żelazna Fe 3 O 4 przyciągania przedmiotów żelaznych Øprzyciąganie lekkich przedmiotów przez potarty bursztyn ØTales z Miletu opis zjawiska Wd. WI 2015 PŁ 42

Wiliam Gilbert Ø 1600 r „O magnesie, ciałach magnetycznych i o wielkim magnesie ziemskim”: Ø Dowiódł, że przyczyną orientacji igły magnesu jest magnetyzm ziemski Ø Odkrył indukcję magnetyczną Ø Niestety nie zauważył związku zjawisk elektrycznych z magnetycznymi Ø Wprowadził nazwę elektryczność (elektron=bursztyn) Wd. WI 2015 PŁ 43

Butelka lejdejska ØPieter VAN MUSSCHEN-BROEK (1746) ØNaukowiec z kamienia pomorskiego KLEIST (1745) próba naelektryzowania gwoździa (skóra ręki-warstwa wilgoci wewnątrz kolby=pierwszy opisany kondensator) ØArka przymierza Ø 1749 Watson naczynie oklejone folią cynkową Wd. WI 2015 PŁ 44

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

Teoria zjawisk elektrycznych ØBenjamin Franklin (1706 -1790) człowiek renesansu ØUniwersalna „materia elektryczna” ØPojęcie ciał naładowanych (dodatnio: nadmiar materii elektrycznej; ujemnie niedomiar) ØElektryczna natura błyskawicy (1750) ØWynalazca piorunochronu (Dalibard z Francji chyba był pierwszy) Wd. WI 2015 PŁ 46

Pierwsze eksperymenty Charles August Coulomb (F) 1736 -1806 + - + Wd. WI 2015 PŁ 47

Pierwsze eksperymenty Charles August Coulomb (F) 1736 -1806 ØWyznaczył eksperymentalnie siłe oddziaływania na siebie ładunków ØWaga skrętna ØŁadunek punktowy definicja (wymiary wielokrotnie mniejsze od odległości naładowanych ciał) Wd. WI 2015 PŁ 48

ØOkreślenie siłę wzajemnego oddziaływania dwóch naładowanych kul ØZetknął trzecią nienaładowaną kulę z jedną z badanych (prawo zachowania ładunku) zmniejszając jej ładunek o połowę ØZmieniając odległości 2, 3, 4 krotnie uzyskał 4, 9, 16 krotne zmniejszenie siły oddziaływania Wd. WI 2015 PŁ 49

ØCoulomb sformułował analogiczne prawo ujmujące w zależności ilościowe oddziaływanie na siebie mas magnetycznych ØDokonał przełomu otwierając okres ilościowego określania wielkości elektrycznych Wd. WI 2015 PŁ 50

Narodziny elektrotechniki 1786 ØLuigi Galvani włoski lekarz eksperymentujący z żabimi udkami (fałszywe przekonanie o odkryciu elektryczności zwierzęcej) ØAleksander Volta (ur. 1745 w Como): Ø Prąd elektryczny pobudzający mięsień żaby powstaje na skutek różnicy potencjałów pomiędzy dwoma metalami ( w doświadczeniu Galvaniego: miedź i żelazo) zanurzonymi w elektrolicie (tkanka mięśniowa) Wd. WI 2015 PŁ 51

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

Demonstracja ogniwa i zaszczyty • Prezentacja wynalazku w listopadzie 1801 r • Pamiątkowy medal od Napoleona • Tytuł hrabiego i nominacja na senatora • Mariaż polityki z nauką Wd. WI 2015 PŁ 53

Hans Christian Oersted (ur. 1777) • Zauważył, że igła magnetyczna umieszczona równolegle do przewodu odchyla się, gdy przez przewód płynie prąd • Przyczynił się do wynalezienia elektromagnesu i telegrafu 54

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

Georg Simon Ohm Ø„Matematyczne ujęcie obwodu elektrycznego” (1827) ØProtesty innych naukowców pozbawienie stanoiska wykładowcy w Kolonii ØRehabilitacja po sześciu latach (dzięki Karolowi Gaussowi i Wilhelmowi Weberowi) 56

Michael Faraday ØZjawisko indukcji elektromagnetycznej (1831) ØModel maszyny elektrycznej ØOdkrycie praw elektrolizy ØKoncepcja pól elektrycznych i magnetycznych Ø„Exegi monumentum aere perennius” Wd. WI 2015 PŁ 57

James Clerk Maxwell ØEdynburg 1831, wychowany w dobrach swego ojca w Glenlair (Szkocja) ØUniwersytet w Edynburgu (w wieku 16 lat) Ø 1855 „O Faradayowskich liniach sił” Ø 1856 profesor fizyki teoretycznej w Aberdeen ØProfesor Kings College Ø 1871 profesor fizyki doświadczalnej w Wd. WI 2015 PŁ Cambridge 58

James Clerk Maxwell dokonania: Ø 1873: „Traktat o elektryczności i magnetyzmie” teoria fal elektromagnetycznych (doświadczalnie potwierdzona przez Hertza ) początek radiotechniki ØOpisanie i uogólnienie wszystkich znanych dotąd zjawisk elektromagnetycznych. Wd. WI 2015 PŁ 59

Równania Maxwella: 1863 Wd. WI 2015 PŁ 60

Fale elektromagnetyczne Wd. WI 2015 PŁ 61

Fale elektromagnetyczne Wd. WI 2015 PŁ 62

Wd. WI 2015 PŁ 63

Inne znane i ważne postacie: ØJames Joule (GB) 1818 -89 prawo dotyczące wydzielania ciepła podczas przepływu prądu ØHeinrich Emil Lenz (D) 1804 -85 zasady elektrodynamiki ØHerman Helmholtz (D) 1824 -94 prawo zachowania energii, uzupełnienie teorii Maxwella, teoria elektrolizy ØGustaw Kirchhoff (D) 1824 -77 twórca teorii obwodów elektrycznych ØHendrik Lorentz (NL) 1853 -1928 podstawy Wd. WI 2015 PŁ 64 elektromagnetycznej teorii światła

Wybrane zastosowania elektryczności: ØSilnik elektryczny Faraday ØSamowzbudne maszyny elektryczne Werner Siemens ØPrądy trójfazowe Doliwo-Dobrowolski ØSilnik indukcyjny dwufazowy N. Tesla ØOgniwa i akumulatory Volta, Kirchhoff, Bunsen Ø AKUMULATOR Gaston Plante (ołowiany 1860), Tomasz Edison (zasadowy) ØOświetlenie Ø Lampa łukowa Paweł Mikołajewicz Wd. WI 2015 PŁ 65

Wybrane zastosowania elektryczności: Ø Żarówka 1879 Tomasz Edison ØPrzesyłanie energii na odległość Ø Marcel Deprez, Oskar Miller 1882 (57 km, 1. 1 k. W, 1. 52 k. V) Ø 1891 Michał Doliwo-Dobrowolski, O. Miller (175 km 150 k. W, 14 k. V Laufen-Frankfurt) ØTelekomunikacja Ø Telegraf Paweł Szyling Ø Klucz telegraficzny Samuel Morse, Joseph Henry Wd. WI 2015 PŁ 66

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

Wybrane zastosowania elektryczności: Telekomunikacja (cd) Ø Kabel telegraficzny Ernst Werner Siemens Ø Telefon Graham Bell(1876) , Philip Reiss Ø Radio Ø Aleksander Popow 1895 Ø Gulielmo Marconi 1896 Ø Światłowód (Tyndall 1870, Wheeler 1880) Ø Laser 1957. . . . Wd. WI 2015 PŁ 68

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

Radio 1865 Konstruktor pierwszego radia G. Marconi Wd. WI 2015 PŁ 70

Trochę o koncepcji światłowodu Wd. WI 2015 PŁ 71

1870 Wd. WI 2015 PŁ Rys. 5 Doświadczenie Johna Tyndalla 72

1880 Wd. WI 2015 PŁ 73

Propagacja promieni świetlnych wzdłuż światłowodu Wd. WI 2015 PŁ 74

ŚWIATŁOWÓD –POJĘCIA PODSTAWOWE • ŚWIATŁOWÓD jest (na ogół) cylindrycznym falowodem dielektrycznym wykonanym z niskostratnego materiału (np. szkła kwarcowego) Wd. WI 2015 PŁ 75

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

Rozkład elektronów w powłokach atomu sodu • Dostarczenie energii może przesunąć elektron na wyższy poziom=> stan wzbudzenia • Atom w takim stanie dąży do minimalizacji energii: emituje energię i wraca do STANU PODSTAWOWEGO • Ta wyemitowana energia to może być FOTON światła Wd. WI 2015 PŁ 77

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

Cząstka o dwóch poziomach energetycznych. Kiedy dominuje emisja wymuszona? • Warunek dominacji emisji wymuszonej: Wd. WI 2015 PŁ 79

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

Dioda laserowa Wd. WI 2015 PŁ 81

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

Polacy w historii elektrotechniki: Ø Michał Doliwo-Dobrowolski energetyka, prądy trójfazowe Ø Kazimierz Drewnowski działacz NOTU, elektryfikacja kraju, technika wysokich napięć Ø Ignacy Mościcki technologia produkcji kondensatorów Ø Wiktor Biernacki omal nie wynalazł radia Wd. WI 2015 PŁ 83

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

Józef Herman Osiński, w zakonie Kazimierz (17381802) • Pierwszy elektryk polski, pionier techniki odgromowej, pedagog, autor i tłumacz dzieł z zakresu fizyki, chemii, i metalurgii, pionier fizjologii roślin w Polsce. • W roku 1784 wydał pierwszą książkę z elektrotechniki w Polsce " Sposób ubezpieczający życie i majątki od piorunów". Otrzymał za nią złoty medal od króla Stanisława Augusta. Dawał w niej wskazówki jak należy konstruować i zakładać piorunochrony oraz przedstawiał poradnik ratowania osób porażonych piorunami. Wd. WI 2015 PŁ 85

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 1895 r. Wd. WI 2015 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, Wd. WI 2015 PŁ 87

Ignacy Mościcki (1867 -1946) - prezydent RP (VI 1926 - IX 1939) • inżynier chemik, profesor elektrochemii, wynalazca • wielkie zasługi w dziedzinie elektrotechniki (technika wysokich napięć i ochrona przepięciowa) • odkrył wyładowania powierzchniowe i opublikował prace z dziedziny wytrzymałości dielektryków na przebicie. • opracowywał technologie chemiczne (kwas azotowy, nawozy sztuczne i rafinacja ropy naftowej) • projektował fabryki chemiczne. • opracował wysokonapięciowe kondensatory produkowane we Fryburgu przez ok. 20 lat pod nazwą kondensatorów Mościckiego. Wd. WI 2015 PŁ 88

Napoleon Nikodem Cybulski (18541919) • Twórca encefalografii. • Badał zjawiska elektryczne w mięśniach, nerwach i korze mózgowej. Wyniki badań tych zjawisk stworzyły podłoże, na którym powstała współczesna encefalografia. • Autor wielu prac z zakresu fizjologii fizykalnej, np. : – studia nad szybkością krążenia krwi przy pomocy fotochemo-tachometru (przyrządu własnego pomysłu), – zjawiska elektryczne w mięśniach, nerwach i w korze mózgowej (ostatnie wspólnie z Beckiem), – zastosowanie kondensatora przy badaniu pobudliwości nerwów i mięśni, - – badanie ciepłoty z pomocą mikrokalorymetru Wd. WI 2015 PŁ 89 własnego pomysłu itd.

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 Wd. WI 2015 PŁ 90 ludzkiego.

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 Wd. WI 2015 PŁ 91

Roman Podoski (1873 -1954) • Pionier elektryfikacji polskich kolei. Urodzony w Dąbrowicach k. Lwowa w polskiej rodzinie ziemiańskiej. • W 1918 r. 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. Wd. WI 2015 PŁ 92

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). Wd. WI 2015 PŁ 93

Wielkości fizyczne i jednostki Wielkość fizyczna: cecha zjawiska fizycznego lub właściwość ciała, którą można zmierzyć. Przykłady: napięcie elektryczne 1[U]=1 V admitancja (przewodność) 1[Y]=1 S natężenie pola magnetycznego 1[B]=1 H Wd. WI 2015 PŁ 94

Wielkości fizyczne i jednostki Układ wielkości fizycznych Zbiór wielkości fizycznych obejmujących wszystkie lub niektóre dziedziny fizyki v. WIELKOŚĆ PODSTAWOWA – umownie przyjęta za niezależną od pozostałych v. WIELKOŚĆ POCHODNA ->określana w zależności od wielkości podstawowych v. Jednostka miary wielkości fizycznej v Wartość danej wielkości, której umownie przyporządkowuje się wartość liczbową równą jedności Wd. WI 2015 PŁ 95

Jednostki podstawowe układu SI Jednostki podstawowe Nr Wielkość Jednostka miary nazwa Definicja oznaczenie 1. . . Prąd 4 elektryczny 7. . . . amper A Jest to prąd elektryczny stały, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m (metr) od siebie wywołałyby między tymi przewodami siłę 2*10 -7 N na każdy metr długości Wd. WI 2015 PŁ 96

Wielokrotności jednostek miar Przedrostek Oznaczenie Mnożnik eksa E 1018 peta P 1015 tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hekto h 102 deka Wd. WI 2015 PŁ da 101 97

Podwielokrotności jednostek miar Przedrostek Oznaczenie Mnożnik decy d 10 -1 centy c 10 -2 mili m 10 -3 mikro 10 -6 nano n 10 -9 piko p 10 -12 femto f 10 -15 atto a Wd. WI 2015 PŁ 10 -18 98

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

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 Wd. WI 2015 PŁ 100

Rodzaje sił w przyrodzie (3) ØOgólna równowaga skupisk cząsteczek dodatnich i ujemnych brak oddziaływania ØZakłócenie równowagi teoretyczna możliwość wyzwolenia sił ‘ogromnych’: Ø Jeśli każda z osób stojących blisko siebie miałaby o 1% więcej ładunków ujemnych niż dodatnich to siła odpychania byłaby zdolna zrównoważyć ciężar Ziemi!!!!!!! Wd. WI 2015 PŁ 101

Rodzaje sił w przyrodzie (4) ØMechanizmy utrzymujące atomy w całości: Ø Efekty kwantowe – zasada nieoznaczoności (średni pęd tym większy im bardziej ograniczony obszar) ØMechanizmy utrzymujące jądro atomu w całości: Ø Jądrowe siły nieelektryczne o małym zasięgu (maleją szybciej niż 1/r 2) Wd. WI 2015 PŁ 102

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

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 Wd. WI 2015 PŁ 104 zdolną do samodzielnego istnienia

Budowa materii (2) • Teoria budowy atomu Niels Bohr • Dookoła jądra złożonego z protonów i neutronów krążą elektrony (liczba elektronów równa liczbie protonów atom elektrycznie obojętny) • Elektrony (cząsteczki ujemne) układają się w warstwy (powłoki) • Od liczby elektronów w powłoce zewnętrznej zależy elektroprzewodnictwo Wd. WI 2015 PŁ 105

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) Wd. WI 2015 PŁ 106

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) Wd. WI 2015 PŁ 107

• ELEKTRONY I POZIOMY oznaczane są tzw. Liczbami kwantowymi: 1) n => główna liczba kwantowa (poziom energetyczny) 2) l => orbitalna liczba kwantowa (kształt orbity) 3) ml => magnetyczna liczba kwantowa (określa kierunek orbity) 4) ms => spinowa liczba kwantowa (kierunek ruchu, czy spin jest zgodny z ruchem wskazówek zegara) Maksymalna liczba elektronów 2 n 2 POZIOMY ENERGETYCZNE ZAPEŁANIANE SĄ SEKWENCYJNIE (OD NAJNIŻSZEGO); NAJDALSZE MOGĄ NIE BYĆ ZAPEŁNIONE CAŁKOWICIE Wd. WI 2015 PŁ 108

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

Prąd elektryczny Zjawisko fizyczne polegające na uporządkowanym ruchu ładunków Wielkość skalarna będąca ilorazem elementarnego ładunku przenoszonego przez dany przekrój poprzeczny w ciągu pewnego czasu elementarnego do tego czasu Wd. WI 2015 PŁ 110

Co to jest pole? • Tam gdzie pojawiają się ładunki powstają wzajemne odziaływania między nimi pole elektryczne • POLE STAN PRZESTRZENI OKREŚLONY WIELKOŚCIAMI FIZYCZNYMI • Rodzaje pól – Skalarne – Wektorowo-skalarne Wd. WI 2015 PŁ 111

Poziomice Zbocza gór Obszary leśne Temperatura Kierunek wiatru Prędkość zmian Wd. WI 2015 PŁ 112

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. Wd. WI 2015 PŁ 113

• POLE ELEKTRYCZNE wywołane przez POLE ELEKTRYCZNE ładunki elektryczne i charakteryzujące się tym, że na nieruchome ciała naładowane umieszczone w nim działa siła • POLE ELEKTROSTATYCZNE pole POLE ELEKTROSTATYCZNE elektryczne wywołane przez nieruchome ładunki • POLE MAGNETYCZNE wytworzone przez POLE MAGNETYCZNE 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) Wd. WI 2015 PŁ 114

Ładunek elektryczny(1) To cecha cząstek elementarnych powodująca, że podlegają one działaniom elektromagnetycznym • WŁAŚCIWOŚCI: • Ładunki cząstek i ich układów stanowią krotność ładunku elementarnego: Wd. WI 2015 PŁ 115

Ładunek elektryczny (2) • 1 C (kulomb) jednostka ładunku – to ładunek elektryczny jaki jest przenoszony w ciągu jednej sekundy przez dany przekrój przewodu stałym prądem 1 ampera • Masa elekronu Wd. WI 2015 PŁ 116

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 Wd. WI 2015 PŁ 117

• 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 Wd. WI 2015 PŁ 118

Gęstość ładunku • Jeżeli ładunek jest rozłożony równomiernie w pewnym obszarze przestrzeni to można zdefiniować gęstość objętościową ładunku ładunek „ro” objętość Wd. WI 2015 PŁ 119

Prawo Coulomba wektor jednostkowy (wersor) r Wd. WI 2015 PŁ Odległość ładunków 120

Prawo Coulomba Ładunki punktowe Przenikalność dielektryczna środowiska (bezwzględna) Wd. WI 2015 PŁ Siła oddziaływania 121

Prawo Coulomba (ładunki jednoimienne) r Wd. WI 2015 PŁ 122

Prawo Coulomba (ładunki różnoimienne) r Wd. WI 2015 PŁ 123

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. Wd. WI 2015 PŁ 124

Wzór Lorentza (1) Odziaływanie pola elektrycznego na ładunek Odziaływanie pola magnetycznego Wd. WI 2015 PŁ na ładunek w ruchu 125

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

Wzór Lorentza (3) Wd. WI 2015 PŁ 127

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 Wd. WI 2015 PŁ 128

Natężenie pola elektrycznego (wzór) Wd. WI 2015 PŁ 129

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

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. ) Wd. WI 2015 PŁ 131

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (+) + Wd. WI 2015 PŁ 132

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (-) - Wd. WI 2015 PŁ 133

Linie sił pola od dwóch równych ładunków różnoimiennych Wd. WI 2015 PŁ 134

Linie sił pola od dwóch równych ładunków dodatnich Wd. WI 2015 PŁ 135

Polaryzacja • Cząsteczka jako całość jest obojętna ładunki elektronów i jąder równoważą się • Nie wyklucza to posiadania właściwości elektrycznych: zastąpmy ładunki jąder wypadkowym ładunkiem +q i +q umieśćmy go w środku ciężkości ładunków składowych; podobnie ujemne ładunki zastąpmy ładunkiem -q • Otrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o momencie pe + Wd. WI 2015 PŁ 136

Polaryzacja + Wd. WI 2015 PŁ 137

Polaryzacja (cd) • Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku w stosunku do natężenia w próżni jest efektem polaryzacji. • Przy braku pola elektrycznego dielektryk jest obojętny elektrycznie; w zewnętrznym polu dipole wytwarzające własne pole elektryczne ustawiają się tak, że ich wypadkowe pole przeciwdziała zewnętrznemu osłabiając je. Stopień polaryzacji określa wektor polaryzacji proporcjonalny do wektora natężenia pola elektrycznego: Podatność bezwzględna Wd. WI 2015 PŁ 138

Wektor indukcji • Wprowadźmy nową wielkość wektorową Wd. WI 2015 PŁ 139

Wektor indukcji (cd) Wd. WI 2015 PŁ 140

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

Strumień indukcji Pole powierzchni przez którą przenika wektor indukcji Wartość wektora indukcji (prostopadła do powierzchni S i stała na całej powierzchni) S Wd. WI 2015 PŁ 142

Strumień indukcji w przypadku ogólnym a n l a m r no S Wd. WI 2015 PŁ 143

Strumień indukcji w przypadku ogólnym Wd. WI 2015 PŁ Całka powierzchniowa 144

Prawo Gaussa Strumień indukcji przez dowolną powierzchnię zamkniętą równa się sumie algebraicznej ładunków elektrycznych obejmowanych przez tę powierzchnię Wd. WI 2015 PŁ 145

Pole magnetostatyczne • POLE MAGNETYCZNE wytworzone przez poruszające się ładunki elektryczne. Charakteryzuje się tym, że na poruszające się w nim ciała naładowane działa siła • POLE MAGNETOSTATYCZNE stałe w czasie pole wytworzone przez magnesy trwałe i przez prądy stałe. Wd. WI 2015 PŁ 146

Wd. WI 2015 PŁ 147

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

Strumień magnetyczny a n l a m r no S Wd. WI 2015 PŁ 149

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

Napięcie magnetyczne Wd. WI 2015 PŁ 151

Napięcie magnetyczne na odcinku o stałym natężeniu Wd. WI 2015 PŁ 152

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

Ilustracja prawa przepływu Wd. WI 2015 PŁ 154

Natężenie i indukcja magnetyczna przenikalność magnetyczna Wielkość fizyczna charakteryzująca środowisko ze względu na jego magnetyczne właściwości przenikalność magnetyczna próżni Wd. WI 2015 PŁ przenikalność magnetyczna 155 względna

Istota magnetyzmu Ładunek magnetyczny Wd. WI 2015 PŁ 156

mikroprądy Wd. WI 2015 PŁ 157

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

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 Wd. WI 2015 PŁ 159

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: Wd. WI 2015 PŁ 160

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) Wd. WI 2015 PŁ 161

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 Wd. WI 2015 PŁ 162

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza) (cd) + Wd. WI 2015 PŁ 163

Cewka w polu magnetycznym 1 2 3 z Przy zmianie strumieni poszczególnych zwojów indukują się w nich siły elektromotoryczne (napięcia indukowane): Wd. WI 2015 PŁ 164

Indukcja wzajemna cewek Cewka 1 Cewka 2 Wd. WI 2015 PŁ 165

Cewka 1 Cewka 2 Wd. WI 2015 PŁ 166

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: Wd. WI 2015 PŁ 167

Siły elektrodynamiczne Wd. WI 2015 PŁ 168

Siły elektrodynamiczne (cd) Wd. WI 2015 PŁ 169

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 Wd. WI 2015 PŁ prądu 170

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

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. Wd. WI 2015 PŁ 172

Ładowanie i rozładowanie superkondensatora • Ładowanie i rozładowanie kondensatora zbudowanego z nanorurek. Elektolit: 1. 4 M TEABF 4 w acetonitrylu. • E. Frackowiak et al. / Fuel Processing Technology 77– 78 (2002) 213– 219 Wd. WI 2015 PŁ 173

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 Wd. WI 2015 PŁ 174

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-V 3, • 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 200 V zostały użyte w hybrydowym BMW Wd. WI 2015 PŁ 175 X 5 do hamowania regeneracyjnego.