Ljubo Malesevic - Osnove Elektotehnike - I Dio UVOD

Ljubo Malešević

OSNOVE ELEKTROTEHNIKE I Dio

UVOD

SVEUČILIŠTE U SPLITU STUDIJ RAČUNARSTVA Split, 2004.

1

a

1 UVOD • Međunarodni sustav jedinica (SI) • Kratka povijest razvoja elektrotehnike

Međunarodni sustav jedinica: Mjerenje je svakodnevna potreba mnogih ljudi. Mjeriti znači uspoređivati. Mjerne jedinice u Republici Hrvatskoj uređene su Zakonom o mjernim jedinica ( Narodne novine br. 58, 18. lipnja 1993. ) te Hrvatskim normama (HRN ISO 1000 i niz HRN ISO 31), sve slijedom međunarodnih dogovora temeljenih na Dogovoru o metru iz 1875. godine. Zakonite se jedinice razvrstavaju u pet skupina: 1. jedinice Međunarodnog sustava, tzv. jedinice SI 2. decimalne jedinice od jedinica SI tvore se pomoću decimalnih predmetaka 3. iznimno dopuštene jedinice izvan SI sustava 4. decimalne jedinice od nekih iznimno dopuštenih jedinica 5. složene mjerne jedinice Popisi su jedinica prilagođeni posljednjem izdanju Le Systeme International d´ unites 1998. g. prema kojemu će se usklađivati norme i državni zakoni o mjernim jedinicama, pa tako i hrvatski Zakon o mjernim jedinicama.

OSNOVNE JEDINICE SI SUSTAVA

UVOD

Naziv

Znak

Veličina

metar

m

duljina

kilogram 1)

kg

masa

sekunda

s

vrijeme

2

a

1)

amper

A

električna struja

kelvin

K

termodinamička temperatura

mol

mol

množina (količina)

kandela

Cd

svjetlosna jakost

Decimalne jedinice za masu ne tvore se od kilograma, nego od grama.

Temeljni sustav jedinica u elektrotehnici: MKSA (metar, kilogram, sekunda, Amper): METAR - duljina jednaka 1650763,73 valnih duljina zračenja u vakuumu koje odgovara prijelazu između razine 2p10 i 5d5 atoma kriptona 86 KILOGRAM - masa međunarodne pramjere kilograma (u Sevru kraj Pariza) SEKUNDA – trajanje 9192631770 perioda zračenja koje odgovara prijelazu između dviju hiperfinih razina osnovnog stanja atoma cezija 133 AMPER – jakost stalne električne struje koja kad se održava u dva ravna paralelna vodiča neograničene duljine i zanemariva kružnog presjeka, koji se nalaze u vakuumu na međusobnoj udaljenosti 1 metar, uzrokuje među tim vodičima silu koja je jednaka 2x10-7 newtona po metru duljine

IZVEDENE JEDINICE SI SUSTAVA Sa sedam osnovnih veličina mogu se izvesti sve ostale veličine, odnosno izvedene jedinice. Naziv

Znak

Veza s drugim jedinicama SI

Veličina

bekerel

Bq

s–1

aktivnost radioaktivnog izvora

Celzijev stupanj1)

°C

K

Celzijeva temperatura

džul

J

Nm

rad, energija, toplina

farad

F

C/V

električni kapacitet

grej

Gy

J/kg

apsorbirana doza ionizirajućeg zračenja

henri

H

Wb/A

induktivnost

herc

Hz

s–1

frekvencija

kulon

C

As

elektricitet

NEKE OD IZVEDENIH JEDINICA SI BEZ POSEBNIH NAZIVA I ZNAKOVA NAZIV četvorni metar kubni metar metar u sekundi metar u sekundi na kvadrat UVOD

ZNAK m2 m3 m/s m/s2

VELIČINA ploština obujam brzina ubrzanje

3

a kubni metar u sekundi kilogram po kubnom metru džul po četvornom metru džul po kilogramu džul po kilogramkelvinu kandela po četvornom metru mol po kubnom metru

m3/s kg/m3 j/m2 j/kg j/(kgk) cd/m2 mol/m3

obujamni protok gustoća energijska gustoća energijski tijek specifični toplinski kapacitet svjetlosna gustoća množinska koncentracija

NEKE OD IZNIMNO DOPUŠTENIH JEDINICA VEZA S JEDINICAMA SI

VELIČINA

Uporaba samo za

morska milja

1852 m

duljina

pomorski, riječni i zračni promet

astronomska jedinica

~1,495 978 7·1011 m

NAZIV

ZNAK

ar

a

100 m2

hektar

ha

10 000 m2

litra

l, l

10–3 m3 = dm3

stupanj

1°

minuta

1´

sekunda

1″

atomska jedinica mase

u

ploštinu zemljišta

obujam

~1,66057 · 10–27 kg

gram

g

10–3 kg

tona

t

103 kg

minuta

min

60 s

sat

h

3 600 s

dan

d

86 400 s

čvor

kt

1 milja / sat

bar

bar

105 pa

milimetar živina mmhg stupca

ploština

kut

2 · 10–4 kg

karat

astronomiju

fiziku i kemiju masa

masu dragulja

vrijeme

brzina

pomorski i zračni promet

133,322 pa

tlak

izražavanje tlaka tjelesnih tekućina

elektronvolt

eV

~1,60219·10–19 J

energija

posebna područja

var

var

1w

snaga

reaktivnu (jalovu) snagu izmjenične električne struje

UVOD

4

a PREDMETCI ZA TVORBU DECIMALNIH JEDINICA Predmetak peta tera giga mega kilo hekto deka deci centi mili mikro nano piko femto

ZNAK VRIJEDNOST P 1015 T 1012 G 109 M 106 K 103 H 102 Da 10 D 10–1 C 10–2 m 10–3 µ 10–6 n 10–9 p 10–12 f 10–15

Grčka slova Αα Ββ Γγ ∆δ Εε Ζζ Ηη Θθ Κκ Λλ Μµ Νν Ξξ Ππ Pρ Σσ Tτ Φφ Χχ Ψψ Ωω

UVOD

alfa beta gama delta epsilon zeta eta theta kapa lambda mi ni ksi pi ro sigma tau fi hi psi omega

5

a

Kratka povijest razvoja elektrotehnike •Grčki

filozof Thales iz maloazijskog Mileta (640.–547. g.p.kr.) - jantar natrljan vunenom krpom privlači lagane predmete kao što su suhi komadići lišća, komadići papira. Grčki naziv jantara elektron (latinski ELECTRUM), je korijen današnjeg naziva za elektricitet. Kinezi otkrili prvi kompas. •1600. g. engleski liječnik William Gilbert – eksperimenti sa staklenim štapom i vunenom krpom. Dva staklena štapa se odbijaju Þ pored privlačnih javljaju se i odbojne sile. •1663. g. Nijemac Von Guericke - prva naprava za elektriziranje (trenjem sumporne kugle o svileni rubac), rotirajući elektrostatički generator. •1729. g. Englez Grey - neke tvari imaju sposobnost vođenja elektriciteta, a druge nemaju. Danas ih nazivamo vodičima, odnosno izolatorima. •1734. g. Francuz Du Fay - elektrizirani stakleni predmeti međusobno se odbijaju, a privlače elektrizirane predmete od jantara Þ postoje dvije vrste elektriciteta (smolasti i staklasti elektricitet). •1745. g. u Leidenu u Nizozemskoj od staklene boce napravljen je spremnik elektriciteta (prvi električni kondenzator) - Lajdenska boca. Proširila je opseg eksperimentiranja sposobnošću da pohrani velike količine električnog naboja. •1752. g. Amerikanac Benjamin Franklin - letećim zmajem skuplja električni naboj za vrijeme oluje i utvrđuje električnu prirodu munje. Postavlja temelj kasnijeg razvoja teorije o elektricitetu. Uvodi pojmove pozitivnog i negativnog električnog naboja. Uočava da trenjem nastaju jednake količine pozitivnog i negativnog naboja. 1760. g. otkriva gromobran. •1785. g. Francuz Charles Augustin de Coulomb - mjeri silu između dviju nabijenih kugli. Izvodi izraz za električnu silu između dvaju naboja (Coulombov zakon). •1791. g. talijanski liječnik Galvani - pokus sa životinjskim elektricitetom (žablji krakovi) koji vodi prema otkriću prvog naponskog izvora. •1796. g. Talijan A. Volta - osim trenjem, pozitivni i negativni naboji mogu se razdvojiti i kemijski (između dvaju raznih metala uronjenih u vodljivu tekućinu). 1800. g predstavljen je prvi kemijski izvor elektriciteta (Voltin članak). Ta se godina smatra početkom stjecanja znanja iz područja elektrotehnike. •1812. g. Englez Davy – otkriće električnog luka. •1820. g. Danac Oersted - veza elektriciteta i magnetizma (magnetska igla se otklanja u blizini vodiča protjecanog strujom). •Francuz Andre Maria Ampere - izračun električne sile između paralelnih vodiča protjecanih strujom. •Francuzi Biot i Savart - eksperimentalno određuju zakon djelovanja magnetskih sila. •1826. g. Nijemac Ohm - formulira zakon o odnosu električnog napona i struje kojim se definira električni otpor (Ohmov zakon). •1831. g. Englez Michael Faraday - promjenljivo magnetsko polje izaziva pojavu električnog napona (elektromagnetska indukcija). Uvodi pojmove električnog i magnetskog polja te ukazuje na njihovu povezanost. Usavršava spremnik elektriciteta i uvodi naziv kondenzator. •1834. g. Nijemac Lenz - inducirani napon suprotstavlja se uzroku (promjeni magnetskog polja) – Lenzovo pravilo. •1837. g. S. Morse – električni telegraf •1841. g. Englez Joule - zakon o toplinskom djelovanju električne struje. •1845. g. Nijemac Kirchhoff - temeljni zakoni strujnih krugova (Kirchhoffovi zakoni). •1867. g. Nijemac Werner fon Siemens – dinamoelektrični stroj (dinamo) proizvodnja električne energije na industrijskoj bazi. •1869. g. – prvi električni generator za industrijske svrhe •1875. g. – Graham Bell - telefon.

UVOD

6

a

•1877. g. američki izumitelj T. A. Edison – ugljeni mikrofon •1879. g. T. A. Edison - električna žarulja •1879. g. - prva javna elektrana (CEL) •1875. g. Škot J.C. Maxwell - matematički razrađuje ideje Faradaya o sprezi električnog i magnetskog polja (Maxwellowe jednadžbe). •1881. g. – Prva električna željeznica (Siemens) •1888. g. Nikola Tesla - trofazni asinkroni motor •1888. g. Nijemac Hertz proizvodi elektromagnetske valove čime potvrđuje Maxwellovu teoriju i postavlja temelj bežičnog prijenosa signala. •1895. g. Rontgen – X zrake •1896. g. N. Tesla – bežični prijenos signala (32 km) •1897. g. Englez Thompson - električna struja sastoji se od ELEKTRONA koji su sastavni dio svakog atoma. •1897. Brown – Katodna (Brownova) cijev •1901. g. Marconi - radiotelegrafska veza preko Atlantika ______________________________________________________________________ •1904. g. Fleming – prva elektronska cijev (dioda) •1906. g. Lee de Forest – trioda Þ električno pojačalo •1911. g. Kamerdingh-Onnes - supravodljivost •1915. g. Claude – neonska cijev •1923. g. Engl&Vogt – prvi javni tonfilmski uređaj •1925. g. – snimanje gramofonske ploče (BELL) •1929. g. - Elektronski TV sustav (Zworykin) •1931. g. – Elektronski mikroskop (Ruska) •1935. g. – Radarsko lociranje (Watsson-Watt) •1939. g. – Prvi redoviti TV program (NBC) •1940. g. – TV prijamnik u boji (RCA) •1946. g. – Elektroničko računalo (ENIAC) (Univ. of Pens.) •1947. g. – Poluvodički tranzistor (BELL) •1958. g. – Integrirani krug – IC (TEXAS instruments) •1960. g. – Laser (Maimann) •1960. g. – Komunikacijski satelit (NASA) •1971. g. – Proizvodnja mikroprocesora (INTEL) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

UVOD

7

a

2 TEMELJNI POJMOVI O ELEKTRICITETU • Struktura materije • Podjela materije obzirom na električna svojstva • Elektriziranje materije

Struktura materije •Elektron – najmanja subatomska negativna čestica koja se može naći u prirodi. Naboj elektrona: e− = −1,602 ⋅ 10 −19 As Masa elektrona : meo = 9 ,11 ⋅ 10 −31 kg Masa elektrona u gibanju: me =

meo 1−

v2 c2

Proton – najmanja subatomska pozitivna čestica jednakog iznosa naboja kao i elektron. Naboj protona: p+ = +1,602 ⋅ 10 −19 As Masa protona (1800 puta veća od mase elektrona): m p = 1,67 ⋅ 10 −27 kg = mn Neutron – neutralna subatomska čestica približno jednake mase kao i proton.

Podjela materije obzirom na električna svojstva Električna svojstva materijala određena su energijskim razinama njegovih atoma. •Vodiči – slobodni elektroni u zadnjoj ljusci se minimalnim utroškom energije izbacuju iz nje i prelaze u susjednu ljusku. Usmjereno gibanje e je električna struja. primjer: 29Cu 2(K) + 8(L) + 18(M) + 1(N) UVOD

8

a

•Poluvodiči – pod utjecajem električnih sila stvaraju se parovi slobodni elektron – šupljina kao

nositelji vodljivosti. primjer: 14Si 2(K) + 8(L) + 4(M) •Izolatori – električne sile ne izbacuju elektrone iz orbitalnih ljuski. Kemijski elementi koji u posljednjoj ljuski imaju 8 elektrona (oktet) su stabilni kemijski elementi. primjer: 36Kr 2(K) + 8(L) + 18(M) + 8(N)

Elektriziranje materije • Materija je općenito električki neutralna • Dovođenjem materiji kvantuma energije materija se ionizira i postaje elektrizirana.

E

Kation (pozitivni ion) Anion (negativni ion) •ION – Atom (ili molekula) s viškom ili manjkom elektrona • Atom DONOR – Atom koji predaje jedan ili više elektrona • Atom AKCEPTOR – Atom koji prima jedan ili više elektrona •ANION se u procesu elektrolize taloži na pozitivnu elektrodu - ANODU • KATION se u procesu elektrolize taloži na negativnu elektrodu – KATODU

UVOD