Powtórzenie elektryka.doc

ELEKTRYKA

1.       Elementy magnetyzmu:
Siła elektrodynamiczna – siła, która działa na przewodnik elektryczny, przez który płynie prąd elektryczny, umieszczony w polu magnetycznym.
F = I × l × B × sinα
α jest to kąt między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola.
B – indukcja magnetyczna. Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (T). Kierunek i zwrot wektora siły magnetycznej (elektrodynamicznej) określa reguła lewej dłoni.
Zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik skutkuje też wytwarzaniem prądu w trakcie jego przemieszczania w polu magnetycznym. Napięcie elektryczne wytwarzane w ten sposób jest nazywane siłą elektromotoryczną.
Siła Lorentza:
Jest to siła działająca na cząstkę o ładunku elektrycznym q, poruszającą się w polu magnetycznym z prędkością v, skierowaną w dowolnym kierunku względem wektora indukcji magnetycznej B:

gdzie: q - wartość ładunku elektrycznego, v - prędkość cząstki w polu magnetycznym, B - indukcja magnetyczna.
Siła Lorentza skierowana jest zawsze prostopadle do prędkości cząstki naładowanej i nadaje jej przyspieszenie normalne (tzn. wzdłuż prostopadłej do toru cząstki).

2.      

Siła elektromotoryczna:
Jest to stosunek równy liczbowo pracy jaką wykona ogniwo przy przeniesieniu między biegunami (elektrodami) ładunku jednostkowego:
                            z prawa Ohma: ε = I × rw + U

3. Prawo Coulomba:
   Siła wzajemnego oddziaływania dwu ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do ich iloczynu i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości międzi nimi.
    
4. Pole elektrostatyczne:

Rodzaje pól:

·         Jednorodne pole elektryczne występuje między równoległymi płytami metalowymi naelektryzowanymi różnoimiennie.

·         Centralne pole elektryczne jest wytwarzane przez spoczywający ładunek punktowy lub jednorodnie naelektryzowaną sferę/kulę.

Natężenie pola elektrostatycznego:
Dla pola centralnego:
                            lub:                            gdzie q0 – ładunek próbny

Kondensator jest najczęściej spotykanym źródłem pola elektrostatycznego jednorodnego, którego natężenie oblicza się jako iloraz różnicy potencjałów na okładkach i odległości między nimi:
 

Potencjał:
                            lub:             

5. Dipol jest układem dwóch ładunków punktowych +q i -q znajdujących się w odległości l od siebie. Iloczyn ql nazywamy momentem dipolowym
   pe = ql

6. Impedancja elektryczna obwodu RLC:
   Impedancja elektryczna (Z) to wielkość zespolona charakteryzująca obwód elektryczny, w którym znajdują się połączone szeregowo:

·         Opór omowy R

·         Indukcyjność L

·         Pojemność C

Dla oporów zmiennych impedancja gra rolę analogiczną do oporu omowego dla prądów stałych. Tak więc przy łączeniu szeregowym dodajemy do siebie impedancje , przy łączeniu zaś równoległym impedancje wypadkową określa wzór:
 

7. Opór czynny jest inaczej zwany rezystancją. Dla większości materiałów ich rezystancja nie zależy od natężenia prądu, wówczas natężenie prądu jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma:
   
   Rezystancja przewodnika o jednakowym przekroju poprzecznym do kierunku przepływu prądu jest proporcjonalna do długości przewodnika, odwrotnie proporcjonalna do przekroju i zależy od materiału, co wyraża wzór:
    
8. Opór bierny, czyli reaktancja to wielkość charakteryzująca obwód elektryczny zawierający kondensator (pojemność) lub cewkę (indukcyjność). Jednostką reaktancji jest om. Reaktancję oznacza się na ogół symbolem X.
   Reaktancja cewki:
   XL = ωL
   Reaktancja kondensatora:
   
   Sumarycznie:               X = XL – XC
9. Konduktancja (przewodność elektryczna) jest odwrotnością rezystancji. Jest więc miarą podatności elementu na przepływ prądu elektrycznego.
   Zwyczajowo konduktancję oznacza się symbolem G.
   Jednostką konduktancji w układzie SI jest simens (1S).
10. Indukcyjność określa zdolność obwodu do wytwarzania strumienia pola magnetycznego φ powstającego w wyniku płynięcia przez obwód prądu I. Symbolem indukcyjności jest L, jednostką - henr, a jego symbolem H.
    Współczynnik samoindukcji:
                  gdzie: n to liczba zwojów, S to polem powierzchni zwoju a l to długość solenoidu.
11. Kondensator:
    Kondensatorem nazywamy układ dwóch przewodników oddzielonych izolatorem (dielektrykiem). Wielkość charakteryzująca kondensator, to jego pojemność, czyli stosunek wartości ładunku, znajdującego się na jednej jego okładce, do napięcia między okładkami.
                                             
    Pojemność kondensatora płaskiego obliczamy ze wzoru:
    
    gdzie S to powierzchnia czynna okładek, d to odległość między nimi, ε0 to przenikliwość elektryczna dla próżni a εr to względna przenikliwość elektryczna dielektryka między okładkami.
    Szeregowe łączenie kondensatorów:
    
    Równoległe łączenie kondensatorów:
    C = C1 + C2 + C3

12.   RLC:
Natężenie prądu w szeregowym obwodzie RLC z doprowadzonym napięciem sinusoidalnie zmiennym wynosi:
I = I0sin(ωt)
Napięcie na zaciskach źródła:

Zawada szeregowego obwodu RLC to całkowity opór takiego obwodu:

Mogą zajść następujące przypadki:

obwód ma charakter indukcyjny, kąt przesunięcia fazowego jest większy od zera, więc natężenie prądu spóźnia się w fazie w stosunku do napięcia na zaciskach źródła

obwód ma charakter pojemnościowy, kąt przesunięcia fazowego jest mniejszy od zera, napięcie na zaciskach źródła spóżnia się w fazie w stosunku do natężenia prądu

zachodzi rezonans napięć, kąt przesunięcia fazowego jest równy zero, napięcie na zaciskach źródła jest zgodne w fazie z natężeniem prądu. W tym przypadku zawada obwodu jest najmniejsza, więc natężenie prądu osiąga największą wartość. Analogicznie dla równoległego obwodu RLC wystąpić może rezonans prądów. Obydwa te zjawiska mogą być bardzo groźne dla całości układu (może wystąpić uszkodzenie elementów). W mieszanych układach występować może wielokrotny rezonans częściowy.

13.   Rezonans w obwodzie RLC:
Rezonans następuje wtedy gdy reaktancje cewki XL i kondensatora XC są równe (warunek rezonansu): XL = XC
Częstotliwość rezonansowa (czyli taka, przy której zachodzi rezonans napięć) wynosi:

(wzór Thomsona)
Gdy cewka i kondensator połączone są szeregowo i zasilane prądem przemiennym I, to elementach tych występuje spadek napięcia - UC na kondensatorze, a UL na cewce. Ponieważ kierunki przesunięcia faz napięcia względem prądu są przeciwne, to napięcia te znoszą się wzajemnie. Dla pewnej określonej częstotliwości, gdy napięcie na cewce zrówna się z napięciem na kondensatorze to napięcia te zniosą się zupełnie - zachodzi dla tej częstotliwości rezonans napięć. Obwód rezonansowy ma dla tej częstotliwości zerową oporność, gdyż dla każdej wartości natężenia prądu I' napięcie U jest równe 0 (Napięcie na cewce i na kondensatorze są różne od zera i mogą osiągać bardzo duże wartości).

14. Kąt przesunięcia fazowego:
    Kąt φ określa przesunięcie fazowe między prądem a napięciem. Np. dla kondensatora jest ono -90o. Jest tak dlatego, że do nienaładowanego kondensatora płynie największy prąd (minimum napięcia odpowiada maksimum prądu), a po naładowaniu prąd ustaje (maksimum napięcia odpowiada minimum prądu). Gdy spojrzeć na sinusoidę prądu widzimy, że przesunięcie fazowe jest tutaj -90o. Dla rezystora przesunięcie jest zerowe. Dla cewki jest 90o (wynikające z reguły Lenza). Dla układów złożonych z rezystancji, cewek i kondensatorów, przesunięcie może mieć dowolną wypadkową wartość.

Kondensator:                                                        Cewka:

15.   Promieniowanie elektromagnetyczne:
Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej w której składowa elektryczna i magnetyczna prostopadłe do siebie i kierunku ruchu, nawzajem się przekształcają. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Źródłem pola EM jest drgający lub przyspieszany ładunek elektryczny.

16.   Prawo Ohma:
Prawo fizyki głoszące, że stały prąd I płynący w przewodniku jest wprost proporcjonalny do
przyłożonego napięcia U (napięcie elektryczne).
U = RI
gdzie współczynnik proporcjonalności R jest oporem elektrycznym (oporność elektryczna).

17.   Prawa Kirchhoffa:
I Prawo Kirchhoffa mówi, że suma algebraiczna natężeń prądów schodzących się w węźle sieci równa się zero:

czyli np: I1+I2+I3-I4-I5 = 0
II Prawo Kirchhoffa stanowiąca uogólnienie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego, możemy sformułować w następujący sposób:
Suma algebraiczna sił elektromotorycznych ogniw i napięć na oporach napotkanych podczas „obchodu” danego oczka sieci jest równa zero:
 

18.   Przewodnik elektryczny – substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Przewodniki zbudowane są z atomów, od których łatwo odrywają się elektrony walencyjne (jeden, lub więcej), które z kolei tworzą wewnątrz przewodnika tzw. gaz elektronowy. Elektrony te (gaz elektronowy) nie są już związane z konkretnym jonem dodatnim i mogą się swobodnie poruszać.

Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego (np. dielektryk). Mianem izolatory elektryczne określa się materiały lub wyroby z nich wykonane, w których występuje niska koncentracja nośników swobodnych (elektronów lub jonów), tzn. takich, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu lub po ich powierzchni. Zewnętrzne pole elektryczne może doprowadzić do niewielkiego przesunięcia ładunków związanych. Prowadzi to do polaryzacji dielektryków, w wyniku czego powstaje dipol. Makroskopowo postrzegamy to zjawisko jako gromadzenie się ładunków na powierzchni dielektryka (obojętnego jako całość), ładunki te zmniejszają pole elektryczne w dielektryku w stosunku do zewnętrznego pola elektrycznego (wektor E), co można opisać jako występowanie w dielektryku dodatkowego pola elektrycznego (wektor D) zwanego polem indukcji elektrycznej. Występują następujące rodzaje polaryzacji:

·         polaryzacja elektronowa

·         polaryzacja atomowa

·         polaryzacja orientacyjna

·         polaryzacja jonowa –międzyprzestrzenna

Przenikalność elektryczna względna (liczona względem przenikalności próżni) opisuje właściwości elektryczne ośrodka. Oznaczana jest symbolem εr.

19.   Elektrolit, substancja, które po rozpuszczeniu w odpowiednim rozpuszczalniku, a niekiedy po stopieniu ulega dysocjacji jonowej i wskutek tego w stanie ciekłym lub w roztworach wodnych przewodzą prąd elektryczny dzięki obecności w niej swobodnie poruszających się jonów.

20.   Półprzewodniki, substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik. Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego (teoria pasmowa).
Rodzaje półprzewodników:

·         samoistne

·         domieszkowe

·         fotoprzewodniki

Ze względu na typ nośnika prądu wyróżnia się półprzewodniki:

·         typu n - inaczej nadmiarowe (występuje tu przewodnictwo elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym).

·         typu p - inaczej niedomiarowe (występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa).

·         typu p-n – jeśli półprzewodnik typu p zostanie połączony z półprzewodnikiem typu n to na granicy ich styku tworzy się złącze typu p-n. W obszarze półprzewodnika typu n występuje nadmiar swobodnych elektronów, natomiast w obszarze półprzewodnika typu p – nadmiar dziur. Na powierzchni złącza p-n następuje w wyniku wzajemnego przenikania wypełnienie wolnych dziur przez swobodne elektrony. W wyniku tego procesu złącze zostaje pozbawione swobodnych nośników prądu. W złączu p-n w kierunku prostopadłym do powierzchni styku powstaje różnica potencjałów zwana barierą potencjału.

21.   Pasmowa teoria przewodnictwa:
Najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne - jest to przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Energetyczny model pasmowy jest używany w elektronice głównie do wyjaśniania przewodnictwa w ciałach stałych i niektórych ich własności. Elektronika posługuje się zwykle uproszczonym modelem energetycznym, w którym opisuje się energię elektronów walencyjnych dwoma pasmami dozwolonymi:

·         pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu;

·         pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym.

Przerwa energetyczna pomiędzy tymi pasmami jest nazywana pasmem zabronionym (wzbronionym) lub przerwą zabronioną (energia ta jest oznaczana przez Wg).
 

Bc – pasmo przewodnictwa
Bg – przerwa wzbroniona
Bv – pasmo walencyjne



Żeby w danym materiale mógł płynąć prąd elektryczny muszą istnieć swobodne nośniki - pojawią się one, gdy elektrony z pasma walencyjnego przejdą do pasma przewodnictwa. Musi więc zostać z zewnątrz dostarczona energia co najmniej tak duża, jak przerwa zabroniona. W przewodnikach nie ma pasma zabronionego, natomiast w materiałach izolacyjnych przerwa energetyczna jest bardzo duża (Wg rzędu 10eV). Dostarczenie tak dużej energii zewnętrznej (napięcia) najczęściej w praktyce oznacza fizyczne zniszczenie izolatora.

22.   Temperaturowy współczynnik rezystancji:
Jest wyrażany w ppm/K (milionowych częściach na kelwin) współczynnik zmian oporności rezystora. Wzrost temperatury powoduje:
a) wzrost rezystancji metali i ich stopów – mają one dodatni TWR
b) spadek rezystancji elektrolitów i półprzewodników – mają one ujemny TWR.