Obwody elektryczne prądu stałego

Obwody prądu stałego
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Podstawowe prawa elektrotechniki w
zastosowaniu do obwodów elektrycznych:
Obwód elektryczny – zespół elementów tworzących zamkniętą drogę
dla przepływu prądu elektrycznego.
Prąd płynie od wyższego do niższego potencjału.
Potencjał wyższy oznaczamy „+”, a niższy „-”.
W skład obwodu elektrycznego wchodzą:
• źródło
• odbiornik
• przewody
Prawo Ohma:
gdzie: U – napięcie, I – natężenie prądu, R – rezystancja (w omach [Ω])
rezystancja:
gdzie: ρ - rezystywność, l – długość , S – przekrój elementu
Zależność R od temperatury:
Konduktancja (wyrażona w simensach [S]):
Prosty obwód prądu stałego:
Prąd:
Napięcie:
Energia
Moc:
Elektrochemiczne źródła energii elektrycznej
Ogniwa nieodwracalne – (pierwotne) w wyniku przemian
chemicznych zachodzących podczas przepływu prądu
elektrycznego powstają w nich nieodwracalne zmiany.
Przykładem są baterie do zasilania urządzeń elektrycznych.
Ogniwa odwracalne – (wtórne) można je wielokrotnie ładować i
rozładowywać. Ładowanie polega na gromadzeniu energii
chemicznej w ogniwie pod wpływem przepływu prądu
wymuszonego przez zewnętrzne źródło napięcia stałego.
Przykładem mogą być akumulatory samochodowe.
Prąd elektryczny w elektrolicie
Elektrolit – roztwór kwasu zasady lub soli.
Jeśli umieścimy w elektrolicie dwie elektrody w postaci płytek z różnych
metali, powstanie pomiędzy nimi różnica potencjałów. Urządzenie takie
będzie ogniwem elektrochemicznym. Jest ono źródłem napięcia
stałego.
W elektrolicie obecne są jony – cząstki obdarzone ładunkiem
elektrycznym. Jony dodatnie to cząstki metali, a ujemne to reszty
kwasowe lub grupy wodorotlenowe. Na skutek reakcji chemicznych
dodatnie jony metali, z których wykonane są elektrody, rozpuszczają się
w elektrolicie. Elektrony swobodne pozostają w metalu elektrod
zbierając na nich ładunek ujemny. Obie elektrody ładują się ujemnie,
ale ilość elektronów na nich jest różna, co powoduje powstanie różnicy
potencjałów (napięcia).
Ruch jonów dodatnich i ujemnych w ogniwie galwanicznym
Rodzaje ogniw:
Ogniwo Laclanchego – najbardziej rozpowszechnione (popularne
bateryjki). W skład ogniwa wchodzą: elektroda węglowa (dodatnia),
elektroda cynkowa (ujemna), elektrolit (salmiak {chlorek amonowy
NH4Cl} mokry lub suchy). Daje ono napięcie 1,5V
Ogniwo Westona – wykorzystywane jako wzorzec napięcia.
Wykonywane jako nasycone lub nienasycone. Wartość SEM
nasyconego ogniwa Westona wynosi 1,018650V w temp. 20oC.
Akumulatory kwasowe (ołowiowe)
Elektrolit stanowi w nich wodny roztwór kwasu siarkowego (stężenie
22-30%, gęstość 1,18-1,28 g/cm3). Elektrodami są płyty wykonane w
postaci kratki zawierającej tzw. masę czynną. Płyta dodatnia zawiera
pastę z dwutlenku ołowiu, a płyta ujemna gąbczasty ołów. Napięcie
między płytami wynosi 2V.
Akumulator zawiera kilka osobnych celek połączonych szeregowo
(najczęściej 6 o łącznym napięciu 12V).
W czasie rozładowywania masa czynna płyt przekształca się w siarczan
ołowiu , a gęstość elektrolitu zmniejsza się. Podczas ładowania reakcje
te są odwracane.
Akumulator charakteryzuje pojemność wyrażona w Ah
(amperogodzinach). Wyznacza się ją w oparciu o rozładowanie w czasie
20 godzin (wartość 20-godzinna).
Zasada działania akumulatora kwasowego.
a) naładowany, b) rozładowywanie, c) rozładowany, d) ładowanie
Akumulatory zasadowe.
Funkcję elektrolitu pełni w nich zasada (najczęściej wodorotlenek
potasu KOH).
Rozróżniamy akumulatory zasadowe:
Niklowo-kadmowe
Niklowo-żelazowe
Srebrowo-cynkowe
Srebrowo-kadmowe
Mają mniejszą sprawność od akumulatorów kwasowych, ale są bardziej
odporne na zwarcia, przeciążenia i uszkodzenia mechaniczne.
Obecnie zamiast akumulatorów kwasowych stosuje się w samochodach
akumulatory zasadowe (bezobsługowe). Nie wymagają uzupełniania
elektrolitu. Posiadają wskaźniki naładowania w postaci specjalnego
okienka pokazującego różne kolory informujące o stanie akumulatora.
Stosuje się też akumulatory żelowe odporne na uszkodzenia
mechaniczne (w skutek rozbicia nie wycieka elektrolit).
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999
S.Okoniewski „Technologia dla elektroników” WSiP