Z pogranicza

Podstawy elektroniki - TEORIA

  • 2010-10-31 18:27
  • 11 komentarzy
  • 3049 odsłon
  • Oceń ten tekst jako pierwszy
Ten artykuł wymaga dopracowania!

Jeżeli możesz popraw ten artykuł według zaleceń, które możesz znaleźć na stronie Artykuły do poprawy. Po dopracowaniu tego tekstu można usunąć ten komunikat.



Wstęp

Ponieważ było wiele nieścisłości na forum co do różnych aspektów połączenia komputera do silniczka itp. kombinacji (również słyszałem o otwieranu okien głosem itd.. :))) ), postanowiłem coś o tym skrobnąć.

Zacznijmy od tego co to jest prąd elektryczny: nic innego jak uporządkowany ruch ładunków.. no dobrze, ale co to są ładunki? Na chłopski rozum od razu: ładunku mogą być dodatnie lub ujemne. W zwykłym przykładowym atomie, wokół jądra naładowanego dodatnio, krążą ujemnie naładowane elektrony. W atomie takim liczba elektronów jest równa ilości protonów w jądrze.. zatem ładunki te się nawzajem zerują, bo każdy proton i elektron mają ładunek takiej samej wartości, ale przeciwnego znaku. Przykładowo (od razu w formie makroskopowej): mamy jakąś większą masę (np. z metalu) i niech ma ona mały nadmiar elektronów – wtedy jest naładowana ujemnie. Weźmy teraz inną podobną płytkę, ale z niedoborem elektronów – wtedy jest ona naładowana dodatnio. Spróbujmy te dwie masy połączyć drucikiem – nastąpi wyrównane ładunków – odpowiednia ilość elektronów przejdzie z jednej płytki na drugą, aby ładunki się wyrównały. Przepływ tych elektronów to właśnie prąd elektryczny, może jeszcze nie taki ustabilizowany – ale był.

Oki, to było w wersji na chłopski rozum, i jeżeli tak napiszecie na jakimś egzaminie, to od razu pała! :)) Tak naprawdę, wygląda wszystko lekko inaczej, to tylko wierzchołek góry lodowej, co ja napisałem. Zastanówmy się, dlaczego metale przewodzą prąd (są w stanie dokonać transportu elektronów). Otóż, elektrony w ich atomach nie są spójnie „przywiązane” do atomów, jak w innych materiałach, ale luźno „latają” (można tak powiedzieć) w masie metalu tworząc tzw. gaz elektronowy (chmurę elektronową). Dlatego też metale umożliwiają przepływ prądu elektrycznego.

Od najdawniejszych czasów wiadomo, że natura dąży do tzw. „wyrównania”, dlatego zbliżając np. do siebie dwie masy o takich samych ładunkach (naładowanych jednoimienne), będą się one odpychała, natomiast różnoimiennie – przyciągały. Siły te są ściśle obliczone, jednak my się tym nie zajmujemy.

Ładunek elektryczny

Im mocniejszy jest ładunek, tym bardziej dana masa jest naładowana. Ale ponieważ w fizyce nie zadawalamy się określeniami względnymi „mocniej”, czy też „słabiej”, a dokonujemy pomiaru, zatem można powiedzieć, że ładunek elektryczny też możemy zmierzyć tak naprawdę to bardzo trudno go zmierzyć, ale wymyślono jednostkę dla tej wielkości . A jest nią kulomb. Jest to bardzo duża jednostka, w wyładowaniach atmosferycznych występują rzędy kilku kulombów. I na razie - tyle o tym :)

Potencjał, napięcie

Skoro już znasz pojęcie kulomba, można poznać pojęcie potencjału oraz napięcia. Można powiedzieć, ze im większy jest ładunek na danej masie, tym większy jest potencjał (wartości te wzrastają proporcjonalnie). Oczywiście dla danego materiału można wyznaczyć współczynnik proporcjonalności, jest to w tym przypadku „pojemność elektryczna”, ale nią na razie się nie zajmujemy. Teraz warto sobie zadać pytanie: co to jest ten potencjał? Można powiedzieć, że im jest on większy, tym bardziej jest dana masa naładowana – tym łatwiej dopuścić do jej rozładowania. Potencjału jako takiego nie można zmierzyć, jest to wielkość względna, musimy dobrać względem czego mierzymy. Najprościej oczywiście – względem tzw. potencjału zerowego. Takie coś idealne oczywiście nie istnieje (zawsze jest jakiś potencjał), ale wyobraźmy sobie potencjał zerowy (płytka z ładunkiem równym 0). Inne płytki będą mierzone względem tego właśnie potencjału. Napięcie elektryczne natomiast to różnica potencjałów między dwoma punktami (obiektami). Nie można mówić o napięciu jakiegoś elementu, muszą zostać dobrane dwa punkty, i mówimy że napięcie między nimi jest równe tyle i tyle (inaczej różnica potencjałów). Zarówno potencjał i napięcie mają tą samą jednostkę, jaką jest wolt (V). Przykład: Istnieją dwie płytki o potencjałach odpowiednio: 4 V, 7V. Napięcie między nimi wynosi 3 V. Tu chyba nie ma nic nadzwyczajnego. Nie będę w kursie tym oczywiście rozpisywał definicji wszystkich, to sobie każdy w książce znajdzie – chcę tylko krótko wytłumaczyć podstawowe aspekty elektroniki.

Prąd elektryczny, źródło napięcia

Powiedzieliśmy sobie, że pomiędzy dwoma masami, między którymi jest jakieś napięcie przepłynie prąd po połączeniu ich. No dobrze, jak to będzie wyglądać. Część elektronów z masy, gdzie jest ich nadmiar przepłynie na drugą masę, szybko zrobi się wyrównanie. Zatem różnica potencjałów (napięcie) będzie stopniowo maleć, aż uzyska wartość 0 i prąd przestanie płynąć. W praktyce wszystko będzie trwało ułamek sekundy, więc po co nam taki prąd, którego przepływ trwa tak krótki okres czasu? Rozwiązaniem idealnym byłaby tu swoista „pompa”, która dosłownie „brała” by elektrony z drugiej płytki i powrotem przerzucała na pierwszą, aby te znowu mogły płynąć naszym drucikiem. Otóż pompa taka istnieje, i nazywana jest źródłem napięcia. Oczywiście mowa tu cały czas o prądzie stałym, prąd zmienny będzie w dalszych częściach. Przykładowym źródłem napięcia może być zwykła bateryjka. Jak wiadomo ma ono zawsze dwa bieguny: dodatni (o wyższym potencjale) oraz ujemny (o niższym potencjale). Po połączeniu jakimś drucikiem biegunów, elektrony zaczynają płynąć od niższego potencjału (nazywanego „minusem”) do wyższego potencjału (nazywany jako „plus”). W samym źródle natomiast elektrony są przerzucane w kierunku odwrotnym, tak aby utrzymana została stała różnica potencjałów (napięcie między biegunami). Okej: ale w książkach pisze, że tzw. „prąd” płynie od plusa do minusa (czyli od wyższego do niższego potencjału). Otóż jest to jak najbardziej prawda, tak właśnie został umownie przyjęty kierunek prądu elektrycznego (odwrotnie do ruchu elektronów)! Zatem: prąd płynie od wyższego do niższego potencjału, mimo, że elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym.  Źródła napięcia użytku codziennego mają napięcie np. 1.5 V. Napięcie wyższe niż 20 V może się okazać niebezpieczne dla zdrowia, a nawet życia.

Opór elektryczny, natężenie prądu

Powiedzieliśmy sobie, że przez nasz wymyślony drucik będzie płynął prąd elektryczny. I tu od razu powiemy, żeby nie było wątpliwości – że drucik ten musiał mieć jakiś opór. Każdy materiał, przez który może płynąć prąd stawia mu pewien opór. I na przykład – złoto, miedź mają mały opór, intuicyjnie – są dobrymi przewodnikami prądu, natomiast grafit na przykład słabo przewodzi prąd – ma duży opór elektryczny. Ale co to jest takiego ten opór? Zanim się dowiesz – powiem jeszcze co jest „amper”. Otóż jak wiadomo, wszystko musi mieć swoją jednostkę, aby można było dokonać pomiaru danej wielkości fizycznej. Kolumb to jednostka ładunku elektrycznego, również znamy jednostkę napięcia – jest nią wolt. Amper natomiast jest jednostką, która mówi nam o wartości przepływu prądu (wielkość ta nazywana jest natężeniem). Im większe jest natężenie, tym mocniej płynie prąd – tym samym – więcej elektronów przepływa. Jeden amper to natężenie prądu, jeśli przez przekrój poprzeczny przewodnika przepływa ładunek jednego kulomba w ciągu jednej sekundy. Tu chyba nic tłumaczyć łopatologicznie nie trzeba. Amper jest dość dużą jednostką, w praktyce – przykładowo elektronice – używamy mikro amperów, czyli jednostek znacznie mniejszych (ponieważ przez układy scalone przepływają znacznie mniejsze prądy). Okej – to teraz co to jest ten cholerny opór? Najprościej tłumacząc: weźmy pod uwagę źródło napięcia (1 V) i chcemy połączyć bieguny przykładowo długim drutem. Chcemy również zmierzyć jego opór elektryczny (fachowo wielkość tę nazywamy rezystancją). Otóż dokonujemy tego na podstawie pomiaru prądu. Jeżeli przy niezmienionej różnicy potencjałów (napięciu) 1 V, będzie płynął prąd o natężeniu 1 A (ampera), to rezystancja (opór elektryczny) przewodnika będzie wynosiła 1om (czyt „om” – jest to jednostka rezystancji). Dzięki temu zaraz poznamy jedno z podstawowych praw elektrotechniki: prawo Ohma. Mówi ono o zależności między oporem, napięciem a prądem. Istotny jest tu wzór :
I = U/R (gdzie I – natężenie prądu (ang: intensity), U – napięcie (ang: voltage), R – rezystancja [ tak oznaczamy w praktyce te wielkości, ang: rezistance] ).
Zatem co ono mówi? Określa ono wartość prądu jaki będzie płynął przez dany materiał. Przykładowo: wyobraźmy sobie dłuższy, cienki drucik o jakimś tam oporze R. Jeżeli przyłożymy do jego końców napięcie U, to będzie przez niego płynął prąd o natężeniu I.
Wzór ten można przekształcić:
U = I*R
Teraz mówi ono, że iloczyn prądu płynącego przez przewodnik oraz jego rezystancji jest równy napięciu między jego końcami.
Przekształcenie wzoru na opór (R = U/I ), nie jest praktycznie zalecane. Oczywiście można obliczać tym rezystancję (na podstawie prądu i napięcia), ale należy wtedy pamiętać żeby nie popełnić jakiś błędów abstrakcyjnych. Przykładowo: student zapytany „Co się stanie, jeśli napięcie podwyższymy dwukrotnie” odpowiada: „Rezystancja też wzrośnie dwukrotnie”. Właśnie dla takich co najmniej „błędnych” myśli nie stosuje się tego wzoru.

Niestety zanim dojdziemy do praktycznej elektroniki, musisz poznać dużo rzeczy…

Rezystancja, rezystywność, konduktancja, konduktywność

Zastanówmy się od czego zależy opór danego elementu. Na pewno od materiału, z którego jest on wykonany – to już narzuca się od razu. Oprócz tego wiadomo – im dłuższy jest przewodnik, tym większą ma on rezystancję. Opór w danych warunkach zależy też oczywiście od innych rzeczy, np. temperatury, ciśnienia, ale nie musisz o tym na razie wiedzieć. Rezystancję określa się dla danego obiektu (jakiegoś przedmiotu, konkretnie opisanego), natomiast nie dla materiału! Nie możemy powiedzieć, że miedź ma jakąś rezystancję, bo dwie płytki miedziane różnych długości mają inny opór. Zatem została wprowadzona wielkość zwana rezystywnością, która opisuje jak dany materiał przewodzi prąd. Znając rezystywność materiału oraz wymiary przewodu można obliczyć rezystancję. Jednostką rezystywności jest „omometr” (rezystywność materiału, w przypadku gdy kabel o długości jednego metra oraz jednego metra kwadratowego średnicy ma opór 1 om. Dokładniej tym nie musisz się zajmować, ważne żebyś ogólnie widział na czym to polega. Zamiast charakteryzować opór przewodu, można charakteryzować jego przewodność czyli jednostkę dokładnie odwrotną. Przykład: jeśli materiał ma opór 3 om to ma przewodność 1/3 … no właśnie – czego? Jednostką narzucającą się od razu jest 1/om, a nazywamy go „simens”. Przewodność tę nazywamy właśnie konduktancją, a oznaczamy literką G (ang: conductance). Tak jak w przypadku materiałów: dla oporu była rezystywność, tak dla przewodnictwa jest konduktywność opisująca przewodność danego materiału. Jednostką jest s/m (simens na metr). Określenia: „praca i moc elektryczna” poznasz nieco później.

Stan jałowy, stan zwarcia

Łącząc bieguny źródła napięcia cienkim drucikiem mówiłem, że musi on mieć jakiś opór. Weźmy pod uwagę drucik tak krótki i wykonany z tak dobrego materiału, że jego opór jest znikomy (bardzo bliski 0). W takim przypadku po połączeniu nastąpi „zwarcie” obwodu – do czego to prowadzi? Otóż popłynie ogromny prąd przez przewodnik (co widać ze wzoru), a napięcie na końcach biegunów będzie równe 0 (znikomo małe). Źródło napięcia nie zdąży utrzymywać stałej różnicy potencjałów – czyn ten prowadzi najczęściej do zniszczenia źródła. W przypadku prądów dużych, zwarcie grozi pożarem. Stan jałowy natomiast jest wtedy, kiedy do biegunów źródła nie są przyłączone żadne inne elementy ( w sensie: bieguny nie są połączone żadną inną drogą niż samo źródło). Dokładnie o tych zagadnieniach dowiesz się z następnego akapitu.

Opór wewnętrzny, siła elektromotoryczna, przeciążenie

Wyżej wspomnieliśmy o tzw. stanie zwarcia źródła. Należy się zastanowić dokładniej na temat samego źródła w tym przypadku. Mówiliśmy, iż jest to „pompa”, która przekłada elektrony, aby trzymać napięcie. Jednak z jaką prędkością może to robić? Otóż zjawisko to też można łatwo opisać, wyobraźmy sobie w baterii na samym środku malutki drucik, który przerzuca elektrony. Przez niego płynie oczywiście prąd, i co ważne: ma on jakąś rezystancję. Można ją określić jako „rezystancję wewnętrzną źródła”. Im jest ona większa, tym większy prąd można pobierać ze źródła, ponieważ źródło jest w stanie utrzymywać napięcie. Tu od razu należy prowadzić pojęcie stanu obwodu elektrycznego. Zastanówmy się co się dzieje, w przypadku pobierania prądu ze źródła, gdy rezystancja obwodu jest znacznie większa niż rezystancja wewnętrzna źródła. Wtedy przykładowy, niewielki prąd płynie, źródło natomiast nie wykonuje swojej pełnej „mocy” (na razie w cudzysłowiu piszę, bo nie wiesz co to jest jeszcze). Zatem źródło „nie przemęcza” się wcale, bo może wytrzymać znacznie większe prądy. Stan taki nazywamy niedociążeniem. Innym przykładem jest sytuacja, gdy rezystancja obwodu jest znacznie mniejsza niż rezystancja wewnętrzna źródła. Źródło nie nadąża w wykonywaniu „pracy” (przerzucaniu elektronów) i tym samym – napięcie maleje. Nazywamy to spadkiem napięcia na biegunach źródła, a stan ten – przeciążeniem. W przypadku jeszcze większego przeciążenia – zmniejszenia rezystancji obwodu – dochodzimy powoli do zwarcia. W praktyce natomiast zawsze staramy się, aby rezystancja wewnętrzna danego źródła była taka sama jak rezystancja obwodu (dobieramy obwód). Wtedy źródło pracuje „pełną parą”, wydziela się największa „moc”, a stan ten nazywamy dopasowaniem. I znowu nowe pojęcie: siła elektromotoryczna. Jest to nic innego jak napięcie źródła w stanie jałowym. W przypadku przeciążenia, napięcie jest niższe niż siła elektromotoryczna źródła (dla ścisłości: wielkość zwana siłą elektromotoryczną nie jest wcale siłą, lecz różnicą potencjałów, czyli napięciem – jednostką jest oczywiście wolt). I tu od razu nasuwa się myśl: przykładowy napis na baterii 1,5 V, nie oznacza napięcia na biegunach, jednak jest to jego siła elektromotoryczna. Napięcie może być takie same (w przypadku stanu jałowego), ale może być też znacznie mniejsze (w przypadku przeciążenia), lub też w ogóle równać się 0 (zwarcie).
PS: Jednostką oporu elektrycznego jest "om" dosłownie, lecz oznacza się ją grecką literą - której niestety - nie jestem w stanie tu napisać.

Jeszcze o rezystancji i połączeniach

Mówiliśmy już o przykładowym druciku, który posiadał jakąś rezystancję i łączył bieguny źródła. W praktyce tak nie postępujemy, gdyż nasz tzw. drucik jest elementem obwodu należącym do przewodników, jego zadaniem jest przewodzenie prądu jak najlepiej, a nie stawianie mu oporu. Dlatego praktycznie przyjmuje się rezystancję przewodów równą 0 (tzn. nie bierze się ich pod uwagę). Ich opór jest znikomo mały, że nie trzeba ich uwzględniać przy obliczeniach, rozwiązywaniu obwodów elektrycznych. Lepiej jest stworzyć rezystancję w jednym skupieniu, niż rozciągać ją na całą długość przewodu. Element taki istnieje i nazywamy go rezystorem (inaczej opornikiem, ang: resistor). Na schematach zaznacza się go prostokątem, jego zadaniem jest stawianie oporu prądu elektrycznemu. Rezystor to najbardziej podstawowy element obwodu, jeszcze o nim sobie powiemy. Jeden rezystor pomiędzy biegunami źródła powoduje, że można dopasować prąd w obwodzie. Zastanówmy się jakie jest napięcie pomiędzy jednym a drugim zaciskiem rezystora (zaciski rezystora to jego końce, które służą do łączenia elementów). Mówiliśmy, że przewodnik nie posiada żadnej rezystancji (równa 0), zatem potencjał na jednym końcu przewodnika i drugim jest identyczny. Napięcie na końcach przewodnika jest zatem równe 0. Skoro tak, łatwo obliczyć, że jeżeli mamy jeden rezystor wstawiony między bieguny źródła (plus oczywiście obwody łączące), to napięcie na nim jest takie samo jak napięcie źródła.
A co w przypadku połączenia kilku rezystorów? Zanim dojdziemy do tego tematu musimy sobie wytłumaczyć czym jest połączenie równoległe i szeregowe w obwodzie.. Na poniższym fragmencie schematu przedstawiłem połączenie szeregowe kilku elementów:

a ------|=|------|=|------|=|----- b

Widzimy trzy dowolne elementy obwodu (na razie nieważne co to za elementy) połączone szeregowo. Ważne jest, że przez wszystkie przepływa ten sam prąd, ponieważ nie może on nigdzie „uciec” o czym dowiesz się niedługo. Napięcia na tych elementach mogą być rożne. Poniżej natomiast przedstawiłem połączenie równoległe trzech elementów:

      |------|=|------|
a --|-----|=|-------| -- b
      |------|=|------|

Przez te elementy biegną już inne prądy, ale napięcie na tych trzech elementach jest to samo. Można również tak zdefiniować połączenia równoległe i szeregowe: przez elementy połączone szeregowo płynie ten sam prąd, a na elementach połączonych równolegle jest to samo napięcie.
Teraz zastanówmy się jak obliczamy rezystancję w przypadku kilku elementów, które stwarzają opór (nie muszą to być koniecznie rezystory, ale np. odbiorniki energii (grzejnik), ale o tym dowiesz się później). W połączeniu szeregowym sytuacja jest chyba jasna. Rezystancja zastępcza całego układu kilku rezystorów w tym przypadku jest ich sumą. Można to zapisać tak: Rz = R1 + R2 +R3… itd. Jak się ma to w przypadku połączenia równoległego? Otóż tutaj nie dodajemy rezystancji, ale przewodności (konduktancje). Wiadomo, że więcej przewodów stanowi lepszą przewodność niż jeden przewód, zatem ich przewodności się dodają. A ponieważ przewodność to odwrotność oporu, możemy zapisać: 1/Rz = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.. itd. Zatem odwrotność rezystancji całego układu kilku rezystorów jest sumą odwrotności ich rezystancji. Dzięki temu możemy już liczyć bardziej skomplikowane obwody. Weźmy taki oto przykład:

a ----|=|----|------|=|-------|-----|=|---- b
                 |------|=|-------|
 
 
Co tu widzimy? Otóż są to 4 rezystory, ale jak zaraz się okaże są problemy z rozpoznaniem ich połączenia. Ustalmy może, ze każdy z nich ma rezystancję 5 om, a napięcie pomiędzy punkami a i b wynosi 2 V. Może jeszcze je ponumerujmy (od lewej strony): R1, u góry (R2), na dole (R3) i po prawej (R4). Widzimy, że R2 i R3 są razem połączone równolegle względem siebie. Natomiast R1 i R4 są połączone szeregowo, ale jeszcze z układem rezystorów R2 i R3. Najprościej będzie zatem obliczyć najpierw rezystancję zastępczą układu R2 i R3. Są połączone równolegle, zatem: 1/Rz = 1/R2 + 1/R3. Po obliczeniu tego prostego rachunku dochodzimy do wniosku: Rz = 2,5 om. Teraz już bardzo prosto liczymy rezystancję zastępczą całego obwodu R = 5 + 2,5 + 5 = 12,5 om. Zatem wyliczyliśmy całkowitą rezystancję tego układu czterech rezystorów. Prąd jaki będzie płynął od punktu a do b to oczywiście stosunek U/R, zatem jest to prąd o natężeniu 0,16 A. Nic trudnego. Spójrzmy jednak na nasz obwód. Prąd o którym mówimy przebiega przewodem od punktu a oraz przewodem od punktu b. Natomiast w dwóch przewodach połączonych równolegle (przy rezystorach R2 i R3) płyną już różne prądy. Ale jakie są ich wartości? Otóż tutaj musimy wprowadzić pierwsze prawo Kirchoffa. Mówi ono, że suma algebraiczna prądów dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających. Węzeł na obwodzie chyba każdy intuicyjnie potrafi rozpoznać, jest to punkt, w którym następuje rozgałęzienie obwodu. Przykładowo, do węzła (mówimy węzeł, ale na schematach jest to po prostu „punkt”) wchodzi 5 obwodów z prawej strony i jeden obwód z lewej. Niech prąd płynie ze strony prawej na lewo i przez każdy z tych pięciu przewodów płynie po 2 A. To wtedy przez przewód z lewej strony płynie 10 A. Prawo to jest chyba oczywiste, nie ma się co nad nim dłużej zastanawiać, prąd nie może się w kablu „zawieruszyć” ani uciec. Zatem, w naszym rozpatrywanym obwodzie na pewno suma prądów z dwóch przewodów połączonych równolegle da nam 0,16 A.
Na co warto zwrócić uwagę, to fakt że wartości w różnych rozpatrywanych przypadkach dla prądów są bardzo małe, u nas przykładowo wyszło 0,16 A. Niektórzy dziwić się mogą, dlaczego wychodzi tak mało, ale w praktyce operujemy właśnie takimi prądami, albo nawet jeszcze znacznie mniejszymi.

Spadki napięcia

Skoro było pierwsze prawo Kirchoffa to i drugie musisz poznać :) Weźmy pod uwagę taki oto prościutki obwód:

a ----|=|------|=|----- b

Rezystory odpowiednio: R1 = 4 om, R2 = 6 om. Napięcie między punktami a i b = 4 V. Prąd obliczamy od razu (mówię prąd, jednak fachowo nazywa się to natężeniem – w praktyce jednak każdy mówi prąd to i wy możecie :))  I = 4 / (4+6) = 0,4 A. Wiemy, że między punktami a i b jest napięcie 4 om, ale nas interesuje jakie jest napięcie na zaciskach rezystorów. Otóż jak to liczymy? – bardzo prosto, z prawa Ohma. Prąd płynący przy oba rezystory to 0,4 A. Pierwszy rezystor ma opór 4 om. A wiemy z w/w prawa, że napięcie to U = I*R, zatem mnożymy i otrzymujemy prosty wynik: U1 = 1,6 V. Jest to napięcie między jedną końcówka rezystora a drugą (pomiędzy jego zaciskami). Napięcie na drugim rezystorze: U2 = 2,4 V. Co zauważyliśmy? Otóż suma napięcia U1 i U2 daje nam napięcie źródła. To właśnie podsuwa nam drugie prawo Kirchoffa. Jeszcze tylko małe wyjaśnienie. Obliczamy prądy i napięcia, ale nie braliśmy pod uwagę kierunku prądu. Zatem załóżmy, że punkt b ma potencjał 0 V, a punkt a : 4 V. Wszystko się zgadza – napięcie jest równe 4 V. Prąd płynie z lewa na prawo. Napięcie jednak zaznaczamy strzałką odwrotną, tak aby grot wskazywał punkt o wyższym potencjale. Czyli zarówno strzałka oznaczająca napięcie na źródle jak i strzałki, które opisują napięcia na rezystorach w naszym przypadku są zwrócone w stronę lewą (wskazują punkt o wyższym potencjale). Spróbujcie sobie wyobrazić tenże obwód, gdyby punkty a i b były blisko siebie (bo w praktyce tak właśnie jest, punkty a i b to nic innego jak źródło napięcia). Skoro strzałka napięcia ma pokazywać punkt o wyższym potencjale, w takim przypadku jest ona zgodna z kierunkiem prądu. Teraz jeżeli mamy dowolne oczko (jest to przynajmniej jedna zamknięta droga dla przepływu prądu) to suma algebraiczna napięć jest równa 0. Na pewno nie wiesz co to oznacza, zatem już tłumacze. Dobieramy sobie jakiś punkt w oczku.. najprościej zaczynać od źródła i jedziemy po obwodzie dodając wszystkie napięcia, które są opisane przez strzałki w jedną stronę i odejmujemy napięcia, które są opisane przez strzałki w drugą stronę. Końcowy wynik równa się 0. Najprościej widać to na naszym przykładzie powyżej.

Praca i moc

Standardowe pojęcia pracy (energii) oraz mocy mam nadzieję, że każdy zna, tutaj zajmujemy się elektroniką – będziemy się zatem tylko ograniczać do tego tematu. Jak wiemy z fizyki, praca to nic innego jako iloczyn napięcia między dwoma punktami do ładunku, jaki został między nimi przeniesiony. Pracę oznaczamy dużą literą W (ang: work), a jednostką jest oczywiście Joul (czyt. „dżul”). W = U*Q. Wiemy jednak, jak zostało określone natężenie prądu, I = Q / t  (stosunek ładunku jaki przepłynął, do czasu). Przekształcając ostatni wzór, aby wyciągnąć Q i wstawiając do wcześniejszego, otrzymujemy: W = U * I * t. Oznacza to, że praca jaka się wydziela na dowolnym elemencie obwodu, równa jest iloczynowi: napięcia na tym elemencie, prądu jaki przez niego przepływa oraz czasu, w jakim proces ten trwa. Oczywiście pamiętamy, że mowa cały czas o prądzie stałym. W przypadku rezystorów, praca ta objawia się zużywaniem ciepła. Moc jak wiemy, jest to stosunek pracy do czasu, w jakim została ona wykonana. Dzieląc powyższy wzór przez „t” (czas) po lewej stronie widzimy wzór na moc. Zatem jest to nic innego jak iloczyn prądu i napięcia. P = U * I (moc oznaczamy dużą literą P (ang: power)), a jednostką mocy jest wat. Przykładowo: jeżeli w jednej sekundzie na rezystorze wydziela się energia (praca) 1 J, to moc wynosi 1 W. A jak ma się to w praktyce? Otóż jednostka pracy (Joul) jest zbyt mała aby można było ją używać, dlatego stosujemy jednostkę  inną, związaną z mocą: kilowatogodzina (Kwh.). Jest to energia, jaką zużywa odbiornik o mocy 1 kW (kilowata) w ciągu godziny. Jednostka ta jest stosowana w gospodarstwie domowych, ot chociażby w licznikach energii elektrycznej, chociaż jednostką w układzie SI na pracę jest Joul. Również wat jest bardzo niewielką jednostką, często stosujemy: kilowaty, megawaty. Mechanicy natomiast używają jeszcze innej jednostki na moc, jaką jest koń mechaniczny. 1 KM = 736 W = 0,736 KW. Dla tych co nie wiedzą przypominam, że „kilo” oznacza mnożnik razy 1000, „mega” natomiast, razy 1000000 (zresztą informatycy powinni to wiedzieć, bajty mają takie same przedrostki). W każdym obwodzie prądu, tzw. „bilans” mocy musi się zgadzać. Moc dostarczona do obwodu, to suma wszystkich mocy na źródłach (iloczyn U * I), natomiast moc pobrana ze źródła to suma wszystkich mocy na elementach obwodu (rezystory itd.. również iloczyn U * I). Sumy te są zawsze sobie równe. (Mówiąc równe, mam na myśli teoretyczne rozwiązywanie obwodów, w praktyce jednak istnieje niewielka strata mocy na przewodach, które się ogrzewają). Moc pobrana / oddana w obwodzie jest największa, jeżeli obwód jest w stanie dopasowania.

I to by było tyle jeśli chodzi o teorię. Zapraszam do części praktycznej :)

11 komentarzy

SAPER 2003-07-28 20:13

Jak ktoś chce więcej to mogę dać cynk żę w Gazecie "Elektronika dla Wszystkich" od chyba 10/2001 do 1/2003 był kurs dla zielonych po tym kursie można spokojnie grzebać przy kompie (tzn. sterowanie czegoś tam...)

A jeśli chodzi o książki to niestety nie ma dobrych na rynku. jedne są napisane zbyt naukowo inne znowy niedouczą.... ;(

Borek 2003-07-28 19:00

Detox, a może ty napisz książkę??

Marooned 2003-07-28 15:39

gibongibon:
Thevenina ;-)

Deti 2003-07-28 08:58

Człowieku - to jest kurs dla początkujących, a po drugie prawo ohma jest też prawidłowe dla prądu zmiennego: bierzemy wtedy pod uwagę wartości skuteczne zespolone prądu i napięcia oraz reaktancję bądź impedancję zespoloną jednego bądź więcej elementów.

gibongibon 2003-07-28 07:17

Muszę dodać dwa słowa: Prawo ohma które tu podałeś nie jest ogólne, lecz prawdziwe dla przypadku prądu stałego !!! w  którym  nie występuje impedancja.
Prawdziwe i niepodważalne prawo ohma opiera sie na wektorze gęstości prądu oraz wektorze natężenia pola elektrycznego (j, E), długości przewodnika i jego przewodności.
Czasem mierzy się parametry zastępcze dwójnika Tevenina (żródło SEM i rez. wewnętrzna) właśnie przy pomocy stanu pracy jałowej i stanu zwarcia.
Hm, a co z dwójnikiem Nortona ?

kflorek 2003-07-28 01:37

No, no. Musze przyznać, że całkiem nieźle wytłumaczone :-). Już nie mogę się doczekać na kolejne części. Może w końcu zrozumię to elektronikę. Oby tak dalej.

AklimX 2003-07-27 08:21

dobrze, że napisałeś : "Nie komentować długości" :-) :-) :-) :-) :-) :-) :-) :-)

Loczek z Locksley 2003-07-26 22:13

hmmm...to jest wszystko w 2 gim, a jak chcecie coś więcej to radze zabrać siostrze/bratu ksiazke od fizy :)))))

tomaszos 2003-07-26 21:54

co to ma byc? ja tez czekam na dalej!

Wiktor 2003-07-26 19:41

Czekalem od dawna na taki artykul! Fajnie podstawy, ale czekam na dalsze czesci... a jaka ksiazke byscie polecili poczatkujacym{na poziomie tego artykulu i troszke wyzszym}?

mr.hex 2003-08-01 09:26

3/4 z tego bylo proste i znam juz to, czekam na czesc praktyczna !