Elektrotechnika
Elektrotechnika je vedný a technický odbor zaoberajúci sa:
- Technickými aplikáciami elektromagnetizmu
- Výrobou rozvozom a premenou elektrickej energie na iné druhy energie,
- Konštrukciou zabezpečovacích a výpočtových druhov zariadení
- Praktickým využitím elektrickej energie
Začiatky rozvoja uvedenej vednej disciplíny sa datujú od 19. Storočia. K jej rozvoju prispelo objavenie elektrického prúdu, elektrotechnických zákonov a prvých elektrotechnických zariadení. V súčasnosti sa elektrotechnika delí na radu odborov a pododborov. Podľa veľkosti energie sa odbor delia na silnoprúdové a slaboprúdové.
Slaboprúdové odbory
ELEKTRONIKA –Predmetom výskumu uvedeného odboru sú zákonitosti pôsobenia elektrónov a ďalších nabitých častíc v elektromagnetickom poli.
Zaoberá sa rozpracovaním metód konštrukcie elektronických prístrojov, v ktorých sa pôsobenie nabitých častíc používa na premenu elektromagnetickej energie s cieľom prenosu, spracovania, uchovania informácií, automatizácie výrobných procesov, konštrukcie energetických zariadení atď.
Elektronika sa delí do troch základných častí výskumu:
a) vákuová elektronika
b) elektronika pevných látok
c) kvantová elektronika
Elektronika sa zaoberá zariadeniami založenými na báze elektronických súčiastok. Prvými aktívnymi elektronickými súčiastkami boli elektrónky (vákuová banka pracujúca na princípe vedenia elektrického prúdu vo vákuu). Súčasná elektronika je založená prevažne na polovodičoch, hlavnou výhodou výroby polovodičových súčiastok je ich miniaturizácia.
Odvetvia elektroniky:
1. Mikroelektronika – zaoberá sa fyzikálnymi a technologickými otázkami miniaturizácie.
2. Optoelektronika– oblasť elektronicky zaoberajúca sa interakciou svetla a elektronických prvkov.
3. Výkonová elektronika – narozdiel od klasickej elektroniky sa radí k silnoprúdovým odborom. Zaoberá sa riešením rôznych meničov parametrov elektrickej energie.
4. Telekomunikačná technika – je odborom zaoberajúcim sa infraštruktúrou pre prenos informácií. Pre telekomunikácie sa používa rádiový prenos informácie po elektrických alebo optických kábloch.
5. Vysokofrekvenčná a mikrovlnová elektronika
6. Senzorika – jej využitie spočíva v zabezpečení automatickej funkcie strojov, strojových celkov, výrobných liniek a dopravných systémov.
7. Lekárska elektronika – využitie elektronických poznatkov v medicínskej praxi.
8. Elektrotechnológia– je náukou o vlastnostiach materiálov a ich spracovaní pri výrobe elektronických súčiastok.
9. Informačné technológie– informačné technológie možno definovať ako systémy, zariadenia, komponenty a softvér, ktoré sú potrebné na zabezpečenie vyhľadávania, spracovania a ukladania informácií vo všetkých centrách ľudskej činnosti, a ktorých použitie vo všeobecnosti vyžaduje použitie elektroniky.
Silnoprúdové odbory:
1. Elektrické stroje – stroje meniace formu energie resp. parametre elektrickej energie na mechanickú energiu (prípadne opačne). Elektrické stroje pracujú na princípe elektromagnetickej indukcie. Delia sa podľa:
rotačných častí – netočivé/točivé
spôsobu napojenia – na jednosmerný elektrickú prúd/ striedavý elektrický prúd
z hľadiska premeny energie – generátory/elektromotory
2. Elektrické prístroje – elektrický prístroj je zariadenie ktoré je súčasťou rozvodu elektrickej energie. Elektrické prístroje slúžia na istenie, reguláciu, spínanie, meranie, spúšťanie atď. Delia sa na:
– spínače
– poistky nízkeho napätia
– ističe
– elektromagnety
– elektrické prístroje vysokého napätia
Podľa druhu prúdu – jednosmerný/ striedavý
Podľa zaradenia do obvodu – hlavné/pomocné
Podľa napätia – malé napätie do 50V
nízke napätie do 1000V
vysoké napätie do 72,5kV
veľmi vysoké napätie do 1000kV
zvlášť vysoké napätie nad 1000kV
Podľa počtu pólov – jedno/dvoj/troj/viacpólové
Podľa montáže – spínač na vnútornú/vonkajšiu montáž
3. Elektrické pohony –elektrický pohon je označenie pre súbor všetkých technických prostriedkov zaisťujúcich pohon určitého mechanizmu za pomoci elektrickej energie (z pravidla za pomoci elektromotoru).
4. Elektrická trakcia –sústava elektrických zariadení slúžiaca na pohon dopravných prostriedkov.
5. Elektroenergetika – je vedným odborom zaoberajúcim sa otázkami výroby, prenosu a distribúcie elektrickej energie.
6. Výkonová elektronika
Medziodbory elektrotechniky
1. Automatizácia – je etapou rozvoja techniky pre ktorú je charakteristické uskutočňovanie výrobných, riadiacich a iných procesov bez priameho zásahu človeka. Je spojená s výrobou automatických výrobných liniek, prevádzok a závodov, s využívaním modernej, riadiacej a výpočtovej techniky.
2. Kybernetika – je vedou o riadení a komunikácií v elektronických systémoch. Skúma spoločné zákonitosti na základe analógie medzi systémami rôznej fyzikálnej podstaty, ktorými sú technické zariadenia, spoločnosť a živé organizmy. Skúma riadiace a regulačné procesy v biologickej sfére, technike, spoločnosti a navrhuje modely na znázornenie, spracovanie a transformáciu informácií.
3.Meracia technika
4.Mechatronika – je vzájomne pôsobiacou kombináciou mechaniky, optiky a elektroniky.
5. Autoelektronika
6. Biomedicínska technika – vzájomne pôsobiaca kombinácia biologickej medicíny a technických odborov
7. Zabezpečovacia technika
8. Elektroakustika – vedná disciplína zaoberajúca sa šírením, záznamom, reprodukciou a vznikom zvuku za pomoci elektroniky
9. Rádiotechnika – súbor technických procesov zabezpečujúcich bezdrôtový prenos znakov, obrazov a tónov.
Základy elektrotechniky:
Teoretickými základmi elektrotechniky sú Maxwellové rovnice popisujúce správanie elektromagnetického pola. Teoretické a experimentálne poznatky o elektromagnetických javoch zhrnul do ucelenej teórie J.C. Maxwell. Jeho menom sú nazvané diferenciálne rovnice vyjadrujúce vzájomnú podmienenosť elektrických a magnetických javov.
Maxwellové rovnice popisujú klasickú interakciu medzi elektrickými nábojmi a prúdmi, dynamickú interakciu medzi elektrinou a magnetizmom. Jedná sa o základné zákony v makroskopickej teórii elektromagnetického poľa. Možno ich zapísať buď v integrálnom alebo diferenciálnom tvare. V integrálnom tvare opisujú elektromagnetické pole v istej oblasti a v diferenciálnom tvare v určitom bode tejto oblasti.
1. Maxwellová rovnica :
2. Maxwellová rovnica :
3. Maxwellová rovnica – zákon elektrostatiky :
4. Maxwellová rovnica :
Základné pojmy
Elektrický prúd
Elektrický prúd I je základná fyzikálna veličina tabuľky SI. Udáva množstvo náboja, ktoré pretečie prierezom vodiča za jednotku času. Ak pretečie náboj vodičom rovnomerne, je elektrický prúd určený ako podiel celkového náboja Q , ktorý pretečie prierezom vodiča a času t.
Elektrický prúd je usporiadaný pohyb nosičov elektrického náboja (elektrónov, iónov) v látkach v plynnom, kvapalnom alebo v tuhom skupenstve (prípadne aj vo vákuu). Podmienkou vzniku elektrického prúdu v látke je prítomnosť nosičov elektrického náboja (voľných častíc s elektrickým nábojom) a utvorenie elektrického poľa v tejto látke. Keď vodičom tečie elektrický prúd, vodič sa zohrieva a môžu v ňom nastať aj chemické zmeny; v jeho okolí vzniká magnetické pole. Intenzitu elektrického prúdu udáva rovnomenná veličina – pozri elektrický prúd (veličina).
Technický smer prúdu (dohodnutý) je smer pohybu prúdu od kladného pólu (+) k zápornému pólu (-).V kovových vodičoch zabezpečujú transport elektrického prúdu elektróny (-), apreto je skutočný smer prúdu od záporného pólu (-) ku kladnému (+), teda opačný k dohodnutému.
Dohodnutý smer prúdu je skutočným smerom prúdu kladných nábojov. Jeden ampér je stály prúd, ktorý pri prechode dvoma priamymi rovnobežnými nekonečne dlhými vodičmi zanedbateľného prierezu, umiestnenými vo vákuu vo vzájomnej vzdialenosti 1 m, vyvolá medzi vodičmi silu s veľkosťou 2.10-7 N na dĺžky vodiča.
Rozlišuje sa:
Jednosmerný prúd – v čase nemení ani veľkosť, ani smer.
Striedavý prúd– jeho veľkosť sa v čase mení s určitou periódou, pričom jeho stredná hodnota je nulová. Časový priebeh (tvar) prúdu môže byť ľubovoľný, najčastejšie sa môžeme stretnúť so sínusovým priebehom. Ďalšími typmi priebehu môžu byť pílovité, obdĺžnikové alebo ľubovoľné iné.
V praxi sa môžu vyskytovať prúdy, ktoré majú aj striedavú aj jednosmernú zložku.
Q je elektrický náboj, t je čas
U je napätie a R je odpor
Značka: I
Základná jednotka: ampér, skratka A
Ďalšie používané jednotky: miliampér mA, mikroampér µA
Meracie prístroje : ampérmeter
Elektrické napätie
Elektrické napätie je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje rozdiel elektrického potenciálu dvoch bodov a predstavuje energiu potrebnú na premiestnenie elektrického náboja medzi týmito dvoma bodmi v určitom elektrickom poli.
Elektrické napätie je úzko zviazané s elektrickým prúdom, ktorý vzniká pri priložení elektrického napätia na vodivé predmety v súlade s Ohmovým zákonom. Podľa Ohmovho zákona je medzi prúdom prechádzajúcim vodičom a napätím na vodiči nasledovný vzťah:
Súčin jednosmerného napätia a jednosmerného prúdu je výkon:
Pre striedavé napätie:
Značka: U
Základná jednotka: volt, skratka V
Meracie prístroje: voltmeter, osciloskop
Zdroje elektrického napätia:
a) elektrochemický (galvanický) článok (a ich batéria)
b) rotačné generátory (alternátor, dynamo)
Elektrický obvod
Elektrický obvod je súhrn prvkov tvoriacich uzavretú cestu pre elektrický prúd; vodivé spojenie rôznych prvkov, napr. odporov, kondenzátorov, cievok, zosilňovacích prvkov (elektrónok, tranzistorov), usmerňovačov, meničov inej energie ako elektrickej energie (mikrofónov, rôznych snímačov polohy, tlaku, teploty a pod.), spotrebičov a zdrojov, usporiadaných v jednoduchých alebo zložitých kombináciách a pripojených (resp. určených na pripojenie) na zdroje elektrickej energie.
- Elektrický obvod, ktorý neobsahuje uzly sa nazýva jednoduchý elektrický obvod.
- Časť elektrického obvodu medzi dvoma uzlami sa nazývajú
- V jednotlivých uzloch elektrického obvodu sa prúd rozvetvuje.
- Ampérmeter pripájame sériovo k prvku elektrického obvodu, v ktorom sa meria prúd.
- Voltmeter pripájame paralelne k prvku elektrického obvodu, na ktorom meriame napätie.
- Každým prvkom jednoduchého elektrického obvodu prechádza rovnaký prúd.
Elektrický odpor
Vyjadruje schopnosť materiálu zabraňovať prechodu nabitých častíc. Elektrický odpor je definovaný ako podiel napätia a prúdu prechádzajúceho predmetom následkom tohto napätia.
Ohmov zákon pre časť elektrického vodiča: elektrický prúd pretekajúci vodičom je priamo úmerný rozdielu elektrických napätí na koncoch vodiča a nepriamo úmerný elektrickému odporu vodiča.
Značka: R
Jednotka: ohm (Ω).
Prístroj na meranie: ohmmeter alebo za pomoci RLC mostíka.
Súčiastka: rezistor
Elektrická kapacita
Jedná sa o množstvo elektrického náboja vo vodiči s jednotkovým elektrickým potenciálom. Elektrická kapacita je fyzikálna veličina vyjadrujúca schopnosť predmetu udržať na sebe elektrický náboj pri určitom elektrickom napätí. Elektrická kapacita je definovaná ako podiel elektrického náboja a elektrického napätia.
Značka: C
Základná jednotka: farad, skratka F
Merací prístroj: RLC mostík
Súčiastka s definovanou elektrickou kapacitou: kondenzátor
Prenosom elektrického náboja z jedného vodivého predmetu (elektródy) na druhý vznikne medzi elektródami napätie priamo úmerné prenesenému náboju, pričom konštanta úmernosti je prevrátenou hodnotou kapacity objektu.
Najjednoduchším usporiadaním pre takéto uchovanie náboja je tzv. rovinný kondenzátor pozostávajúci z dvoch rovnakých oproti sebe umiestnených navzájom rovnobežných kovových platní oddelených vrstvou dielektrika. Kapacita uvedeného kondenzátora je priamo úmerná permitivite dielektrika a ploche elektród a nepriamo úmerná ich vzdialenosti.
Indukčnosť
Jedná sa o fyzikálnu veličinu vyjadrujúcu mieru množstva magnetického toku vyvolaného daným elektrickým prúdom. Pojem indukčnosť zaviedol Oliver Heaviside.
Jednotka: henry H
Značka: L
Impedancia
Je zdanlivým odporom elektrotechnickej súčiastky a fázovým posunom napätia oproti prúdu pri prechode harmonického striedavého elektrického prúdu danej frekvencie. Charakterizuje vlastnosti prvku pre striedavý prúd. Impedancia je zapisovaná pomocou komplexných čísiel.
Značka: Z
Základná jednotka: ohm, značka Ω
Ďalšie jednotky: rovnaké ako pre elektrický odpor