FSK Predavanje 1 2015

ELEKTROTEHNIKA

FSK Prof. dr Irfan Turković

ELEKTROTEHNIČKI SISTEMI U SAOBRAĆAJU I KOMUNIKACIJAMA

Skraćeni naziv predmeta ESTCŠifra predmeta 01ATCOS010101Studijski ciklus I (PRVI) CIKLUSStudijska godina I (PRVA) GODINASemestar I (PRVI) SEMESTAROdsjek SAOBRAĆAJ I KOMUNIKACIJEUsmjerenje SVIStatus predmeta OBAVEZNI PREDMETBroj sati u sedmici 3 P + 2 V + 1 L/PRBroj sati u semestru 45 P + 30 V + 15 L/PRBroj ECTS bodova 6 (ŠEST)Predmetni nastavnik prof. dr Irfan Turkoviće-mail nastavnika [email protected]

ELEKTROTEHNIKA


Program predavanja: Električni naboj i materija, Coulombov zakon sile, raspodjela

električnih naboja. Električno polje: definicija, primjeri proračuna. Gaussova teorema za električno polje u integralnoj formi. Električni potencijal: rad sila električnog polja, konzervativna priroda električnog polja. Potencijal i razlika potencijala, princip superpozicije pri računanju potencijala. Električni kapacitet: Sistem nabijenih vodiča, izolirani vodič. Definicija električnog kapaciteta, kapacitet u sistemu vodiča, primjeri proračuna kapaciteta. Vezivanje kondenzatora. Elektrostatička energija. Ponašanje i primjena kondenzatora u istosmjernim i izmjeničnim električnim krugovima. Dielektrici i polarizacija materije.

Električni krugovi stalnih jednosmjernih struja: definicija električne vodljivosti i stacionarne električne struje, Ohmov zakon, električna vodljivost, električni otpor, specifični električni otpor, serijski i paralelno spojeni otpornici. Joulov zakon.

ELEKTROTEHNIKA


Razmjena energije u električnom krugu. Kirchhoffovi zakoni. Zakon o očuvanju energije u električnom krugu. Metode analize električni krugovi stalnih jednosmjernih struja

Magnetno polje: magnetna interakcija, elektricitet i magnetizam. Magnetna sila na električni naboj u kretanju, magnetna sila na vodič protjecan strujom. Izvori magnetnog polja, Amperov zakon u osnovnom obliku, magnetna svojstva materije: magnetno polje proizvedeno strujom, Biot–Savartov zakon, elektrodinamička sila, magnetna svojstva materije. Električna i magnetna polja promjenjiva u vremenu: karakteristike elektromagnetnog polja, Faradayov zakon elektromagnetne indukcije, Lanzov princip, inducirana elektromotorna sila. Primjena Faradayevog zakona: generatori izmjenične struje, električni motori. Samoindukcija, induktivni električni krug.

ELEKTROTEHNIKA


Električni krugovi vremenski promjenjivih struja sa koncentriranim parametrima. Osnovne električne veličine: napon, struja, snaga. Kirchoffovi zakoni. Dvopoli: otpornik, strujni i naponski izvori, kratak spoj i otvoreni krug. Serijski i paralelni spoj. Elementarni dinamički krugovi: Zavojnica i kondenzator: energija i početno stanje. Krugovi prvog reda (RC i RL) priključeni na istosmjerni napon.

Krugovi u stacionarnom sinusoidalnom režimu: Periodički signali i efektivna vrijednost. Odnos između sinusoidalnih signala i fazora. Kirchoffovi zakoni u fazorskom načinu predstavljanja. Impedansa, admitansa, reaktansa i susceptansa dvopola u sinusoidalnom režimu. Analiza dinamičkih krugova u sinusoidalnom režimu (RC, RL i RLC). Aktivna, reaktivna i prividna snaga.

Trofazni sistemi, spoj u trokut i zvijezdu, simetrični i nesimetrični režim. Trofazno obrtno polje, princip rada električnih motora.

ELEKTROTEHNIKA


Transformatori, princip rada, Linearni transformator. Osnove rada kolektorskih i asinhronih električnih mašina: Principi i energetski bilans elektromehaničke pretvorbe energije.

Analogna elektronika, Električne osobine poluvodiča, Elektroni i šupljine. Donori i akceptori. Karakteristike p-n (diodnog) spoja: Otvoreni p-n spoj. Dioda (p-n spoj) kao ispravljač. Direktno polarizirani p-n spoj. Inverzno polarizirani p-n spoj. Statička karakteristika diode. Primjena linearnog modela diode. Princip rada tranzistora. Struje u tranzistoru. Spoj sa zajedničkim emiterom. Područja rada tranzistora. Osnovi digitalne tehnike.

LITERATURA

1. I. TURKOVIĆ: Bilješke i slajdovi sa predavanja i vježbi

1. E. HOT: Osnovi elektrotehnike, knjiga prva, Sarajevo, 1996.

1. E. HOT: Osnovi elektrotehnike, knjiga druga, Sarajevo, 1996.

ELEKTROTEHNIKA


Način vrednovanja i ocjenjivanja znanja

Kriterijum vrednovanja rada i ocjenjivanja studenta u toku nastave, vrši se na sljedeći način: Prisustvo nastavi i vježbama od 0 – 10 bodova; Domaće zadaće / seminarski rad od 0 do 10 bodova; I parcijalni ispit / I test/ I provjera znanja od 0 do 20 bodova; II parcijalni ispit / II test / II provjera znanja / od 0 do 20 bodova. Parcijalni ispit se smatra položenim ako je student ostvario 10 i

više bodova na ispitu. Minimalan broj bodova da student može izaći na završni ispit je 40

bodova Završni ispit je od 0 - 40 bodova. Potrebno imati min. 15 bodova. Završni ispit se organizuje iz cjelokupnog pređenog gradiva u toku

nastave.

ELEKTROTEHNIKA


Parcijalni ispiti tokom semestra – dva pismena parcijalna ispita u trajanju od 90 minuta. Oba parcijalna ispita se vrednuju sa po maksimalno 20 bodova. Student je uspješno položio parcijalni ispit ako je ostvario 10 i više bodova na ispitu.

ELEKTROTEHNIKA


ELEKTROTEHNIKA


ELEKTROTEHNIKA


ELEKTROTEHNIKA


ELEKTROTEHNIKA


Elektrotehnika se bavi proučavanjem i tehničkom primjenomelektromagnetskih pojava, odnosno Elektrotehnika je nauka koja proučava zakone elektriciteta i primjenjuje ih u praktične svrhe.

ISTORIJSKI RAZVOJ ELEKTROTEHNIKE

Ljudi su već odavno zapazili prve električne pojave kao što su munje, gromovi i slično.Kada se nešto konkretno znalo o elektricitetu teško je utvrditi, ali se pretpostavlja da je starogrčki filozof Tales iz Mileta (oko 600. god. p.n.e.) prvi zapisao da ćilibar ( jantar ) natrljan krznom privlači lahke predmete kao što su kosa, vuna, drvena piljevina i slično. Ovaj eksperiment je ostao nezapažen preko 20 stoljeća.Oko 1600. godine William Gilbert podrobno ispitao navedenu pojavu.Prvi je predložio da se ova pojava nazove elektricitet prema grčkoj riječi elektron koja znaći ćilibar. Zaključio je da se naelektrizirana tijela ili privlače ili odbijaju.

ELEKTROTEHNIKA


Benjamin Franklin (1706-1790) sto godina poslije:1. Naboj na staklu protrljanom svilom – pozitivan naboj2. Naboj na ebonitu protrljanom krznom – negativan naboj

Luigi Galvani – 1780. godine – došao na trag električnim strujama.

Alesandro Volta – 1800. godine – Voltin članakElektrode: Cu i Zn. Elektrolit: sumporna kiselina.

Hans Cristian Oersted – 1819. godine – otkrio mehaničkodjelovanje električne struje na magnetsku iglu.

Andre-Marie Ampere – 1820. godine – otkrio da strujedjeluju jedna na drugu silom koju je kvantitativno odredio.

ELEKTROTEHNIKA


Michael Faraday – 1831. godine – otkrio pojavuelektromagnetske indukcije. M. H. Jacobi – 1838. godine u Sankt Peterburgu –

konstruirao prviistosmjerni motor. M. Faraday – 1831. godine – konstruira prvi generatoristosmjerne struje – bakreni disk koji rotira između magnetskih polova.

J. C. Maxwell – 1873. godine – objavio cjelovitu teorijuelektromagnetskog polja. Postojanje elektromagnetskihvalova eksperimentalno potvrdio Heinrich Rudolf Hertz1888. godine.

Nikola Tesla - 1882. godine – došao na zamisao kakostvroriti okretno magnetsko polje, što je bila osnova zanjegov izum asinkronog motora. Zaslužan za uvođenje izmjeničnog elektroenergetskog sistema krajem 19. stoljeća.

ELEKTROTEHNIKA


ElektrostatikaElektrostatičko polje predstavlja električno polje sistema električnih opterećenja i naelektrisanih tijela, koja miruju i čija se opterećenja u funkciji vremena ne mi jenjaju. Dakle, u okviru elektrostatike promatra se električno polje čiji je izvor višak (pozitivnog ili negativnog) naelektrisanja koje je nepokretno u odnosu na promatrača

Električni naboji (naelektrisanja)Materija je sastavljena od sitnih, za oko nevidljivih, čestica zvanih atomi. Prema Borhovom modelu atom se sastoji od jezgre i elektrona. Jezgra se sastoji od protona i neutrona.Svaki proton, pored mase, sadrži i tzv. elementarni naboj kojem je dat predznak “+”.Oko jezgre kruže elektroni koji imaju mnogo manju masu od protona i elementarni negativni naboj koji je po iznosu jednak naboju protona.Dakle, elementarni pozitivni naboj nosi proton, a elementarni negativni naboj nosi elektron. U svakom atomu ima isti broj protona i elektrona pa je atom elektricni neutralan.

ELEKTROTEHNIKA


U nekim materijalima se trljanjem ta ravnoteža može poremetiti, jer jedno tijelo ostane bez određenog broja elektrona, pa ima višak pozitivnog naboja, a drugo tijelo ima višak negativnog naboja. Na taj način, jedno tijelo postaje pozitivno naelektrisano, a drugo tijelo negativno naelektrisano.Tako naelektrisano tijelo djeluje na sitne predmete silom koja potiče od viška električnog naboja na tom tijelu.

Dakle, osnovna svojstva električnih naboja mogu se svesti na sljedeće:1. Postoje dvije vrste naboja: pozitivni i negativni

2. Istoimeni naboji se odbijaju, a raznoimeni privlače

3. U prirodi postoji najmanji naboj tzv. elementarni naboj. Nosioci elementarnih naboja su elementarne čestice: elektroni i protoni.

4. Elektron ima negativan ,a proton pozitivan elementarni naboj koji iznosi

5. Ukupan elektricni naboj na tijelima može biti cjelobrojan broj elementarnog naelektrisanja: Qtijela = z·e0 gdje je z – cijeli broj

Qe = - e0 ; Qp = +e0

ELEKTROTEHNIKA


Zakon o očuvanju količine elektriciteta (naboja)Pošto se elektroni i protoni nemogu uništiti, tako se ni elementarni naboj nemože uništiti. Iz toga proizilazi da je suma naboja u zatvorenom, izoliranom prostoru, konstantna. Pod zatvorenim sistemom se podrazumjeva sistem kroz čiju granicu nema izmjene materije. Taj zakon se naziva: “Zakon o očuvanju naelektrisanja (naboja)”.Ovaj zakon bi bio narušen kada bi se stvarale pozitivne naelektrisane čestice, a da taj proces ne prati istovremeno i stvaranje iste količine negativno naelektrisdanih čestica što je nemoguće.Prema tome opisana pojava se može postaviti kao teorijski postulat ili eksperimentalni zakon i definsati da je ukupna količina naelektrisanja zatvorenog sistema nepromjenjiva.

ELEKTROTEHNIKA


VQ

Raspodjela električnog naelektrisanjaElektrostatičko polje je posljedica djelovanja izvora, koji mogu biti unutar ili izvan domena u kome se polje razmatra. Izvori polja su električna opterećenja u stanju mirovanja i oni čine, tzv., primarne izvore polja.

Važno je istaknuti da izvore elektrostatičkog polja predstavljaju električna opterećenja u stanju mirovanja i kod kojih se opterećenja u funkciji vremena ne mijenjaju.

Raspodjela električnog opterećenja može biti zapreminska , površinska , li nijska Q' i tačkasta.Ako je gustina naelektrisanja konstantna u svim tačkama dijela prostora V, sa konstantnom raspodjelom električnog opterećenja, onda je ukupna količina električnog opterećenja jednaka:gdje je zapreminska gustoća naelektrisanja

V

Q

ELEKTROTEHNIKA


Električno opterećenje može biti kontinualno raspoređeno po površini vrlo male debljine. U tom slučaju se može definisati površinska gustina naelektrisanja .

S

Q SQ Ako je električno opterećenje kontinualno raspoređeno duž linije može se definisati linijsko opterećenje Q’ kao:

l

QQ ' lQQ '

Tačkasto ili punktualno opterećenje predstavlja naelektrisano tijelo ili skup kvanta električnog opterećenja čije su dimenzije male i koje se mogu zanemariti u od nosu na dimenzije sistema u kome se nalazi.

Konačno, važno je istaći, da fizikalni smisao ima samo zapreminska gustina na elektrisanja , jer svako opterećenje, makar ono predstavljalo kvant elek tri ci te ta, zauzima dio konačnog prostora.

ELEKTROTEHNIKA


PROVODNICI , IZOLATORI I POLUPROVODNICIZa električne pojave najveću ulogu imaju tzv. valentni elektroni.To su elektroni koji se nalaze u posljednjoj ljusci atoma, koja može biti i nepopunjena. Kod nepopunjene ljuske elektroni se mogu pomicati na njezine slobodne putanje.Veza takvih elektrona sa jezgrom je slaba.Pod djelovanjem vanjskih sila ti elektroni se lako odvajaju od svog atoma i mogu se slobodno kretati u krutim materijama, od atoma do atoma. Takvi elektroni se zovu slobodni elektroni. Smatra se da u metalima na svaki atom dolazi po jedan slobodan elektron. Tako npr. u m3 ima 1029 atoma, a isto toliko i slobodnih elektrona.Materijali koji imaju veliki broj slobodnih elektrona nazivaju se provodnici. Pod djelovanjem i najmanje električne sile slobodni elektroni se počinju kretati u smjeru te sile.Dakle, provodnici su materijali koji dobro provode elektricitet.Najbolji provodnici su metali: zlato, srebro, bakar, aluminijum itd.

ELEKTROTEHNIKA


Za razliku od provodnika kod izolatora ili dielektrika, elektroni su čvrsto vezani za atom, tako da kod njih postoji mnogo manji broj slobodnih elektrona. Izolatori mogu biti krute, tečne i plinovitematerije. Kruta tijela koja imaju manje od 1010 slobodnih elektrona u m3 spadaju u izolatore.Što je manji broj slobodnih elektrona materijal je bolji izolator.Dakle, izolatori su materijali koji ne provode elektricitet ili ga provode u veoma maloj mjeri.Najbolji izolatori su: plastika, keramika, guma, staklo, zrak, papir itd.

Kod poluprovodnika se broj slobodnih elektrona u m3 krece od 1012 do 1020.Poluprovodnicki materijali se najčešce koriste za izradu elektronskih elemenata koji provode elektricitet samo u jednom smjeru, mada to nije pravilo za sve poluprovodničke elemente. Najpoznatijipoluprovodnički materijali su: silicijum, germanijum, selen itd.

ELEKTROTEHNIKA


Kulonov zakonProučavanje elektriciteta povijesno se odvijalo proučavanjem sila koje se uočavaju između nabijenih, elektriziranih tijela. Najpoznatiji način elektriziranja(odvođenja ili dovođenja naboja tijelu) bio je trenjem.

Charles Augustin de Coulomb formulirao je eksperimentalno 1785. godine osnovni zakon o sili između električki nabijenih tijela Coulombova sila se oblikom izraza podudara s Newtonovom gravitacijskom silom, samo što u njoj umjesto masa dolaze električninaboji, a s obzirom da mogu biti i pozitivni i negativni, slijedi da se elektrizirana tijela mogu i odbijati, a ne samo privlačiti.Zakon se može eksperimentalno potvrditi samo za silu između vrlo malih električnih tijela, koja se mogu smatrati matematičkim tačkama (tzv. tačkasti naboji)

ELEKTROTEHNIKA


Neka se dva osamljena tačkasta naboja Q1 i Q2 nalaze se u zraku na udaljenosti r. Neka su oba naboja pozitivna.

Istoimeni naboji se odbijaju, a raznoimeni privlače.

Iznos sile između naboja je:

Konstanta k opisana je izrazom:

gdje je: dielektričnost sredstva,

dielektričnost vakuumaVrijedi da je

ELEKTROTEHNIKA


Izraz za silu može se opisati i izrazom:

gdje je jedinični vektor usmjeren od naboja Q1 prema naboju Q2.

Kulonov zakon se može primjeniti i na više tačkastih opterećenja. U slučaju djelovanja više opterećenja važi princip superpozicije, odnosno vektorskog sabiranja pojedinih sila.

Primjer: Dva tačkasta tijela naelektrisanja Q1 =4·10-11 C i Q2 =6·10-11 C nalaze se u vazduhu na rastojanju r12 = 0,2 m. Odrediti vektor Kulonove sile kojim tijelo naelektrisanja Q1 djeluje na tjelo naelektrisanja Q2 Rješenje:

ELEKTROTEHNIKA


ZADATAK 1: Tri nabijene čestice nalaze se u zraku i imaju naboje , i . Nalaze se na istom pravcu. Zadate su međusobne udaljenosti i . Odredite iznos i smjer sile koja djeluje na česticu s nabojem .

(Rješenje: )

Rješenje: Na naboj djeluje ukupna sila

�⃗� 3=𝐹 13+ �⃗� 23

Kako su naboji i istog znaka (oba negativna) sila je odbojna i djeluje u pravcu x ose.

�⃗� 1 3=𝑘 ⋅|𝑄1|⋅|𝑄3|

(𝑎+𝑏)2⋅ �⃗�𝑥=1.15 ⋅ �⃗�𝑥 [𝑁 ]

Kako su naboji i različitog znaka sila je privlačna i djeluje u pravcu -x ose. �⃗� 2 3=𝑘 ⋅

|𝑄2|⋅|𝑄3|𝑏2 ⋅− �⃗�𝑥=−2.696 ⋅ �⃗�𝑥 [𝑁 ]

Ukupna sila na naboj iznosi:

�⃗� 3=𝐹 13+�⃗� 23=−1.546 ⋅ �⃗�𝑥 [𝑁 ]

ELEKTROTEHNIKA


ZADATAK 2: Odredite vektor elektro-statičke sile (iznos i smjer) na naboj zbog djelovanja naboja i i prikažite ga grafički. (za vježbu)

ZADATAK 3: Dva tačkasta naelektrisanja naelektrisana su istim količinama naelektrisanja Q. Intenzitet sile koja djeluje između njih je 9·10-7 N. Tijela su na rastojanju r = 2 dm. Odrediti količinu naelekrisanja Q kojom su tijela naelektrisana.

F Q

Documents

FSK Predavanje 1 2015