Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Poglavje 1
Stati£no elektri£no polje
1.1 Elektri£na silaMed dvema naelektrenima telesoma delije sila, ki je privla£na, £e sta telesinasprotno naelektreni oz. odbojna £e sta enako naelektreni. Sila je premoso-razmerna produktu obeh nabojev in obratnosorazmerna s kvadratom njuneoddaljenosti. Matemati£no silo lahko zapi²emo:
F =Q1·Q2
4πεr2(1.1)
kjer je ε dielektri£nost medija med nabojema. Dolo£ena je kot produkt dielek-tri£nosti praznega prostora (vakuuma) ter relativne dielektri£nosti.
ε =εr· ε0
ε0 =1
c20·µ0
= 8, 85· 10−17As/V m
Vpliv enega naboja na drugega lahko opi²emo tudi z pojmom polja. Naboj vsvoji okolici povzro£i spremembo elektri£nega polja, sila na drug naboj pa jeprodukt naboja z jakostjo elektri£nega polja na mestu delca.
~F = Q· ~E (1.2)
Pomembna lastnost elektri£nega polja je, da je aditivno. To pomeni, da seprispevki ve£ nabojev se²tejejo.
~E =∑
i
~Ei (1.3)
2
1.2 Elektri£no polje v okolici to£kastega naboja Stati£no elektri£no polje
1.2 Elektri£no polje v okolici to£kastega nabojaV okolici naelektrenih delcev (nabojev), elektri£no polje opisuje ena£ba
~E = ~1rQ
4πεr2(1.4)
Lastnosti polja v okolici to£kaste elektrine:a) Vektro elektri£ne poljske jakosti ( ~E) ima smer radialno okrog to£ke
b) Jakost elektri£nega polja je odvisna od velikosti naboja Q
c) Jakost elektri£nega polja pada s kvadratom razdalje od naboja
d) Jakost elektri£nega polja je odvisna od dielektri£nosti medija v kateremse naboj nahaja (ε)
1.3 Elektri£no polje v okolici premega nabojaPremi (linijski) naboj si lahko predstavljamo kot dolgo naelektreno daljico.Recimo, da je daljica naelektrena z nabojem Q, ki je enakomerno porazdeljenpo dolºini `: q = Q/` [As/m]. Izra£unajmo jakost elektri£nega polja E vsimetralni ravnini, ki daljico razpolavlja (pol daljice je pod njo in pol nad njo).
Na daljici si izberemo dva diferenciala (to£kasti elektrini) dx, ki imata nabojq· dx. Vsak diferencial naboja povzro£a v to£ki T diferencial elektri£nega poljadEx. e gledamo le prispevka na²ih dveh diferencialov naboja vidimo, da sekomponenti vektorjev d ~E1 in d ~E2 v smeri x od²tejeta, vsota obeh diferencialovpa je d ~E, ki je enak:
d ~E = dE1· cos(ϕ) + dE2· cos(ϕ)
= 2· dE1· cos(ϕ) (1.5)
Po izrazu za elektri£no polje to£kastega naboja:
dE1 =qdx
4πεR2
dE =qdx cos(ϕ)
2πεR2(1.6)
3
1.3 Elektri£no polje v okolici premega naboja Stati£no elektri£no polje
Z upo²tevanjem trigonometrijskih relacij lahko zapi²emo naslednje povezavemed spremenljivkami:
R =r
cos(ϕ)
x = r tan ϕ
dx =r· dϕ
cos2(ϕ)(1.7)
Dobimo izraz za dE:
dE =qdx cos ϕ
2πεR2
=q cos(ϕ)rdϕ
cos2(ϕ)2πε r2
cos2(ϕ)
dE =q cos(ϕ)dϕ
2πεr(1.8)
Ker se²tevamo prispevke dveh nasprotno leºe£ih nabojev, izraz integriramo pokotu ϕ od 0o do ϕ0.
Er =q
2πεr
∫ ϕ0
0
cos(ϕ)dϕ =q
2πεrsin(ϕ0) (1.9)
e daljico raztegujemo v premico, se kot ϕ0 bliºa vrednosti 90o se vrednostizraza sin(ϕ0) bliºa 1. Za prakti£no uporabo je dovolj ºe, da je dolºina daljice` veliko ve£ja od oddaljenosti to£ke (r) v kateri ra£unamo jakost elektri£negapolja. Rezultat se poenostavi v:
Er =q
2πεr(1.10)
4
1.4 Elektri£no polje v okolici ploskovne elektrine Stati£no elektri£no polje
1.4 Elektri£no polje v okolici ploskovne elektrinePloskovni naboj (elektrino) si predstavljamo kot veliko, naelektreno ploskev.e po ploskvi s povr²ino A enakomerno razporedimo naboj Q, ploskovno gos-toto naboja izra£unamo kot σ = Q/A As/m2.
e se nahajamo pravokotno nad sredi²£em plo²£e, se podobno kot pri pre-j²njem primeru, pre£ni prispevki eleketri£nega polja vseh diferencialnih nabo-jev med seboj izni£ijo. Vsota vseh pripevkov v tej to£ki ima zato smer pra-vokotno na ravnino (proti ploskvi, £e je na njej negativni naboj in stran odnje, £e je naboj pozitiven. Izraz za jakost elektri£nega polja v okolici poljubne
ploskve presega obseg na²ega dela, zato predpostavimo, da so dimenzije ploskveveliko ve£je od oddaljenosti to£ke, v kateri ra£unamo elektri£no polje. Takolahko splo£en izraz poenostavimo (Koti do robov ploskve so pribliºno enaki90o):
E =σ
2ε(1.11)
Opazimo, da jakost elektri£negap olja ni odvisna od oddaljenosti od ploskve.Z upo²tevanjem predhodnih izpeljav poizku²ajte utemeljiti, kako pride do tega!
V praksi se ve£krat sre£amo s problemom, ko imamo eno zraven drugepostavljeni dve ploskvi z enako koli£ino naboja vendar nasprotnega predznaka.Kasneje bomo tak element opisali ²e iz vidika koncentritranih elementov, natem mestu pa opi²imo elektri£no polje med ploskvama.
Zoped predpostavimo, da so dimenzije ploskev veliko ve£je od razdalje mednjima. Tako lahko uporabimo poenostalvjeno ena£bo in upo²tevamo, da jepolje v celotnem prostoru med ploskvama homogeno.
Med ploskvama se prispevka elektri£nega polja obeh ploskev se²tejeta, zatojakost elektri£negap olja opisuje ena£ba:
E = E+σ + E−σ
= 2· σ
2ε
E =σ
ε(1.12)
5
1.4 Elektri£no polje v okolici ploskovne elektrine Stati£no elektri£no polje
Zunaj obeh ploskev (levo in desno) se prispevka obeh ploskev od²tejeta injakost elektri£negap olja je povsod drugje enaka 0.
6
1.5 Naloge Stati£no elektri£no polje
1.5 Naloge1. V okolici to£kastega naboja skicirajte vektor elektri£nega polja. Enako
storite tudi, ko na razdalji 5 cm od tega naboja dodamo ²e enega zenakim oz. nasprotnim predznakom.
2. To£kasti naboj Q se nahaja v olju relativne dielektri£nosti εr = 2, 5. Naoddaljenosti r = 5 cm od njega je absolutna vrednost vektorja elektri£nepoljske jakosti E = 500 kV/m. Izra£unajte naboj Q.(Re²itev: Q = 1, 7× 10−7 As)
3. Homogeno elektri£no polje prehaja pravokotno iz trdega papirja z rela-tivno dielektri£nostjo εr1 = 7 v transformatorsko olje. Elektri£na poljskajakost v papirju je E1 = 1 MV/m, v olju pa E2 = 2, 8 MV/m. Izra£unajterelativno dielektri£nost olja.(Re²itev: εr2 = 2, 5)
4. Na valjni lupini polmera r = 1mm je vzdolºna gostota naboja q =10µC/m. Kolik²na je ploskovna gostota naboja na tej lupini?(Re²itev: σ = 1, 59C/m2)
5. Izra£unajte oddaljenost x naboja Qx, ki bo zagotavljala, da bo sila nanaboj Qx enaka 0(d = 30mm). Ali vrednost naboja Qx vpliva na rezul-tat?
Slika 1.1: Naloga 5
Q
2πε0x2=
4Q
2πε0(d− x)2
1
x2=
4
(d− x)2
d2 − 2dx + x2 = 4x2
−3x2 − 2dx + d2 = 0
(1.13)
7
1.5 Naloge Stati£no elektri£no polje
x1,2 =2d±
√4d2 − 4· (−3)d2
2· (−3)
=−2d±
√16d2
6
=−2d± 4d
6
x1 =2d
6=
2· 30mm
6= 10mm
x2 =2d
6=−6· 30mm
6= −30mm (ni prava re²itev!)
(Re²itev: x = 10mm)
6. Izra£unajte oddaljenost x in mnoºino naboja Qx, ki bo zagotavljala, dabodo sile na vse tri to£kaste naboje enake 0 (Q = 9nAs, d = 30mm).
Slika 1.2: Naloga 6
(Re²itev: x = 10mm,Qx = −4nAs)
7. Trije enaki to£kasti naboji (vsak z nabojem Q) so razme²£eni na oglji²£aenakostrani£nega trikotnika. Kolik²en naboj Qx moramo postaviti vteºi²£e trikotnika, da bodo sile na vse 4 naboje enake 0?(Re²itev: Q = 1
3Qx)
8. Koliko mora biti delec z nabojem Q = 5 × 10−6C oddaljen od drugega,ki ima naboj Q1 = 8× 10−6C, da bo na Q1 delovala sila F1 = 1N?(Re²itev: r = 0, 6m)
9. Dva enaka naboja sta oddaljena 60cm in imata enako vrednost naboja.Kolik²en naboj Q nosita delca, £e delujeta eden na drugega s silo F =0, 9N?(Re²itev: Q = 4, 2× 10−6As)
10. Izra£unajte vektor elektri£ne poljske jakosti na mestu kjer je naboj Q2
ter vektor elektri£ne sile, ki deluje na naboj Q2 (Q1 = 5 × 10−6C,Q2 =−2× 10−6C,Q3 = 5× 10−6C,d = 1cm).
8
1.5 Naloge Stati£no elektri£no polje
Slika 1.3: Naloga 10
11. Dani so trije vzporedni ravninski sloji s ploskovnimi gostotami σ1 = −σ,σ1 = 3σ in σ3 = −2σ. Dolo£ite jakost elektri£nega polja (E) v vseh ²tirihpodprostorih.
Slika 1.4: Naloga 11
(Re²itev: ~Ea = 0, ~Eb = −~exσε0, ~Ec = ~ex
2σε0, ~Ed = 0)
12. Ravnini sta med seboj oddaljeni za d = 5cm in naelektreni z enakoploskovno gostoto naboja σ = 2, 3µC/m2. Kolik²na je absolutna vred-nost vektorja elektri£ne poljske jakosti med ravninama?(Re²itev: E = 0V/m)
13. Izra£unajte silo na to£kasti naboj Q = 2×10−6C, ki je v elektri£nem poljudveh ravninskih elektrin σ1 = 4 × 10−6C/m2 in σ2 = −6 × 10−6C/m2,razporejenih kot kaºe slika.
Slika 1.5: Naloga 13
(Re²itev: E = 1, 1× 105~exV/m,F = −0.226~exN)
9
1.5 Naloge Stati£no elektri£no polje
14. tiri enake to£kaste naboje (vsak z nabojem Q) postavimo v oglji²£akvadrata. Kolik²en naboj Qx moramo postaviti v njegovo teºi²£e, dabodo elektri£ne sile na vse naboje enake 0?(Re²itev: Qx = −1+2
√2
4Q)
15. V to£kah T1(2cm, 1cm, 0),T2(1cm, 1cm, 0),T3(1cm, 2cm, 0) se nahajajo nabojiQ1 = 20nC, Q2 = −50nC, Q3 = 30nC. Dolo£ite vektor elektri£ne silena naboj Q2.(Re²itev: ~F = (~ex90 + ~ey135) mN )
16. Med plo²£ama zra£nega kondenzatorja, priklju£enega na napetost U =10kV se nahajata naboja ±Q = ±2nC. dolo£ite elektri£no silo na naboj+Q. Razdalja med nabojema je r = 2cm, med plo²£ama pa d = 4cm.
Slika 1.6: Naloga 16
(Re²itev: ~F = −~ey4, 1× 10−4N)
17. Delec z maso m = 1, 44 × 10−14kg in nabojem Q = −1, 6 × 10−17Cse nahaja v homogenem elektri£nem polju med plo²£ama (d = 2cm).Na delec deluje poleg elektri£ne ²e gravitacijska sila. Kolik²no napetostmoramo priklju£iti med plo²£i, da bo vsota sil na delec enaka 0N?
Slika 1.7: Naloga 17
10
1.5 Naloge Stati£no elektri£no polje
1.5.1 Dodatne naloge18. Dve kroglici mase 8.5g visita na lahkih vrvicah dolºine 3m. Vrvici sta
pritrjeni na strop v isti to£ki. Vsako od kroglic naelektrimo z nabojem0.6 × 10−6As. Kolik²en je v ravnovesju naklonski kot vrvic glede nanavpi£nico?
11
Poglavje 2
Magnetno polje
2.1 Magnetna silaNa naboj Q, ki se v magnetnem polju ~B giblje s hitrostjo ~v deluje magnetnasila!
~Fm = Q~v × ~B (2.1)Magnetno silo na delec izra£unamo kot vektorski produkt med gostoto mag-netnega polja in produktom hitrosti ter naboja delca. Rezultat vektorskegaprodukta je vektor, £igar smer je pravokotna na oba vektorja, njegova velikostpa je Q|~v|· | ~B|· sin(ϕ).
Gostota magnetnega pretoka B je z jakostjo magnetnega polja H povezanapreko permeabilnosti µ.
~B = µ· ~H (2.2)Magnetno permeabilnost µ izra£unamo po ena£bi:
µ = µr·µ0 (2.3)
kjer je µ0 = 4π10−7Vs/Am permeabilnost praznega prostora in µr relativnapermeabilnost materiala (brez enote!).
12
2.2 Sila na vodnik v magnetnem polju Magnetno polje
2.2 Sila na vodnik v magnetnem poljuNa vodnik dolºine `, po katerem te£e tok ~I in se nahaja v magnetnem polju~B deluje magnetna sila.
~F = I~× ~B (2.4)
2.3 Sila med dvema vodnikomaMed dvema vodnikoma, dolºine `, po katerih te£eta tokova I1 in I2 deluje sila.e tokova te£eta v isto smer je sila odbojna, £e v nasprotno pa privla£na!
F1 = F2 = µI1I2
2πd` (2.5)
ali v sili na enoto dolºine f [N/m]
f1 = f2 = µI1I2
2πd(2.6)
Skicirajte smeri magnetnega polja ter sile v primeru, ko tokova po vodnikihte£eta v isto smer.
2.4 Magnetno polje v okolici vodnikaV okolici vodnika, po katerem te£e tok I je gostota magnetnega polja podanaz ena£bo
B = µI
2πr(2.7)
13
2.5 Magnetno polje v tuljavi Magnetno polje
2.5 Magnetno polje v tuljaviV osi tuljave dolºine ` z N ovoji, po katerih te£e tok I gostoto magnetnegapolja opisuje ena£ba
B =NI
2`(sin α1 − sin α2) (2.8)
e je dolºina tuljave ` veliko ve£ja od polmera r, lahko rezultate poenos-tavimo.
a) V notranjosti zelo dolge tuljave:
α1 ≈ 90o
α2 ≈ −90o
B = µNI
`
(sin(900)− sin(−90o)
)
= µNI
`(1− (−1)) = µ
NI
`(2.9)
b) Na robu zelo dolge tuljave
α1 ≈ 90o
α2 ≈ 0o
B = µNI
`
(sin(900)− sin(0o)
)
= µNI
`(1− (0)) = µ
NI
2`(2.10)
14
2.6 Naloge Magnetno polje
2.6 Naloge1. Dolo£ite gostoto magnetnega pretoka, £e pretok magnetnega polja skozi
ploskev povr²ine A = 0.0003m zna²a φ = 600µWb.(Re²itev: B = 2T )
2. Gostota magnetnega polja na razdalji 1m od zelo dolgega vodnika je6· 10−6T Kolik²na je gostota magnetnega polja na razdalji 10m in ko-lik²en tok te£e po vodniku?(Re²itev: I = 30A)
3. Dva zelo dolga vzporedna vodnika sta oddaljena drug od drugega 1m.Kolik²na je gostota magnetnega polja na sredini med vodnikoma, £e te£epo prvem tok 50A, po drugem pa 20A v nasprotni smeri?
4. Vodnika dvovoda se odbijata z magnetno silo 0, 1µN na meter dolºine.Kolikokrat moramo pove£ati tok v dvovodu, da bo sila na meter dolºinedvovoda 106-krat ve£ja?(Re²itev: Sila je sorazmerna produktu obeh tokov, zato je re²itev 103-krat.)
5. Dve ºici sta postavljeni vzporedno, med seboj pa sta oddaljeni 10cm. Poprvi te£e tok 2A, po drugi pa 3A v nasprotni smeri. Izra£unaj gostotomagnetnega polja:
(a) v to£ki A, ki je od prve ºice oddaljena za 4cm, od druge pa 6cm inleºi med obema ºicama;
(b) v to£ki B, ki leºi 14cm od prve in 4cmod druge ºice.
6. Magnetni pretoki skozi 5 stranskih ploskev kocke so slede£i:1mWb, 2, 5mWb,4mWb, −2mWb, −1mWb. Dolo£ite pretok skozi ²esto ploskev.(Re²itev: −4, 5mWb)
7. Aluminijeva palica s presekom 1, 2cm2 leºi vodoravno v homogenem mag-netnem polju, katerega silnice so vodoravne; palica je pravokotna nasilnice. Kolik²na mora biti gostota magnetnega polje, da palica lebdi?(gostota aluminija je ρ = 2, 7g/cm3, po palici te£e tok 2, 7A)
8. Kolik²na je gostota magnetnega polja, ki ga s tokom 0, 3A ustvarimov tuljavi z 2000 ovoji, dolºino 20cm in s premerom 4cm? Kolik²en jemagnetni pretok skozi posamezen ovoj tuljave? Kolik²en pa skozi vsotuljavo? Kolik²na je induktivnost tuljave?(Re²itev: B = µNI
l, φ1 = BA, φc = Nφ1, L = Nφ1
I= µN2A
l)
15
2.6 Naloge Magnetno polje
9. Kolik²na je induktivnost tokovne zanke, £e tok 2, 5A povzro£a magnetnipretok 0, 2mV s?(Re²itev: L = φ
I)
10. Dolo£ite jakost magnetnega polja (H) v tuljavi z 40 ovoji, dolºine 10cm,po kateri te£e tok 3A. e navitje raztegnemo na dolºino 20cm, pri tem,da dolºina ºice in tok ostaneta enaka, kak²na je nova jakost magnetnegapolja v tuljavi?(H = NI/l, Re²itev: 1200A/m, 600A/m)
11. Magnetna permaeabilnost µ ºeleznega jedra ima vrednost 5600×10−6Tm/Apri toku I = 80mA. Navitje okoli jedra ima N = 200 ovojev, dolºinajedra pa je l = 20cm. Dolo£ite H, B in µr.(Re²itev: H = 250A/m, B = 0.45T ,µr = 4440)
12. Tuljava polmera r = 1cm in dolºine l = 4cm ima N = 1000 ovojev.Dolo£ite gostoto magnetnega pretoka (B) v to£ki T , ki leºi v osi tuljavein to na njenem level robu, £e je tok v tuljavi I = 2A.(Re²itev: B = µ0NI
2l(sin α1 − sin α2), B ≈ 30, 5mT )
13. Kolik²en mora biti tok, da nastane v tuljavi z 2000 ovoji, z dolºino 20cmin premerom 5cm magnetno polje z gostoto B = 5× 10−3T in kak²en jetakrat magnetni pretok skozi tuljavo (φ)? Kolik²en tok pa je potreben,da dobimo skozi tuljavo magnetni pretok φ = 2× 10−5Wb?(Re²itev: B = µNI
l,I = Bl
µN, φ = BA)
14. (a) V navitju z zra£nim jedrom, dolºine 5cm, z 8 ovojii te£e tok 5A.Dolo£ite jakost magnetnega polja (H = 8000A/m).
(b) V tuljavo vstavimo ºelezno jedro, kak²na je nova jakost magnet-nega polja (H)? Katere koli£ine, ki opisujejo stanje se spremenijo(Predpostavimo µr = 5000,Gostota magnetnega polja (B)?
(c) Pri enaki dolºini navitja podalj²amo ºelezno jedro na 10cm. Kak²naje nova vrednost jakosti magnetnega polja (H)?
16
2.6 Naloge Magnetno polje
15. Tuljava polmera 1cm in dolºine 10cm ima 1000 ovojev, tok v tuljavi je2A.
(a) Dolo£ite gostoto magnetnega pretoka B in magnetni pretok Φ vto£ki T1.
(b) Dolo£ite gostoto magnetnega pretoka B in magnetni pretok Φ vto£ki T2.
(c) Kolik²na je indktivnost tuljave?
Slika 2.1: Naloga 15
16. elezni krog ima sredinski obseg 40cm in presek 1cm2. Po njem jenavita ºica, tako da napravi 500 ovojev. Z meritvami smo dolo£ili tokv ºici (I = 0.06A) in magnetni pretok znotraj ovoja (φ = 6× 10−6Wb).Dolo£ite gostoto magnetnega polja (B), jakost magnetnega polja (H),permeabilnost (µ) in relativno permeabilnost (µr) ºeleza.(Reºitev: B = φ
A= 6 × 10−2T,H = NI
l= 75A/m, µ = B
H= 8 ×
10−4Tm/A, µr = µµ0
= 635)
17
2.7 Dodatne naloge Magnetno polje
2.7 Dodatne naloge17. Razcepljen dvovod, postavljen v enakostrani£ni trikotnik po sliki, vodi
tok 2I(I = 10A). Dolo£ite vektor sile na enoto dolºine na vodnik s tokom2I. (a = 0, 1m)
Slika 2.2: Naloga 17
(Re²itev: ~B = ~ex2µ0I2πa
cos α, ~F = 2I~l× ~B, ~f =~Fl
= 2I ~ez× ~ex2µ0I2πa
cos α ≈~ex693µN/m)
18. Proton vstopi s hitrostjo 2· 105m/s v obmo£je homogenega magnetnegapolja gostote B = 2T . Dolo£ite vi²ino h, na kateri proton izstopi iz tegaobmo£ja. Za maso protona vzamemo m ≈ 1, 6· 10−27kg, za njegov nabojpa Q ≈ 1, 6· 10−19C.
Slika 2.3: Naloga 18
(Re²itev: r = mv0
QB= 1mm,h = 2r = 2mm)
18
Poglavje 3
Analiza enosmernih vezij
3.1 Elementi enosmernih vezij3.1.1 UporOsnovni element enosmernih vezij je upor (R). Z uporom nadomestimo vserealne elemente, pri katerih nas zanima le njihova karakteristika med tokom(I) in napetostjo (U). To so lahko nitka v ºarnici, upornost napeljave, no-tranja upornost zvo£nika,. . . Idealni upor, s katerim se bomo sre£evali ima
konstantno odvisnost med tokom im napetostjo, ki jo opisuje Ohmov zakon:
U = R· I (3.1)
Iz oblike ena£be vidimo, da je napetost na uporu (U) odvisna od toka (I),razmerje med veli£inama pa dolo£a vrednost upornosti (R[Ω]). Iz tega sledi, da£e pove£amo tok skozi upor na dvakratno vrednost, se tudi napetost pove£a zaenak faktor, v tem primeru na dvakratno predhodno vrednost. Karakteristikonapetosti v odvisnosti od toka prikazuje slika: Vidimo, da karakteristiko upora
predstavlja premico v U − I ravnini, naklon premice pa je vrednost upornostiR.
19
3.1 Elementi enosmernih vezij Analiza enosmernih vezij
1. Nadomestna upornost pri zaporedni vezaviNadomestno upornost verige zaporednih uporov lahko izra£unamo kot:
RN = R1 + R2 + . . . + Rn (3.2)
2. Nadomestna upornost pri vzporedni vezavi Nadomestno upornostverige vzporedno vezanih uporov lahko izra£unamo kot:
1
RN
=1
R1
+1
R2
+ . . . +1
Rn
(3.3)
Za dva vzporedno vezana upora, lahko zgornji izraz preoblikujemo:
RN =R1·R2
R1 + R2
(3.4)
20
3.1 Elementi enosmernih vezij Analiza enosmernih vezij
3.1.2 Napetostni generatorIdealni napetostni generator je element, ki drºi konstantno napetost, neodvisnood toka, ki te£e skoz njega. Njegovo karakteristiko prikazuje slika:
Iz primerjave med karakteristiko idealnega napetostnega vira ter uporalahko sklepamo, kolik²na je upornost tega elementa. Ker je naklon premiceenak 0, je tudi notranja upornost idealnega napetostnega vira enaka RUg = 0Ω.
Idealni elementi v realnosti seveda ne obstajajo (lahko se jim le bolj ali manjpribliºamo), saj imajo vsi napetostni generatorji (baterije, akumulatorji,...)notranjo upornost, ki je ve£ja od 0. Realni napetostni generator modeliramo znaslednjim vezjem: Napetost na izhodnih sponkah je enaka napetosti idealnega
vira, zmanj²ani za napetosti na uporu, ki pa je odvisna od toka skozi njega. Zena£bo to zapi²emo kot
U = Ug −Rg· Ig (3.5)Karakteristika tak²nega vira pa je:
21
3.2 Re²evanje enosmernih vezij Analiza enosmernih vezij
3.1.3 Tokovni generatorZa idealni tokovni generator velja, da skozi njega vedno te£e enak tok, ne gledana napetost na njem. Notranja upornost tega elementa je neskon£na. Realnitokovni generator ima seveda notranjo upornost, ki ima kon£no vrednost (zeloveliko), zato ga modeliramo z vezjem: Tok na sponkah realnega kondenzatorja
je:
I = Ig − IR
= Ig − U
Rg
(3.6)
Napetost realnega tokovnega vira pa:
I = Ig − U
Rg
I·Rg = Ig·Rg − U
U = Ig·Rg − I·Rg (3.7)
3.2 Re²evanje enosmernih vezijPri analizi in re²evanju vezij uporabljamo naslednje pojme:
• Veja: del vezja z dvema sponkama, ki povezuje dve vozli²£i
• Vozli²£e: sti£i²£e ve£ vej
• Zanka: zaklju£ena zanka, sestavljena iz ve£ vej
22
3.2 Re²evanje enosmernih vezij Analiza enosmernih vezij
3.2.1 1. Kirchoov zakonVsota vseh tokov, ki pritekajo v vozli²£e je enaka 0
n∑i=1
Ii = 0 (3.8)
Za vsako vozli²£e v vezju lahko zapi²emo po eno ena£bo, kjer se²tejemo vsetokove, ki v vozli²£e pritekajo ter od²tejemo tokove, ki odtekajo iz vozli²£a, terrazliko izena£imo z 0.
Tako lahko zapi²emo toliko ena£b, kot je vozli²£ v vezju. Vendar takodobimo sistem ena£b, kjer je vsaka ena£ba ºe vsebovana v ostalih. Po prvemKirchhoovem zakonu zato vedno zapi²emo le n − 1 ena£b (n je ²tevilo vsehvozli²£ v vezju).
Ko bomo re²evali vezja, obi£ajno v naprej ne bomo poznali smeri dejanskihtokov. Zato si smeri na za£etku izberemo poljubno, kon£ni izra£un pa bopokazal (glede na predznak), kak²na je dejanska smer toka.
3.2.2 2. Kirchhoov zakonVsota napetosti na vseh elementih v zaklju£eni zanki je enaka 0.
n∑i=1
Ui = 0 (3.9)
Primer:
Ug + (−U1) + (−U2) = 0 (3.10)Z upo²tevanjem 2. Kirchhoovega zakona lahko za dano vezje zapi²emo
toliko ena£b, kot je v vezju razli£nih zank. Vendar bodo ponovno nekatereena£be ºe vsebovane v predhodnih. Zato jih zapi²emo toliko, kot jih potrebu-jemo (m− (n− 1), kjer je m ²tevilo neznank v vezju).
23
3.2 Re²evanje enosmernih vezij Analiza enosmernih vezij
Kot smeri tokov, nam polarizacija napetosti na posameznih elementih vvezju predhodno ni znana, zato si jo lahko izberemo poljubno. Negativnipredznak v re²itvi pa bo pokazal, da je dejanska polarizacije napetosti obratna,ko smo si jo izbrali.
Pri pisanju ena£b ni pomembno, katere napetosti pi²emo s pozitivnim,ter katere z negativnim predznakom. Drºimo se dogovora, da elemente, ki vsmeri zanke potencial dvigajo (smer znake zadane ob − znak na elementu)pri²tejemo, tiste, ki potencial zniºujejo (+ znak) pa od²tevamo (glej primer!).
3.2.3 Re²evanje vezij z uporabo Kirchhoovih zakonovPri re²evanju vezij se drºimo slede£ega postopka (za vezje, ki ima n vozli²£ inm vej)
1. Na shemi vezja ozna£imo vse tokove in napetosti (smeri izberemo poljubno);
2. Zapi²emo ena£be za n− 1 vozli²£ (izpustimo poljubno vozli²£e)
3. Zapi²emo toliko zan£nih ena£b, da dobimo poln sistem (toliko ena£b kotje neznank): m− (n− 1)
4. Tokove skozi posamezne veje pretvorimo v napetosti na elementih (aliobratno) z uporabo Ohmovega zakona ter re²imo sistem ena£b
3.2.4 Re²evanje vezij po metodi zan£nih tokovI²£emo vrednosti tokov, ki te£ejo po posameznih zankah. V vejah, ki leºijo lev eni zanki, je tok enak zan£enmu. V vejah, ki leºijo na meji med zankami paje vejni tok enak razliki (vsoti) zan£nih tokov.
Ena£be za izra£un zan£nih tokov zapi²emo po naslednjem postopku:
1. Prvi £len ena£be je produkt zan£nega toka in vsote vseh upornosti zanke
2. Naslednji £len je produkt zan£nega toka sosednje zanke in upornosti vtej veji (od²tejemo, £e sta smeri zan£nih tokov glede na vejo nasprotni alipri²tejemo, £e sta zan£na enaki). Ta korak ponavljamo za vse sosednjeveje.
3. Izena£imo z napetosti vira v zanki. Predznak je +, £e vir zan£nemutoku "pomaga", − £e mu nasprotuje. Ali, + £e zadenemo v + znaknapetostnega vira, oz − v nasprotnem primeru.
24
3.2 Re²evanje enosmernih vezij Analiza enosmernih vezij
3.2.5 re²evanje vezij po metodi vozli²£nih potencialovI²£emo potenciale vseh vozli²£ v vezju. Izberemo si referen£no vozli²£e terozna£imo ostalih n− 1vozli²£. Napetosti posameznih vej iz potencialov vozli²£lahko izra£unamo kot razliko napetosti med obema vozli²£ema veje. Ena£beza izra£un zan£nih tokov zapi²emo po naslednjem postopku:
1. Prvi £len ena£be je produkt potenciala vozli²£a in vsoti prevodnosti(G =1/R) vseh vej, ki izhajajo iz vozli²£a;
2. nato od²tejemo produkt potenciala sosednjega vozli²£a in prevodnosti vejmed njima. Ta korak ponavljamo za vsa sosednja vozli²£a;
3. Izena£imo s tokom vira v zanki. Predznak je +, £e vir proti vozli²£udviguje potencial, − £e ga spu²£a. Ali, + £e je + znak napetostnega viraobrnjen proti vozli²£u, oz − v nasprotnem primeru.
25
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.3 Naloge3.1 V danem vezju imajo upori vrednosti R1 = 100kΩ, R2 = 200kΩ,R3 =
100kΩ. Izra£unajte nadomestno upornost vezja.
Slika 3.1: Naloga 3.1
(Re²itev: Rn = 74kΩ)
3.2 Dolo£ite mo£, ki se tro²i na uporu z upornostjo R = 25Ω za naslednjevrednosti toka: I1 = 3A,I2 = 6A in I3 = 1, 5A.(Re²itev: P1 = 225W ,P2 = 900W ,P3 = 56, 25W )
3.3 Vezje sestoji iz 6V baterije, stikala in ºarnice. Ko je stikalo sklenjeno pokrogu te£e tok I = 2A. Kolik²na je upornost ºarnice?(Re²itev: R = 3Ω)
3.4 Na uporu z upornostjo R = 200Ω izmerimo napetost U = 20V . Kolik²entok te£e skozi upor?(Re²itev: I = 0, 1A)
3.5 Ali na napetost v vti£nici (U = 220V ), na liniji, ki jo ²£iti varovalkaz nazivnim tokom I = 15A, lahko priklopimo breme z upornostjo R =12Ω?(Re²itev: NE, I = 18, 3A)
3.6 arnico z notranjo upornostjo R = 10Ω napajamo z baterijo (U = 12V ).Kolik²na je mo£ s katero ºarnica sveti?(Re²itev: P = 14, 4W )
26
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.3.1 Zaporedna vezava3.7 Dolo£ite padec napetosti na vseh uporih (po metodi delilnika napetosti).
Vrednosti uporov so R1 = 1Ω, R2 = 10Ω in R3 = 7Ω, napetostni vir paima napetost U1 = 110V .
R1
+-
U1
R2
R3
Slika 3.2: Naloga 3.7
(Re²itev: U1 = 6, 1V , U2 = 61, 1V , U3 = 42, 8V )
3.8 V avtomobilu sta ºarnica za armaturno plo²£o (3V, 1, 5Ω) in zadnjo lu£(3V, 1, 5Ω) vezani zaporedno z virom napajanja, ki po kogu poganja tokI = 2A. Dolo£ite upornost vezja in napajalno napetost.(Re²itev: RN = 0, 75Ω, U = 1, 5V )
3.9 Upori z vrednostmi R1 = 3Ω, R2 = 5Ω in R3 = 4Ω so vezani zaporednoskupaj z napetostnim virom. Napetost na uporu R1 je U = 6V . Kolik²naje napetost vira?(Re²itev: U = 24V )
3.10 Reektor z notranjo upornostjo Rn = 12Ω je vezan zaporedno skupaj znapetostnim virom in uporom z upornostjo R = 32Ω. Napetost na reek-torju je U = 31, 2V . Izra£unajte vse ostale vrednosti v vezju (napetostna uporu, nadomestno upornost vezja, tok skozi upor in skozi reektor,napajalno napetost).(Re²itev: UR = 83, 2V , RN = 44Ω, I = 2, 6A, U0 = 114, 4V )
3.11 Napetostni delilnik sestavljajo upori vrednosti R1 = 3kΩ, R2 = 5kΩ inR3 = 10kΩ. Tok skozi vezje je I = 15mA. Dolo£ite nadomestno upornostvezja, padce napetosti na vseh uporih in skupni padec napetosti.(Re²itev: RN = 18kΩ, U1 = 45V , U2 = 75V , U3 = 150V , U = 270V )
27
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.12 Na katero vrednost moramo nastaviti 120-ohmski potenciometer, da bonapetost med to£ko A in B enaka 2, 5V (U1 = 12V ).
+-
U1
B
A
Slika 3.3: Naloga 3.12
(Re²itev: RAB = 25Ω)
3.13 Kak²na mora biti upornost R2, da bo napetost na tem uporu enaka kotna uporu R1 = 20Ω, U = 10V.
Slika 3.4: Naloga 3.13
(Re²itev: R2 = 20Ω)
3.14 Iz vira enosmerne napetosti U = 12V ºelimo z napetostnim delilnikomdobiti enosmerno napetost 5V . Tok skozi upore naj bo 100mA. Dolo£itevrednosti uporov R1 in R2.
Slika 3.5: Naloga 3.14
(Re²itev: R1 = 70Ω, R2 = 50Ω)
28
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.3.2 Vzporedna vezava3.15 Dolo£ite napetosti na uporih R1 in R2 (U1 = 9V in U2 = 6V ).
Slika 3.6: Naloga 3.15
(Re²itev: UR1 = 9V , UR2 = 3V )
3.16 Lu£ z neznano notranjo upornostjo Rx je vezana vzporedno z avto-mobilsko 12-voltno vti£nico z upornostjo R = 75Ω. Dolo£ite notranjoupornost lu£i Rx, £e pri napajalni napetosti U = 12V skozi vezje ste£etok I = 0, 8A
+-
UR R
x
I
Slika 3.7: Naloga 3.16
(Re²itev: Rx = 18, 75Ω)
3.17 Dolo£ite napetost, ki je potrebna da skozi vzporedno vezane upore 20Ω,30Ωin 40Ω ste£e skupni tok 2A.(Re²itev: U = 18, 46V )
3.18 Dva upora z vrednostma R1 = 72kΩ in R2 = 18kΩ sta vezana vzporedno.Skozi celotno vezje te£e tok I = 30mA. Dolo£ite tok skozi vsako vejovezja (uporabite formulo za delitev toka).(Re²itev: I1 = 6mA, I2 = 24mA)
3.19 tirje enaki upori z upornostjo 90Ω so vezani vzporedno na napetostnivir 90V . Dolo£ite nadomestno upornost in celoten tok skozi vezje.(Re²itev: RN = 22, 5Ω, I = 4A)
3.20 Kak²en upor moramo vezati vzporedno z uporoma 20Ω in 60Ω, da boskupna nadomestna upornost 10Ω.(Re²itev: Rx = 30Ω)
29
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.21 Dolo£ite mo£, ki jo v avtomobilu (12V napajanje) tro²ijo vzporednovezane lu£i, dve prednji (skozi vsako te£e tok 4, 2A) in dve zadnji (skozvsako te£e tok 0.9A).
3.22 Dolo£ite tok I3 v vezju na sliki. Vrednosti elementov so: R1 = 4Ω,R2 =4Ω,R3 = 5Ω,R4 = 10Ω, I = 96mA.
+-
UR
2
I
R1
R3
R4
I3
Slika 3.8: Naloga 3.22
3.23 Vti£nice v kuhinji so vezane vzporedno, preko ene varovalke.
(a) Pe£ica (R1 = 30Ω), grelec za vodo (R2 = 30Ω) in elektri£na ponev(R3 = 24Ω) so priklju£eni na vti£nice z napetostjo U = 220V .Kak²en tok bo tekel skozi vsako napravi in kak²en bo celoten tokskozi vezje?
(b) Skozi naprave te£ejo tokovi I1 = 8, 7A,I1 = 8, 9A in I3 = 9, 4A.Dolo£ite celoten tok skozi vezje, napetost na vsaki napravi in nadomestnoupornost vezja.
+-
Upečica grelec el. ponev
I1 I2 I3
Slika 3.9: Naloga 3.23
30
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.3.3 Re²evanje vezij3.24 Kolik²na je napetost na ozna£enem uporu?
Slika 3.10: Naloga 3.24
I1 = 100− I2
I3 = 100− I4
Zapi²emo ena£bo za levo vozli²£e:
I1 − I5 − I3 = 0
Vstavimo vrednosti za I1 in I3 in dobimo:
I2 − I4 + I5 = 0
Zan£na ena£ba za zgornjo zanko:
10I2 − 5I5 − 5I1 = 0
2I2 − I5 − 100 + I2 = 0
3I2 − I5 = 100
I2 =100 + I5
3
Zan£na ena£ba za spodno zanko:
−10I3 + 5I5 + 5I4 = 0
−2I3 + I5 + I4 = 0
3I4 + I5 = 200
I4 =200− I5
3
Vstavimo dobljeni ena£bi v ena£bo levega vozli²£a:
I2 − I4 + I5 = 0
31
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
100 + I5
3− 200− I5
3+ I5 = 0
100 + I5 − 200 + I5 + 3I5 = 0
5I5 = 100
I5 = 20A
U5 = I5 ∗R5 = 100V
(Re²itev: U = 100V )
3.25 Kolik²en tok te£e skozi upor Rx?
Slika 3.11: Naloga 3.25
Zapi²emo zan£no ena£bo:
−30 + U1 + Ux = 0
in napetosti izrazimo z tokovi:
−30 + I1· 20Ω + Ix· 20Ω
2I1 + 2Ix = 3
Zapi²emo vozli²£o ena£bo za zgornje vozli²£e:
I1 + 2A + Ix = 0
Iz nje izrazimo I1
I1 = Ix − 2
In rezultat vstavimo v zan£no ena£bo
2(Ix − 2) + 2Ix = 3
2Ix + 2Ix = 7
Ix = 1, 75
32
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.26 Vrednosti uporov v vezju so: R1 = 4Ω, R2 = 20Ω in R3 = 60Ω. Zuporabo Kirchhoovih zakonov izra£unajte napetost vira (U0), ter tokovaskozi upora R2 in R3 (I2, I3)
Slika 3.12: Naloga 3.26
(Re²itev: I2 = 6A, I3 = 2A, U0 = 152V )
3.27 Dolo£ite napetost na uporu z upornostjo 1Ω.+
-
3Ω
5A10V
4Ω 1Ω
2Ω
Slika 3.13: Naloga 3.27
33
3.3 Naloge Analiza enosmernih vezij
3.28 Dolo£ite napetosti na posameznih pasivnih elementih v vezju!
Slika 3.14: Naloga 3.28
3.29 Poi²£ite napetost na uporih z upornostjo 10Ω!
Slika 3.15: Naloga 3.29
3.30 Kolik²na mora biti upornost Rx spodnjega dela potenciometerskega delil-nika, da bo ºarnica pravilno napajana?
Slika 3.16: Naloga 3.30
34
3.4 Re²evanje vezij z metodo zan£nih tokov Analiza enosmernih vezij
3.31 Dolo¢ite upornost Rx, da bo mosti£ uravnoteºen (UAB = 0). Kolik²naje takrat mo£ na uporu Rx? (R1 = 12, 5Ω, R3 = 18, 4Ω, R4 = 15, 3Ω,Ug = 10V )
Slika 3.17: Naloga 3.31
(Re²itev:R1 = 10, 4Ω, Px = 1, 98W )
3.4 Re²evanje vezij z metodo zan£nih tokov3.32 Z uporabo zan£ne metode zapi²ite sistem ena£b za analizo vezja na sliki.
Uporabite na sliki ozna£ene smeri zan£nih tokov. Izra£unajte vrednostivseh zan£nih tokov ter iz njih vrednosti tokov po posameznih vejah.
Slika 3.18: Naloga 3.32
Re²itev:
J1· (80 + 40 + 80)Ω− J2· 40Ω− J3· 80Ω− 105V = 0
−J1· 40Ω + J2· (40 + 40 + 20 + 20)Ω− J3· 40Ω = 0
−J1· 80Ω− J2· 40Ω + J3· (80 + 40 + 40)Ω = 0
(3.11)
35
3.4 Re²evanje vezij z metodo zan£nih tokov Analiza enosmernih vezij
3.33 Z uporabo zan£ne metode zapi²ite sistem ena£b za analizo vezja na sliki.Uporabite na sliki ozna£ene smeri zan£nih tokov. Izra£unajte vrednostivseh zan£nih tokov ter iz njih vrednosti tokov po posameznih vejah.
Slika 3.19: Naloga 3.33
Re²itev:
J1· 120Ω− J2· 40Ω = 20V
−J1· 40Ω + J2· 100Ω− J3· 20Ω = 20V
−J2· 40Ω + J3· 20Ω = 60V
(3.12)
3.34 Z uporabo zan£ne metode zapi²ite sistem ena£b za analizo vezja na sliki.Uporabite na sliki ozna£ene smeri zan£nih tokov. Izra£unajte vrednostivseh zan£nih tokov ter iz njih vrednosti tokov po posameznih vejah.
Slika 3.20: Naloga 3.34
Re²itev:
J1· 25Ω− J2· 10Ω = 10V
−J1· 10Ω + J2· 45Ω− J3· 25Ω = 10V
−J2· 25Ω + J3· 65Ω = 0
(3.13)
36
3.4 Re²evanje vezij z metodo zan£nih tokov Analiza enosmernih vezij
3.35 Imamo vezje s ²tirimi vejami in tremi vozli²£i. Vrednosti elementov soslede£e: R1 = 10Ω, R2 = 20Ω, R3 = 40Ω, R4 = 40Ω, U0 = 40V ,I0 = 10A. Re²ite vezje!
R1
R2
+
-
R4
R3
U0
I0
Slika 3.21: Naloga 3.35
Re²ite vezje z metodama zan£nih tokov in vozli²£ih potencialov!Pomo£: Napetost na realnem tokovnem viru je U = I ·R = (I0− I1) ·R1.Za napetost vira v ena£bah za izra£un zan£nih tokov zato upo²tevamo£len I0 ·R1.
3.36 vrednosti elementov so: R1 = 15Ω, R2 = 20Ω, R3 = 33Ω, R4 = 45Ω,R5 = 22Ω, R6 = 48Ω, U1 = 10V in U2 = 20V . Re²ite vezje.
R2
R1
+-
R4
R3
U1
R6
R5
+
-
U2
Slika 3.22: Naloga 3.36
Re²ite vezje z metodama zan£nih tokov in vozli²£ih potencialov!
37
3.5 Re²evanje vezij z metodo vozli²£nih potencialovAnaliza enosmernih vezij
3.5 Re²evanje vezij z metodo vozli²£nih po-tencialov
3.37 Z uporabo metode vozli²£ih potencialov zapi²ite sistem ena£b za analizovezja na sliki. Uporabite na sliki ozna£ena vozli²£a. Izra£unajte vrednostipotencialov vseh vozli²£ iz njih napetosti na posameznih uporih.
Slika 3.23: Naloga 3.37
Re²itev:
VA ·(
1
80Ω+
1
80Ω+
1
40Ω
)− VB ·
(1
80Ω
)− VC ·
(1
40Ω
)=
105V
80Ω
−VA ·(
1
80Ω
)+ VB ·
(1
80Ω+
1
40Ω+
1
40Ω
)− VC ·
(1
40Ω
)= 0
−VA ·(
1
40Ω
)− VB ·
(1
40Ω
)+ VC ·
(1
40Ω+
1
40Ω+
1
20 + 20Ω
)= 0
38
3.6 Dodatna naloga Analiza enosmernih vezij
3.38 Z uporabo metode vozli²£ih potencialov zapi²ite sistem ena£b za analizovezja na sliki. Uporabite na sliki ozna£ena vozli²£a. Izra£unajte vrednostipotencialov vseh vozli²£ iz njih napetosti na posameznih uporih.
Slika 3.24: Naloga 3.38
Re²itev:
VA ·(
1
80Ω+
1
40Ω+
1
40Ω
)− VB ·
(1
40Ω
)=
40V
80Ω+
20V
40Ω
−VA ·(
1
40Ω
)+ VB ·
(1
40Ω+
1
20Ω+
1
20Ω
)− =
60V
20Ω
3.6 Dodatna naloga3.39 Izra£unajte nadomestno upornost neskon£ne verige
Slika 3.25: Naloga 3.39
39
Poglavje 4
Analiza izmeni£nih vezij
4.1 Kapacitivnost2.1 Kolik²na je kapacitivnost kondenzatorja, na katerem je pri napetosti 2V
naboj 4As?(Re²itev: C = Q
U= 2F )
2.2 Kolik²en je naboj na kondenzatorju s kapacitivnostjo 10F pri napetosti3V ?(Re²itev: Q = 30As)
2.3 Kolik²na je napetost na kondenzatorju s kapacitivnostjo 10−3F , ko je nanjem naboj 2As?(Re²itev: U = 2000V )
2.4 Izra£unajte nadomestno kapacitivnost treh kondenzatorjev, ki so vezanizaporedno.
Slika 4.1: Naloga 4
(Re²itev: CN = 1, 6µF )
2.5 Izra£unajte nadomestno kapacitivnost vezja:(Re²itev: CN = 360µF )
40
4.1 Kapacitivnost Analiza izmeni£nih vezij
2.6 Kolik²na je impendanca kondenzatorja pri izmeni£nem viru napetosti zfrekvenco 60Hz?
Slika 4.3: Naloga 6
(Re²itev: XC = −j66, 25Ω)
2.7 Kondenzator ima ka²acitivnost C = 3µF . Kolik²en tok te£e po elek-tri£nem vezju, £e nanj priklju£imo izmeni£no napetost 15V, 800Hz?
Slika 4.4: Naloga 7
(Re²itev: IC = 226mA)
2.8 Upor z upornostjo 15Ω in kondenzator z impendanco −j20Ω sta vezanavzporedno na izmeni£no napajanje 120V . Izra£unajte tok skozi upor(IR), tok skozi kondenzator (IC), skupni tok skozi vezje (IT ), fazni kotmed napajalno napetostjo in tokom (Θ) ter skupno impendanco vezja(Z).
Slika 4.5: Naloga 8
Re²itev:
IR =UT
R=
120
15= 8A
IC =UC
XC
=120
20= 6A
IT =√
I2R + I2
C =√
82 + 62 = 10A
Θ = arctan8
6= 36, 9O
Z = R||(−jXC)
42
4.2 Induktivnost Analiza izmeni£nih vezij
4.2 Induktivnost2.9 Kolik²na je nduktivnost tuljave, v kateri se inducira napetost 20V ko tok
v navitju naraste iz 12A na 20A v £asu 2s?Re²itev:
uL = 20V
∆t = 2s
∆i = 20− 12 = 8A∆i
∆t=
8
2= 4A/s
L =uL
∆i∆t
=20
4= 5H
2.10 Induktivnost tuljave je L = 50µH. Kolik²na napetost se inducira natuljavi, £e se tok v navitju spreminja z 10000A/s?(Re²itev: U = 0, 5V )
2.11 Vezje sestoji iz tuljave z induktivnostjo L = 20mH in izmeni£nega na²-pajanja s frekvenco f = 950kHz. Kolik²na je impendanca tuljave?(Re²itev: XL = ωL = 11, 2× 104Ω)
2.12 Kolik²na je induktivnost tuljave, £e ima pri frekvenci f = 60kHz impen-danco 945Ω?(Re²itev: L = 2, 5mH)
2.13 Tuljava ima induktivnost L = 300µH. Pri kateri frekvenci bo njenaimpendanca XL = 3768Ω?(Re²itev: f = 2MHz)
2.14 Tuljavi z induktivnostima L1 = 10H in L2 = 12H sta vezani zaporednoin razmaknjeni, tako da ne vplivata ena na drugo.
• Kolik²na je njuna nadomestna induktivnost?• Tuljavi postavimo skupaj, tako da je njuna medsebojna induk-
tivnost LM = 7H. Kolik²na je njuna nadomestna kapacitivnost,£e sta naviti v enako smer in kolik²na £e sta naviti v nasprotnihsmereh?
(Re²itev: LT = 22H, LT = 36H, LT = 8H)
43
4.2 Induktivnost Analiza izmeni£nih vezij
2.15 Dve tuljavi z induktivnostima L1 = 6H in L2 = 22H sta vezani za-poredno na vir izmeni£ne napetosti U = 120V pri 60Hz. Tuljavni nistasklopljeni in njuna upornost je enaka 0. Kolik²ns jr njuna impendancain kolik²en tok bo stekel po vezju?(Re²itev: LT = 28H, XL = 10550Ω, IL = U
XL= 11, 4mA)
2.16 Po RL vezju z uporom R = 50Ω in tuljavo XL = 50Ω te£e tok z maksi-malno vrednostjo I = 1A. Dolo£ite napetost na uporu (UR), napetost natuljavi (UL), skupno napetost (UT ) in fazni kot med tokom in napetostjo(Θ).
Slika 4.6: Naloga 16
Re²itev:
UR = I. R = 50V
UL = I. XL = 50V
UT =√
U2R + U2
L = 70, 7V
Θ = arctanUL
UR
= 45o
2.17 RL vezje je sestavljeno iz upornosti (R = 20Ω) in tuljave (XL = 20Ω).Amplituda napajalne napetosti je UT = 100V . Dolo£ite tok skozi upor(IR), tok skozi tuljavo (IL), skupni tok (IT ) ter fazni kot (Θ).
Slika 4.7: Naloga 17
(Re²itev: IR = 5A,IL = 5A,IT = 7, 07A, Θ = −45o)
44
4.3 RLC vezja Analiza izmeni£nih vezij
4.3 RLC vezja2.18 V RLC vezju izra£unajte napajalno napetost (UT ) ter fazni kot (Θ).
Skicirajte tudi fazni diagram!
Slika 4.8: Naloga 18
Re²itev:
UR = I. R = 8V
UL = I. XL = 39V
UC = I. XC = 24V
(4.1)
Ker je UL > UC :
UT =√
U2R + (UL − UC)2 = 17V
Θ = arctan39− 24
8= 61, 9o
Slika 4.9: Naloga 18 - Fazni diagram
2.19 V RLC vezju, ki ga sestavljajo vzporedno vezani upor (R = 400Ω),tuljava (XL = 50Ω) in kondenzator (XC = 40Ω) izra£unajte tokove poposameznih vejah (IT , IR, IL, IC), fazni kot (Θ) in impendanco vezja.Skicirajte tudi fazni diagram!
45
4.3 RLC vezja Analiza izmeni£nih vezij
Slika 4.10: Naloga 19
Re²itev:
IR =UT
R= 0, 3A
IL =UT
XL
= 2, 4A
IC =UT
XC
= 3A
Ker je XL > XC oziroma IC > IL je vezje kapacitivnega zna£aja
IT =√
I2R + (IC − IL)2 = 0, 67A
Θ = arctanIC − IL
IR
= 63, 4o
Z =UT
IT
= 179Ω
Slika 4.11: Naloga 19 - Fazni diagram
2.20 Za RLCvezje na sliki poi²£ite XL,XC ,Z, Θ,I,UR,UC in UL. Nari²ite udifazni diagram.(Re²itev: XL = 30Ω, XC = 50Ω, Z = 30Ω, Θ = −36, 9o, I = 1A,UR = 24V , UL = 32V , UC = 50V )
46
4.4 Prehodni pojavi Analiza izmeni£nih vezij
Slika 4.12: Naloga 20
2.21 Upor, kondenzator in tuljava so vezna vzporedno na vir izmeni£ne napetostikot ka²e slika. Poi²£ite:
(a) reaktanco kondenzatorja in tuljave (XC , XL);(b) kazalce toka po posameznih vejah (IR, IC , IL);(c) skupni tok skozi vezje (IT );(d) impendanco ter fazni kot (Z, Θ);(e) nari²ite fazni diagram.
Slika 4.13: Naloga 21
(Re²itev: (a)XL = 188Ω, XC = 318Ω; (b) IR = 2A, IL = 1, 06A,IC = 0, 63A; (c) IT = 2, 05A; (d) Z = 97, 6Ω, Θ = −16, 9o)
4.4 Prehodni pojavi2.22 Kondenzator s kapacitivnostjo C = 10µF in za£etno napetostjo U0 =
10V priklopimo na upor z upornostjo R = 1kΩ ter v nekem trenutkusklenemo stikalo.
(a) Kolik²en tok v tem trenutku ste£e skozi upor R?(b) Kolik²na je £asovna konstanta prehodnega pojava τ?(c) Skicirajte £asovni potek toka.(d) V kolik²nem £asu vrednost toka pade na 20% za£etne vrednosti?
47
4.4 Prehodni pojavi Analiza izmeni£nih vezij
Slika 4.14: Naloga 22
2.23 V vezju v trenutku t = 0 vklopimo stikalo. Dolo£ite £asovni poteknapetosti na kondenzatorju C in £asovni potek celotnega toka i(t) skozivezje, £e je U = 6V , R1 = 10Ω, R2 = 5Ω in C = 50µF .
Slika 4.15: Naloga 23
(Re²itev: uC(0) = 6V , uCS = 2V , 1/τ = 6000s−1, uC(t) = 2+4e−6000tV ,i(t) = 0, 4− 0, 4e−6000tA)
48
Poglavje 5
Operacijski oja£evalnik
1. Opi²ite delovanje vezja na sliki. Izpeljite ena£bo za oja£enje vezja (razmerjemed napetostjo na izhodu (u2) in vhodu (u1)). Izra£unajte oja£enje vezjaza vrednosti uporov: R1 = 20Ω, R2 = 5Ω.
Re²itev:Zapi²emo ena£bo za levo zanko:
u1 +R1
R1 + R2
(u2 − u1) = −ud = 0 (5.1)
Ali, zapi²emo vozli²£no ena£bo:
i1 − i2 = 0u1
R1
= − u2
R2
u2 = −R2
R1
u1
A = −R2
R1
Pri zapisu ena£b upor²tevamo lastnosti idealnega operacijskega oja£e-val£nika. Vhodna notranja uporanost je zato enaka neskon£no in v
49
Operacijski oja£evalnik Operacijski oja£evalnik
vhodne sponke tok ne te£e! Oja£enje operacijskega oja£evalnika je pravtako neskon£no (v realnosti pribliºno 106), zato je pri negativni povratnizanki edino stabilno stanje sistema takrat, ko je razlika napetosti medvhodi enaka 0 (ud = 0).Oja£enje sistema A je negativno, zato temu oje£avelniku re£emo inverti-rajo£i oja£evalnik (pozitivna sprememba vhodnega signala (u1) povzro£inegativno spremembo izhodnega signala (u2)).
2. Opi²ite delovanje vezja na sliki. Izpeljite ena£bo za oja£enje vezja (razmerjemed napetostjo na izhodu (u2) in vhodu (u1)). Izra£unajte oja£enje vezjaza vrednosti uporov: R1 = 10Ω, R2 = 10Ω.
(Re²itev: A = 2)
3. Opi²ite delovanje vezja na sliki. Izpeljite ena£bo za oja£enje vezja (razmerjemed napetostjo na izhodu (u2) in vhodu (u1)). Kak²ni sta vhodna inizhodna impendanca vezja?
(Re²itev: Vezje je napetostni sledilnik, A = 1, vhodna impendanca jeneskon£no, izhodna pa ni£)
50
Operacijski oja£evalnik Operacijski oja£evalnik
4. Opi²ite delovanje vezja na sliki. Zapi²ite uzhodno napetost (u3) kotfunkcijo vhodnih (u3 = f(u1, u2)) v primeru, ko so vrednosti uporovenake (R1 = R2 = R3).
(Re²itev: u3 = −(u1 + u2))
5. Opi²ite delovanje vezja na sliki. Zapi²ite uzhodno napetost (u3) kotfunkcijo vhodnih (u3 = f(u1, u2)). Dolo£ite vrednosti uporov, in napetostiu1, £e bomo vezje uporabili za prilagoditev napetosti razpona od 0 . . . 5Vna obmo£je −10 . . . 10V . Upo²tevajte, da je razmerje uporov enako, takoda R1
Ra= R2
Rb= ζ.
(Re²itev: u3 = ζ(u2 − u1), ζ = 4, u1 = 2, 5V )
51
5.1 Operacijski oja£evalnik v frekven£nem prostoru Operacijski oja£evalnik
6. Dolo£ite tok skozi breme Rb, £e je U1 = 5V in R1 = 2kΩ. Razmislite,kolik²na je lahko najve£ja vrednost bremenskega upora Rb, da bo skozinjega ²e tekel tok, ki ste ga izra£unali.
(Re²itev: ib = 2, 5mA)
5.1 Operacijski oja£evalnik v frekven£nem pros-toru
7. Opi²ite delovanje vezja na sliki v £asovnem in frekven£nem prostoru.
Re²itev:Zapi²emo Kirchhoov zakon za vozli²£e z invertirajo£im vhodom:
52
5.1 Operacijski oja£evalnik v frekven£nem prostoru Operacijski oja£evalnik
u1
R+ C
du2
dt= 0
Cdu2 = − 1
Ru1dt
du2 = − 1
RCu1dt
u2 = − 1
RC
∫u1dt
Za anlizo v frekven£nem prostoru upo²tevam impendanco kondenzatorja,ki je ZC = 1
jωCin uporabimo ena£bo za oja£enje invertirajo£ega sistema
z impendancami.
A(jω) = −ZC
ZR
= −1
jωC
R= − 1
jωRC=
j
ωRC
Vidimo, da je oja£enje odvisno od frekvence vzbujanja. Vi²ja kot jefrekvenca, manj²e je oja£enje sistema. Zelo visoke frekven£ne kompo-nente bodo zato mo£no du²ene in vezje predstavlja nizko prepustni lter!
8. Opi²ite delovanje vezja na sliki v £asovnem in frekven£nem prostoru.
(Re²itev: diferencialni £len: u2 = −RC du1
dt, Visoko prepustni lter:
A(jω) = jωRC )
9. Za vezje na sliki nari²ite potek izhodne napetosti (u2) pri podanempoteku vhodne napetosti. Vrednosti elementov sta R = 2kΩ in C =2mF .
10. Za vezje na sliki nari²ite potek izhodne napetosti (u2) pri podanempoteku vhodne napetosti. Vrednosti elementov sta R = 1kΩ in C =5mF .
53
Poglavje 6
Digitalna vezja
4.1 Minimizirajte funkcijof(A,B,C) = ΠM(0, 2, 3, 7)
4.2 Minimizirajte funkcijof(A,B,C, D) = Σm(2, 3, 5, 7, 9, 11, 14, 15)
4.3 Zapi²i funkcijo v popolni in minimalni konjuktivni in disjunktivni oblikiter jo realizirajte z NEIN in NEALI vratif(A,B,C) = A + BC
4.4 Podana je funkcijaf(A,B,C, D) = ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD + ABCD + ABCD + ABCD
Zapi²ite pravilnostno tabelo in funkcijo v minimalni disjunktivni nor-malni obliki (MDNO)
4.5 Zapi²i minimalno obliko funkcije f(A,B, C, D) podane z vezjem:
Slika 6.1: Naloga 5
55
Digitalna vezja Digitalna vezja
4.6 Funkcijo:f(A,B,C, D) = A(B + CD)(A + D)
(a) zapi²ite v pravilnostni tabeli, in poi²£ite minimalno disjunktivnonormalno obliko,
(b) * realizirajte z multipleksorji z dvema izbirnima vhodoma.
4.7 Funkcijo:f(A,B,C, D) = (AB)⊕ (C ⊕D) +ABD +BC(A⊕D)+AB(C ⊕D)+CD(A⊕D)
(a) zapi²ite v pravilnostni tabeli(b) zapi²ite v minimalni disjunktivni normalni obliki(c) * realizirajte z multipleksorji z dvema izbirnima vhodoma
4.8 Za preklopno funkcijo podano v naslednji oblikif(A,B,C, D) = ΠM(1, 2, 5, 7, 9, 10, 13, 15)
(a) zapi²ite ustrezno pravilnostno tabelo,(b) poi²²£ite ekvivalentno popolno normalno disjunktivno obliko (PDNO),(c) Karnaugh-jev diagram,(d) minimalno disjunktivno normalno obliko.
4.9 Za preklopno funkcijo podano v naslednji oblikif(A,B,C, D) = ΠM(0, 2, 8, 9, 12, 13, 14, 15)
(a) zapi²ite ustrezno pravilnostno tabelo,(b) poi²²£ite ekvivalentno popolno normalno disjunktivno obliko (PDNO),(c) Karnaugh-jev diagram,(d) minimalno disjunktivno normalno obliko.
4.10 Za preklopno funkcijo podano v naslednji oblikif(A,B,C, D) = ΠM(2, 4, 5, 6, 11, 12, 13, 14)
(a) zapi²ite ustrezno pravilnostno tabelo,(b) poi²²£ite ekvivalentno popolno normalno disjunktivno obliko (PDNO),(c) Karnaugh-jev diagram,(d) minimalno disjunktivno normalno obliko.
4.11 Zgradite vezje, ki bo dalo na izhodu enico, kadar bosta dve vhodni dvo-bitni ²tevili A in B razli£ni. Uporabite minimalno ²tevilo logi£nih vratNAND.
56
Digitalna vezja Digitalna vezja
4.12 Zgradite vezje, ki detektira pra²tevila, kodirana s ²tiribitno Grayevokodo. Za realizacijo uporabite:
(a) minimalno ²tevilo logi£nih vrat NAND(b) multipleksorje z dvema izbirnima vhodoma
²tevilo Grayeva koda0 00001 00012 00113 00104 01105 01116 01017 01008 11009 110110 111111 111012 101013 101114 100115 1000
Tabela 6.1: tiribitna enokora£na Grayeva koda
57