Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši ...vedanadosah.cvtisr.sk/vedecka-roadshow/na-stiahnutie/prednasky/T6... · 1. Miesto a úlohy elektrotechniky Elektrotechnika je

Ing. Gabriel CIBIRA, Ph.D.

http://lm.uniza.sk/, cibira@lm.uniza.sk

Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši

Elektrotechnická fakulta Žilinskej univerzity v Žiline

Téma 6: Budúcnosť elektrotechniky

pre bežný život človeka 21. storočia

1/34

Téma 6: Budúcnosť elektrotechniky

pre bežný život človeka 21. storočia

Obsah:

1. Miesto a úlohy elektrotechniky

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

3. Možnosti skúmania vlastností materiálov pre elektrotechniku

4. Skúmanie elektrických vlastností solárneho článku

5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť

6. Meranie a spracovanie údajov o teplote

7. Meranie parametrov elektrickej siete

8. Meranie a spracovanie akustických signálov

9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov

2/34

2015 – International Year of Light

and Light-based technologies

http://www.roksvetla.sk/

1. Miesto a úlohy elektrotechniky

Elektrotechnika je technická veda. Skúma zákonitosti pôsobenia

elektrónov a ďalších nabitých častíc s elektromagnetickým poľom

a rozpracovaním metód konštrukcie elektronických prístrojov.

Člení sa na silnoprúdové odbory (elektroenergetika, elektrické

stroje, elektrické prístroje, výkonová elektronika, elektrické pohony), a

slaboprúdové odbory (elektronika vákuová /pevných látok /kvantová,

komunikácie).

3/34

• výroba a dodávka energie

• konštrukcia energetických zariadení

• premena elektromagnetickej energie na iné formy energie

• automatizácia výrobných procesov

• prenos – spracovanie – uchovanie informácií

• konštrukcia komunikačných, zabezpečovacích, výpočtových a iných

elektrických zariadení ...

1. Miesto a úlohy elektrotechniky

Uplatnenie elektrotechniky v bežnom živote:- Spotrebná elektronika pre domácnosť

- Elektrické náradie a zariadenia pre domácnosť

- Elektrické náradie, zariadenia, súčasti a obvody pre rôzne odvetvia(priemysel, poľnohospodárstvo, zdravotníctvo, školstvo, výskumné pracoviská, služby, ...)

4/34

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

izolanty (keramika, sklo, sľuda, plasty, olej, ...) – nemajú voľné nosiče náboja

vodiče (hliník, meď, zinok, volfrám, ...)

polovodiče (kremík, germánium, selén, ...)

odporové materiály (zliatiny kovov)

magnetické materiály

materiály pre výrobu chemických akumulátorov – batérií

materiály pre chladenie a tepelnú izoláciu

SiO2 69 %

Al2O3 14 %

Fe2O3 + FeO 4 %

Zastúpenie prvkov

v zemskej kôre

prvokpomerné

zastúpenie

Kyslík 46,6 %

Kremík 27,7 %

Hliník 8,1 %

Železo 5,0 %

Vápnik 3,6 %

Sodík 2,8 %

Draslík 2,6 %

Horčík 2,1 %

Titán 0,4 %

Vodík 0,1 %

Fosfor 0,1 %

Mangán 0,1 %

Síra 0,05 %

Uhlík 0,03 %

Ostatné

prvky0,7 %

majú voľné nosiče náboja

5/34

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

Skupina

→1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

↓ Perióda

11

H

2

He

23

Li

4

Be

5

B

6

C

7

N

8

O

9

F

10

Ne

311

Na

12

Mg

13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

419

K

20

Ca

21

Sc

22

Ti

23

V

24

Cr

25

Mn

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

537

Rb

38

Sr

39

Y

40

Zr

41

Nb

42

Mo

43

Tc

44

Ru

45

Rh

46

Pd

47

Ag

48

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

Te

53

I

54

Xe

655

Cs

56

Ba

*

Ln

72

Hf

73

Ta

74

W

75

Re

76

Os

77

Ir

78

Pt

79

Au

80

Hg

81

Tl

82

Pb

83

Bi

84

Po

85

At

86

Rn

787

Fr

88

Ra

**

An

104

Rf

105

Db

106

Sg

107

Bh

108

Hs

109

Mt

110

Ds

111

Rg

112

Cn

113

Uut

114

Uuq

115

Uup

116

Uuh

117

Uus

118

Uuo

(*)57

La

58

Ce

59

Pr

60

Nd

61

Pm

62

Sm

63

Eu

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

Ho

68

Er

69

Tm

70

Yb

71

Lu

(**)89

Ac

90

Th

91

Pa

92

U

93

Np

94

Pu

95

Am

96

Cm

97

Bk

98

Cf

99

Es

100

Fm

101

Md

102

No

103

Lr

6/34

Všetky materiály pri zmene

podmienok menia vlastnosti

pri veľmi nízkych a nízkych

teplotách – supravodivosť

Využitie keramiky v elektrotechnike

(vyrába sa zlinovaním a glazovaním):

- izolačná a konštrukčná - horčíková – izolačné prvky, poistkové púzdra, ...

- oxidová (korund, zirkón) – vysokofrekv. prvky,

- vodivá - odporové vykurovacie telesá,

- rezistory ...,

- iónové vodiče, supravodiče, ...

- senzory (piezokeramika),

- dielektrická - kondenzátory,

- mikrovlnové prvky (Ti, Zr, Ta, Ni) - rezonátory

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

izolanty (keramika, sklo, sľuda, plasty, olej, ...) – nemajú voľné nosiče náboja

Využitie skla v elektrotechnike ...?

Využitie sľudy v elektrotechnike ...?

Využitie plastov v elektrotechnike ...?

Využitie olejov v elektrotechnike ...?

7/34

Využitie hliníka v elektrotechnike:

Hliník je tretí najrozšírenejší prvok v zemskej kôre (bauxit, ...). Hliník je odolný voči korózii. Pre jeho

dobrú elektrickú vodivosť a nižšiu cenu než meď sa často používajú jeho zliatiny v elektrotechnike -

na výrobu vodičov.

V bytových rozvodoch sa prestal používať na konci 80-tych rokov. Používa sa v lanách na rozvody

vysokého napätia (elektrorozvodná sieť) a v priemyselných aplikáciách pod dohľadom.

Využíva sa tiež jeho veľmi dobrá tepelná vodivosť na výrobu rôznych chladičov a výmenníkov tepla

(chladničky, výkonové súčiastky, procesory PC.

Počet elektrónov v hladinách: 2, 8, 3

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

vodiče (hliník, meď, zinok, volfrám, ...) – majú voľné nosiče náboja

8/34

Využitie medi v elektrotechnike:Počet elektrónov v hladinách: 2, 8, 18, 1

Medená ruda je v zemskej kôre pomerne vzácna, významné ložiská sú v Severnej a Južnej Amerike.

Až 75 % medi sa použije pre elektrotechniku. Meď je veľmi ťažná a kujná.

Meď v čistom stave (čistejšia než 99,95%) výborne vedie elektrický prúd, po striebre vykazuje druhú

najlepšiu vodivosť zo všetkých kovových prvkov pri normálnej teplote. Veľmi dobre odvádza teplo. Pre

tieto vlastnosti sa z nej vyrábajú vodiče elektrického prúdu, vinutia cievok, transformátorov, motorov, ...

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

vodiče (hliník, meď, zinok, volfrám, ...) – majú voľné nosiče náboja

9/34

Vlastnosti polovodičov:

široký rozsah rezistivity a vodivosti

vodivosť polovodičov značne závisí od prímesí, tak sa môže meniť o niekoľko rádov

vodivosť so stúpajúcou teplotou stúpa

pri absolútnej nule sú polovodiče izolantmi

majú malé rozmery a malú hmotnosť

pri svojej činnosti spotrebujú malé množstvo energie

môžeme ich používať vo veľkom rozsahu frekvencie

počas prevádzky nemenia svoje vlastnosti, sú spoľahlivé a majú dlhú životnosť

Podmienky použitia polovodičov: dokonalá čistota, forma monokryštálu, vodivosť

Polovodičové prvky – kremík, germánium, selén, telúr, cín (používa sa modifikácia Alfa - práškový cín

na rozdiel od modifikácie beta používanej na výrobu pájok).

Polovodičové zlúčeniny – arzenidy, antimonity, fosfory, oxidy, sulfidy, selenidy, teluridy.

VYUŽITIE POLOVODIČOVÝCH MATERIÁLOV

Materiál Použitie

kremík (Si) diódy, tranzistory, integrované obvody, tyristory, solárne články

germánium (Ge) vysokofrekvenčné tranzistory, detektory rádioaktívneho žiarenia

gáliumarzenid (GaAs) svetelné diódy, laser, vysokofrekvenčné tranzistory

indiumantimonid (InSb)

Indiumarsenid (InAs)

magnetorezistory, Hallove generátory

kadmiumsulfid (CdSi) fotoodpory, solárne články

karbid kremíka (SiC) varistory, svetelné diódy

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

10/34

Využitie germánia v elektrotechnike:

Využitie kremíka v elektrotechnike: 90% polovodičov je z kremíka

Šírka zakázaného pásu pri 0 K je 1,16eV

Kremíkové súčiastky vydržia teploty až do 150 ˚C

Čistenie a ťaženie monokryštálu kremíka je technologicky dobre

zvládnuté a uľahčené tým, že sa jedná o čistý prvok

Pri vysokej teplote sa kremík pokryje vrstvičkou SiO2, (dobre izoluje)

Protóny 14,

Neutróny 14,

Elektrónový obal:

vnútorná vrstva 2 elektróny,

druhá vrstva 8 elektrónov,

valenčná vrstva 4 elektróny.

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

Počet elektrónov v hladinách: 2, 8, 18, 4

Šírka zakázaného pásu pri 0 K je 0,78eV a so stúpajúcou teplotou sa zmenšuje

Optická šírka zakázaného pásma je1,5eV

Obsah v zemskej kôre je veľmi nízky (iba v rudách Zn a Ag),

preto sa získava úpravou oxidu germaničitého

Využíva sa hlavne na výrobu vysokofrekvenčných polovodičových súčiastok

(lebo v porovnaní s kremíkom má väčšiu pohyblivosť elektrónov a dier)

11/34

Mikročip koncentruje vodivé, polovodivé a nevodivé vlastnosti materiálov.Výroba integrovaného obvodu začne tým, že sa valec čistého kremíka s priemerom 15 až 45 cm

rozreže na plátky (wafers) hrubé štvrť milimetra až milimeter. Z každého plátku sa potom vyrobia

desiatky mikročipov. Pod mikroskopom sa do nich nanášajú materiály a odleptajú nepotrebné časti

elektronických prvkov budúceho integrovaného obvodu: odpory, kondenzátory a tranzistory.

Pretože plátky pripomínajú zemiakové lupienky (chips), vyrobené integrované obvody dostali ich

meno – čipy. Pod týmto názvom skrýva zariadenie, ktoré vie spracovávať a uchovávať elektrické

signály (procesory, pamäte, ...).

Jack Kilby sprevádzal svojho otca - elektrotechnického inžiniera pri pracovných pochôdzkach. Elektrina ho

zaujala, ako 14-ročný zostrojil rozhlasový prijímač, študoval elektrotechniku a fyziku. Ako 25-ročný r. 1958

za necelý mesiac vyrobil na jedinom stavebnom prvku z polovodičového materiálu úplný obvod.

Vznikol tak prvý mikročip: na skle nalepená germániová doštička, z ktorej vyčnievalo niekoľko drôtikov.

Kto a kedy vyrobil mikročip ako prvý na svete?

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

12/34

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

13/34

Ako sa v súčasnosti vyrábajú mikročipy?https://www.youtube.com/watch?v=-GQmtITMdas

... → kvantové počítače

2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku

14/34

Ako sa vyrábajú zložitejšie elektrické a elektronické obvody?https://www.youtube.com/watch?v=X90OvxBNyDE

https://www.youtube.com/watch?v=KnyB9btlhS8

S - snímač, C – obvod na úpravu signálu, AD - analógovo-číslicový prevodník,

P - (číslicové) spracovanie signálu, DA - číslicovo-analógový prevodník, A - akčný člen

Základné prvky elektronického meracieho reťazca:

3. Možnosti skúmania vlastností materiálov pre elektrotechniku

EXPERIMENTÁLNE METÓDY ↔ ANALYTICKÉ METÓDY

- optické merania (lupa, optický mikroskop),

- optoelektronické merania (spektroskopia, elektrónový mikroskop),

- meranie elektrických vlastností (náboj, potenciál, prúd, výkon, účinnosť)

15/34

4. Skúmanie elektrických vlastností solárneho článku

vyčerpateľnosť fosílnych energetických zdrojov →

→ potreba výskumu obnoviteľných zdrojovdemonštrácia merania I-V charakteristiky a teploty solárneho článku

Cibira, Koščová: Photovoltaic module parameters acquisition model

16/34

4. Skúmanie elektrických vlastností solárneho článku

vyčerpateľnosť fosílnych energetických zdrojov →

→ potreba výskumu obnoviteľných zdrojovdemonštrácia merania I-V charakteristiky a teploty solárneho článku

Cibira, Koščová: Photovoltaic module parameters acquisition model

17/34

Svetelný tok klasická žiarovka LED žiarovka

úsporná (kompaktná)

žiarivka

halogénová

žiarovka

50 lm 1,2 W

100 lm 15 W

150 lm 20 W 4 W

200 lm 25 W 2 W 5 W 18 W

250–400 lm 30–35 W 3 W 6–7 W

400–450 lm 40 W 4 W 8–9 W 28 W

500 lm 50 W 5 W 10 W 35 W

550–700 lm 60 W 6 W 11–12 W 42 W

5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť

demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:

Ktorý z umelých svetelných zdrojov je energeticky najúčinnejší?

? ? ?

18/34

6. Meranie a spracovanie údajov o teplote

demonštrácia merania tepelného výkonu svetelných zdrojov:

Tepelné straty - akú teplotu dosiahnu umelé svetelné zdroje?

? ? ?

19/34

5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť

demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:

Prečo sú farby pod umelým osvetlením odlišné než na dennom svetle?

20/34

5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť

demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:

Prečo sú farby pod umelým osvetlením odlišné než na dennom svetle?

21/34

5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť

demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:

Prečo sú farby pod umelým osvetlením odlišné než na dennom svetle?

22/34

7. Meranie parametrov elektrickej siete

demonštrácia merania výkonu a spektra

ostrovného harmonického napájacieho zdroja:

Dokáže striedač pre ostrovné systémy vyrábať dostatočný výkon?

Je spektrum napätia distribučnej siete

a striedačov harmonické?

vplyv neprispôsobenia záťaže na

parametre napájania

23/34

7. Meranie parametrov elektrickej siete

demonštrácia merania výkonu a spektra

ostrovného harmonického napájacieho zdroja:

Dokáže striedač pre ostrovné systémy vyrábať dostatočný výkon?

24/34

8. Meranie a spracovanie akustických signálov

Frekvenčný rozsah citlivosti sluchu:

ľudské ucho: 20 Hz – 20 000 Hz

pes: 30 Hz – 45 000 Hz

mačka: 15 Hz – 50 000 Hz

netopier: 14 000 Hz – 100 000 Hz

ľudia s absolútnym sluchom odlišujú tóny

25/34

elektronické zvukové senzory – mikrofóny

uhlíkový

kondenzátorový

piezoelektrický

dynamický

pásikový

8. Meranie a spracovanie akustických signálov

26/34

8. Meranie a spracovanie akustických signálov

27/34

8. Meranie a spracovanie akustických signálov

demonštrácia akustického spektra hudobných nástrojov: drumbľa, píšťalka, okarína, fúkacia

harmonika, husle, viola

demonštrácia akustického tlaku pri rozbití skla

28/34

8. Meranie a spracovanie akustických signálov

demonštrácia merania smeru k zdroju akustického signálu

29/34

9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov

- metalické vedenia, optické vedenia, rozhranie medzi nimi, záznam,

- vysokofrekvenčný (rádiový) prenos (Bluetooth, Wifi, internet vecí),

- záznamové média

30/34

9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov

- metalické vedenia, optické vedenia, rozhranie medzi nimi, záznam,

- vysokofrekvenčný (rádiový) prenos (Bluetooth, Wifi, internet vecí),

- záznamové média

31/34

https://www.youtube.com/watch?v=HviFM3FpQV8

https://www.youtube.com/watch?v=CMPi1XDLzLc

9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov

- inteligentné riadenie dopravy,

- inteligentná domácnosť

32/34

https://www.youtube.com/watch?v=FjyYpvr4afc

33/34

Potrební kvalifikovaní odborníci: výskumníci, vývojári,

konštruktéri, projektanti, riadiaci pracovníci, technológovia,

programátori, technici, operátori elektrotechnickej výroby,

operátori testovacích zariadení, bezpečnostní technici, revízni

technici, dozorujúci a obsluhujúci personál prevádzok, opravári,

distribútori, predajcovia, ...

34/34

Otázky?Ďakujem za pozornosť.

Ing. Gabriel CIBIRA, Ph.D.

http://lm.uniza.sk/, cibira@lm.uniza.sk

http://www.vedanadosah.sk/vedecka-roadshow/

Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši

Elektrotechnická fakulta Žilinskej univerzity v Žiline