kalkulator elektryka

Kalkulator zamiany połączenia gwiazda – trójkąt

12 sierpnia 2022 r.
Trójkąt gwiazda

Kalkulator wielkości indukcyjności i admitancji indukcyjnej

12 sierpnia 2022 r.
Reaktancja

Obliczanie mostka Wheatstone'a

12 sierpnia 2022 r.
Mostek

Obliczanie czasu ładowania kondensatora

12 sierpnia 2022 r.
Kondensator

Obliczanie oznaczeń kolorystycznych rezystorów

12 sierpnia 2022 r.
Kod paskowy rezystora

Gęstość prądu przy danej przewodności

Wydajność obwodu silnie zależy od projektowanego poziomu prądu, a gęstość prądu jest wtedy określana przez wymiary elementów przewodzących. Na przykład, jako że obwody scalone są zmniejszane, pomimo mniejszego prądu wymaganego przez mniejsze urządzenia, istnieje tendencja do wyższych gęstości prądu w celu osiągnięcia większej liczby urządzeń w coraz mniejszych obszarach chipów.

Przy wysokich częstotliwościach obszar przewodzący w przewodzie zostaje ograniczony w pobliżu jego powierzchni, co zwiększa gęstość prądu w tym obszarze. Nazywa się to efektem skóry.

Wysokie gęstości prądu mają niepożądane konsekwencje. Większość przewodników elektrycznych ma skończoną, dodatnią rezystancję, co powoduje, że rozpraszają one moc w postaci ciepła. Gęstość prądu musi być utrzymywana na wystarczająco niskim poziomie, aby zapobiec stopieniu lub spaleniu przewodnika, uszkodzeniu materiału izolacyjnego lub zmianie pożądanych właściwości elektrycznych. Przy wysokich gęstościach prądu materiał tworzący połączenia faktycznie się porusza, co nazywa się elektromigracją. W nadprzewodnikach zbyt duża gęstość prądu może generować wystarczająco silne pole magnetyczne, aby spowodować spontaniczną utratę właściwości nadprzewodzących.

Analiza i obserwacja gęstości prądu służy również do sondowania fizyki leżącej u podstaw natury ciał stałych, w tym nie tylko metali, ale także półprzewodników i izolatorów. Rozwinął się nawet skomplikowany formalizm teoretyczny, który wyjaśnia wiele podstawowych obserwacji. Gęstość prądu jest ważnym parametrem w prawie obwodu Ampère'a (jedno z równań Maxwella), które wiąże gęstość prądu z polem magnetycznym.

W okablowaniu elektrycznym maksymalna gęstość prądu może wahać się od 4 A⋅mm-2 dla przewodu bez cyrkulacji powietrza wokół niego do 6 A⋅mm-2 dla przewodu na wolnym powietrzu. Przepisy dotyczące okablowania budynku określają maksymalny dopuszczalny prąd każdego rozmiaru kabla w różnych warunkach. W przypadku konstrukcji kompaktowych, takich jak uzwojenia transformatorów SMPS, wartość ta może wynosić nawet 2 A⋅mm−2. Jeśli przewód przewodzi prądy o wysokiej częstotliwości, efekt naskórkowości może wpływa na rozkład prądu w przekroju, koncentrując prąd na powierzchni przewodnika. W transformatorach zaprojektowanych do wysokich częstotliwości straty są redukowane, jeśli do uzwojeń używany jest tzw. drut Litz. Jest on wykonany z wielu równoległych izolowanych przewodów o średnicy dwukrotnie większej od głębokości skóry. Wyizolowane pasma są skręcone razem, aby zwiększyć całkowitą powierzchnię skóry i zmniejszyć opór związany z efektami skórnymi.

11 sierpnia 2022 r.
Gęstość prądu

Elektromagnes

Punktem wyjścia badań było zbadanie sił między ładunkami elektrycznymi. Prawo Coulomba z około 1785 roku określa tę siłę między dwoma ładunkami punktowymi, w sposób analogiczny do prawa grawitacji. Działanie sił elektrycznych na odległe ładunki opisuje pojęcie pola elektrycznego. Jest to spowodowane nie tylko ładunkami elektrycznymi, ale także zmianami pól magnetycznych w czasie. To odkrycie jest głównie zasługą Michaela Faradaya. Podczas gdy stacjonarne ładunki elektryczne najwyraźniej nie mają nic wspólnego ze zjawiskiem magnetyzmu, poruszający się ładunek elektryczny okazuje się być przyczyną pola magnetycznego, jak zauważył Hans Christian Ørsted w 1820 roku. Jeśli drugi ładunek porusza się w tym polu, doświadcza siły magnetycznej zgodnie z prawami klasycznej elektrodynamiki, która jest wtedy mniej więcej tak duża jak siła elektryczna, jeśli prędkość względna jest rzędu prędkości światła. Elektrodynamika klasyczna jest pierwszym przykładem teorii pola, która spełnia zasadę względności Einsteina. Gdyby elektrodynamika była tylko niezmienna w stosunku do transformacji Galileusza, nie byłoby zjawiska indukcji i propagacji fal elektromagnetycznych.

Teoria elektrodynamiki klasycznej sięga zaś czasów Jamesa Clerka Maxwella, który w XIX wieku uznał prawa elektryczności, magnetyzmu i światła za różne aspekty fundamentalnego oddziaływania, elektromagnetyzmu, w nazwanych jego imieniem równaniach Maxwella. Oddziaływanie elektromagnetyczne, które samo jest wynikiem połączenia teorii oddziaływań elektrycznych i magnetycznych, określane jest od 1967 r. wraz z oddziaływaniem słabym jako oddziaływanie elektro-słabe. Celem jest integracja oddziaływań silnych ze wspólną zunifikowaną teorią pola.

Ze względu na dalekosiężny efekt, oddziaływanie elektromagnetyczne przejawia się zauważalnie zarówno na poziomie makroskopowym, jak i mikroskopowym. W rzeczywistości zdecydowana większość sił fizycznych w mechanice klasycznej – siła przywracająca, siły tarcia, siły napięcia powierzchniowego itp. – ma charakter elektromagnetyczny.

Oddziaływanie elektromagnetyczne determinuje większość właściwości fizycznych ciał makroskopowych, a w szczególności zmianę tych właściwości przy przejściu z jednego stanu materii w inny. Oddziaływania elektromagnetyczne podlegają reakcjom chemicznym. Zjawiska elektryczne, magnetyczne i optyczne również sprowadzają się do oddziaływań elektromagnetycznych.

Na poziomie mikroskopowym oddziaływanie elektromagnetyczne (z uwzględnieniem efektów kwantowych) determinuje strukturę orbitali atomowych, strukturę molekuł oraz większych kompleksów i klastrów molekularnych. W szczególności wielkość ładunku elementarnego determinuje wielkość atomów i długość wiązań w cząsteczkach.

Oddziaływanie elektromagnetyczne charakteryzuje się tym, że ma duży (w zasadzie nieskończony) zasięg i jednocześnie jest nasycalne, tj. skutki ładunku ujemnego i dodatniego na odległym trzecim ładunku są praktycznie anulowane. Siła oddziaływania elektromagnetycznego jest określona przez stałą struktury subtelnej. Ta stała sprzężenia jest około 100 razy mniejsza niż w przypadku oddziaływania silnego, ale większa o kilka rzędów wielkości niż w przypadku oddziaływania słabego i znacznie większa niż w przypadku oddziaływania silnego.

W obszarze najmniejszych cząstek oddziaływanie elektromagnetyczne opisuje elektrodynamika kwantowa. Potencjały elektromagnetyczne są rozumiane jako operatory pola, za pomocą których fotony, cząstki oddziaływania elektromagnetycznego, są tworzone lub niszczone. Oznacza to, że oddziaływanie między naładowanymi cząstkami, czyli wymiana pędu i energii, jest wynikiem wymiany fotonów między tymi cząstkami.

Dodajmy też, że oddziaływanie słabe (nazywane również słabą siłą jądrową lub dynamiką zapachu kwantowego) jest jedną z czterech podstawowych sił fizycznych. W przeciwieństwie do oddziaływań grawitacji i elektromagnetyzmu znanych z życia codziennego, działa tylko na bardzo krótkie odległości, podobnie jak oddziaływanie silne. Podobnie jak inne siły, może zapewnić wymianę energii i pędu, ale jest przede wszystkim skuteczne, gdy zaangażowane cząstki rozpadają się lub przekształcają (na przykład rozpad beta niektórych radioaktywnych jąder atomowych). Ze względu na oddziaływanie słabe nie mogą powstawać stany związane, co odróżnia je od pozostałych trzech oddziaływań. Oddziaływanie słabe ma kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi ze względu na jego rolę w syntezie wodoru w hel w słońcu (reakcja proton-proton), ponieważ jest to jedyny sposób zamiany protonów w neutrony. W ten sposób w kilku etapach pośrednich z czterech protonów (jąder wodoru) powstaje stabilne jądro helu z dwoma protonami i dwoma neutronami. Dzięki temu procesowi słońce uwalnia energię. Ze względu na niską siłę oddziaływania słabego, proces ten jest tak powolny, że Słońce świeci nieprzerwanie przez 4,5 miliarda lat i oczekuje się, że będzie tak świeciło przez kolejne pięć do sześciu miliardów lat.

11 sierpnia 2022 r.
Elektromagnes

AWG

Skala została stworzona w 1857 roku przez J.R. Brown & Sharpe of Providence (Rhode Island), z tego powodu skala była również znana jako Brown and Sharpe Gauge. Lucien Sharpe przedstawił pomysł stowarzyszeniu Waterbury Brass Association i został on szybko przyjęty w lutym tego samego roku przez ośmiu największych producentów kabli w Stanach Zjednoczonych, zapewniając standaryzację pomiaru. Bardzo szybko jego zastosowanie rozpowszechniło się na kraje Ameryki Łacińskiej.

Założenie to jest sprzeczne z intuicją: im niższa liczba AWG, tym grubszy drut prowadzący. Za każdym razem, gdy kawałek surowego metalu przechodzi proces ciągnienia, metal staje się nieco dłuższy i cieńszy. AWG określa, ile razy metal musi przejść przez ciągadła, aby uzyskać pożądaną średnicę, co oznacza na przykład, że drut 24 AWG został przeciągnięty 24 razy. System AWG opiera się na 44 znormalizowanych rozmiarach drutu, a jego zakres wynosi od 0 do 40, ale zawiera również pomiary 00 000 i 0000, które odnoszą się do grubości drutu.

Prezentowana poniżej tabela AWG (żeby ją zobaczyć wystarczy się zalogować lub założyć konto testowe) wskazuje grubość przewodnika, przez który przechodzi elektron pochodzący z prądu elektrycznego: aby zmniejszyć opór i umożliwić lepszą transmisję, rozmiar przewodu powinien być większy. Standard TIA 568-C.2, ustanowiony przez Telecommunications Industries Association, określa zaś, że kable Ethernet muszą składać się z czterech skręconych par przewodów o przekroju od 22 AWG do 26 AWG (0,4039 do 0,6452 mm). Kable o mniejszym przekroju nie są zalecane do połączeń Power over Ethernet (PoE), zarówno dla sprzętu, jak i urządzeń, ponieważ ich przewód przewodzący wytwarza znacznie więcej ciepła, co może spowodować przekroczenie temperatury kabla i zmniejszenie jego mocy.

Chociaż rozmiar przewodnika jest ważny, nie jest to najważniejszy aspekt, jeśli chodzi o wydajność kabla Ethernet. Pod uwagę trzeba brać natomiast dwa inne czynniki, które naprawdę wpływają na wydajność kabla. Są to:

- stopień oplotu drutu.

- jakość miedzi.

O AWG należy pamiętać chociażby przy zakupie kabli Ethernet. Spełniają one standardy TIA i mieszczą się w zakresie od 22 AWG do 24 AWG. Ponadto poniższa tabela może być przydatna, gdy chcemy poznać maksymalną rezystancję lub częstotliwość, jaką może zapewnić kabel o określonej średnicy. Orientacyjnie można przyjąć i stosować następujące zależności:

- przewód z numerem AWG większym o 6 ma około dwa razy mniejszą średnicę, a więc 4 razy mniejszy przekrój (np. 6 AWG jest 2 razy grubszy niż 12 AWG);
- przewód z numerem AWG większym o 3 ma około dwa razy mniejszy przekrój, czyli może przewodzić 2 razy mniejszy prąd (czyli np. przewód 15 AWG można zastąpić dwoma przewodami 18 AWG połączonymi równolegle);
- przewód z numerem AWG większym o 10 ma około 10 razy mniejszy przekrój.

11 sierpnia 2022 r.
AWG

Kalkulator częstotliwości rezonansu elektrycznego

Rezonans obwodu zawierającego kondensatory i cewki indukcyjne występuje, ponieważ zapadające się pole magnetyczne cewki indukcyjnej generuje prąd elektryczny w swoich uzwojeniach, który ładuje kondensator, a następnie kondensator rozładowujący dostarcza prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne w cewce indukcyjnej. Ten proces jest powtarzany w sposób ciągły. Analogią jest wahadło mechaniczne, a oba są formami prostego oscylatora harmonicznego.

W rezonansie impedancja szeregowa dwóch elementów jest minimalna, a impedancja równoległa jest maksymalna. Rezonans służy do strojenia i filtrowania, ponieważ występuje przy określonej częstotliwości dla danych wartości indukcyjności i pojemności. Może to być szkodliwe dla działania obwodów komunikacyjnych, powodując niepożądane ciągłe i przejściowe oscylacje, które mogą powodować zakłócenia, zniekształcenia sygnału i uszkodzenie elementów obwodu.

Rezonans równoległy lub obwody zbliżone do rezonansu mogą być wykorzystywane do zapobiegania marnotrawstwu energii elektrycznej, które w przeciwnym razie wystąpiłoby, gdy cewka indukcyjna tworzy swoje pole lub kondensator jest ładowany i rozładowywany. Na przykład silniki asynchroniczne marnują prąd indukcyjny, a synchroniczne marnują prąd pojemnościowy. Zastosowanie obu typów równolegle powoduje, że cewka indukcyjna zasila kondensator i odwrotnie, utrzymując ten sam prąd rezonansowy w obwodzie i przekształcając cały prąd w użyteczną pracę.

Rezonans opisuje zjawisko zwiększonej amplitudy, które występuje, gdy częstotliwość przyłożonej okresowo siły (lub jej składowej Fouriera) jest równa lub zbliżona do częstotliwości drgań własnych układu, na który działa. Kiedy siła oscylacyjna jest przyłożona do częstotliwości rezonansowej systemu dynamicznego, system będzie oscylował z wyższą amplitudą niż wtedy, gdy ta sama siła zostanie przyłożona do innych, nierezonansowych częstotliwości.

Częstotliwości, przy których amplituda odpowiedzi jest względnym maksimum, są również znane jako częstotliwości rezonansowe lub częstotliwości rezonansowe systemu. Małe siły okresowe, które są bliskie częstotliwości rezonansowej systemu, mają zdolność do wytwarzania w systemie oscylacji o dużej amplitudzie dzięki magazynowaniu energii wibracyjnej.

Zjawiska rezonansowe występują przy wszystkich rodzajach wibracji lub fal: występuje rezonans mechaniczny, rezonans akustyczny, rezonans elektromagnetyczny, magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), rezonans spinowy elektronów (ESR) i rezonans funkcji fal kwantowych. Systemy rezonansowe mogą być wykorzystywane do generowania wibracji o określonej częstotliwości (np. instrumenty muzyczne) lub wybierania określonych częstotliwości ze złożonej wibracji zawierającej wiele częstotliwości (np. filtry).

Termin rezonans (z łac. resonantia, „echo”, od resonare, „rezon”) wywodzi się z dziedziny akustyki, zwłaszcza rezonansu sympatycznego obserwowanego w instrumentach muzycznych, np. gdy jedna struna zaczyna wibrować i wydawać dźwięk po innej jest uderzony. Rezonans przejawia się w wielu systemach liniowych i nieliniowych jako oscylacje wokół punktu równowagi. Gdy system jest sterowany przez sinusoidalne wejście zewnętrzne, zmierzone wyjście systemu może w odpowiedzi oscylować. Stosunek amplitudy oscylacji stanu ustalonego wyjścia do oscylacji wejścia nazywa się wzmocnieniem, a wzmocnienie może być funkcją częstotliwości sinusoidalnego wejścia zewnętrznego. Piki wzmocnienia przy pewnych częstotliwościach odpowiadają rezonansom, w których amplituda oscylacji mierzonego wyjścia jest nieproporcjonalnie duża.

Ponieważ wiele systemów liniowych i nieliniowych, które oscylują, jest modelowanych jako oscylatory harmoniczne w pobliżu ich równowagi, ta sekcja rozpoczyna się od wyprowadzenia częstotliwości rezonansowej dla napędzanego, tłumionego oscylatora harmonicznego. Sekcja następnie wykorzystuje obwód RLC do zilustrowania połączeń między rezonansem a funkcją przenoszenia systemu, charakterystyką częstotliwościową, biegunami i zerami. Opierając się na przykładzie obwodu RLC, sekcja uogólnia te relacje dla systemów liniowych wyższego rzędu z wieloma wejściami i wyjściami. Rezonans występuje, gdy przy pewnych częstotliwościach napędzających amplituda w stanie ustalonym jest duża w porównaniu z amplitudą przy innych częstotliwościach napędzających. W przypadku masy na sprężynie rezonans fizycznie odpowiada drganiom masy, które mają duże przemieszczenia od położenia równowagi sprężyny przy określonych częstotliwościach napędzania.

Koncepcję sterowania obwodem w jego częstotliwości rezonansowej można znaleźć w różnych zastosowaniach. W oscylatorze obwód równoległy LC jest używany jako obwód zbiornika, który jest sterowany w swojej częstotliwości rezonansowej. Rezultatem jest ciągła seria stałych, oscylujących impulsów zegarowych, które sterują takimi komponentami, jak mikrokontrolery i układy komunikacyjne. Obwody rezonansowe są również widoczne w zastosowaniach RF. Stają się podstawą tunera, wzmacniając sygnały odpowiadające jego częstotliwości rezonansowej i odrzucając te, które są poza jego pasmem.