|
|
МУ для заочников Основы электротехники. Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольных заданий для учащихся заочников 3 курса
Тема 1.1. Электрическое поле.
Понятие об электрическом поле, его основные характе ристики: напряженность, потенциал, электрическое напря жение. Закон Кулона. Проводники и диэлектрики. Провод ники в электрическом поле, диэлектрическая проницае мость. Электроизоляционные материалы, их практическое использование.
Электрическая емкость. Плоский конденсатор. Соеди нение конденсаторов. Энергия электрического поля.
Литература. [2] (§1,1 – 1,8); [4] (задачи 1,11; 1,15; 1,20; 1,24; 1,26).
Задачи и вопросы для самопроверки
Изобразите картину электрического поля положительного то чечного заряда. В каком направлении станет перемещаться пробный отрицательный заряд, помещенный в такое поле?
Какое поле называют электростатическим?
Что такое напряженность электрического поля? Имеет ли эта величина направление?
В каких единицах выражают напряженность электрического поля?
Что называют напряжением между двумя точками поля? Приве дите связь между напряженностью поля и напряжением.
Напряженность электрического поля у поверхности Земли Е = 130 В/м. Чему равно напряжение между головой человека, имеюще го рост 1,7 м, и его ногами? Ответ: 221 В.
7. Дайте определение потенциала. Вычислите потенциалы анода и сетки электронной лампы относительно катода, если известно, что для переноса электрона с зарядом - 1,6·10-19 Кл с катода на анод требуется совершить работу 4·10-17 Дж, а с катода на сетку 1,6·10-18 Дж. От вет: 250 В, 10 В.
8. Можно ли считать водный раствор щелочи проводником второго рода? Для каких проводников характерна электронная электропровод ность?
9. Каким зарядом обладает конденсатор емкостью 2 мкФ, если на пряжение между его пластинами равно 100 В? Ответ: 2·10-4 Кл.
10. Напишите формулу для емкости плоского конденсатора. Как изменится его емкость, если одновременно уменьшить площадь пластин в 2 раза, а расстояние между ними в 3 раза? Ответ: увеличится в 1,5 раза.
11. Определите емкость плоского конденсатора, если площадь его пластин равна 0,001 м2, расстояние между пластинами 0,1 мм, а относи тельная диэлектрическая проницаемость равна 7,0. Ответ: 0,62·10-9 Ф.
12. Сколько пластин площадью 0.01 м2 надо собрать, чтобы получить конденсатор емкостью 1 мкФ, если в качестве диэлектрика использована лакоткань толщиной 0,05 мм с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 50? Ответ: 11.
13. Определите энергию, запасенную в конденсаторе емкостью 10 мкФ при напряжении на пластинах 100 В. Ответ: 0,05 Дж.
14. Три конденсатора емкостью 3, б и 2 мкФ соединили сначала параллельно, а затем последовательно. Во сколько раз изменилась их общая емкость? Ответ: в 11 раз.
15. Поясните явление поляризации диэлектрика. Почему поляризованные атомы ослабляют внешнее поле?
16. Перечислите основные типы диэлектриков: газообразных, жидких и твердых. Какие из них используются в электрических аппа ратах и электрических машинах?
17. При испытании в стандартном разряднике трансформаторного масла пробой наступил при напряжении 25 кВ. Принимая пробивную напряженность для масла 1000 кВ/м, определите расстояние между электродами разрядника. Ответ: 2,5 см.
Тема 1.2. Электрические цепи постоянного тока
Электрический ток в металлах, его направление. Источники питания. Электрическая цепь, основные ее элементы, условные обозначения, применяемые на схемах. Сила и плотность тока, единицы их измерения. Электродвижущая сила источника и напряжение на его элементах. Энергия и мощность электрической цепи, баланс мощностей. Закон и Ома для участка цепи. Электрическое сопротивление и проводимость. Удельное сопротивление и удельная прово димость. Резистор. Зависимость сопротивления от темпе ратуры. Закон Ома для всей цепи. Режим работы цепи: хо лостой ход, короткое замыкание, переменная нагрузка.
Преобразование электрической энергии в теплоту. Закон Джоуля - Ленца. Нагрев проводов. Предельно допустимый (номинальный) ток в проводе. Плавкие предохранители. Выбор сечения провода в зависимости от допустимого то ка. Основные проводниковые материалы.
Последовательное, параллельное и смешанное соедине ние резисторов. Потеря напряжения в проводах линий электропередачи и допустимые ее значения. Первый закон Кирхгофа. Второй закон Кирхгофа, его применение. Понятие о расчете сложных цепей. Работа источника в режиме генератора и потребителя.
Лабораторная работа № 1
Изучение особенностей и закономерностей изменения тока и напряжения при последовательном и параллельном соединении резисторов.
Лабораторная работа № 2
Исследование работы линии электропередачи, расчет потерь напряжения и мощности в проводах
Литература. [2] (§2,1, 2.17, 2.19); [31, [4] (задачи 2.1, 2.3, 2.4, 2.7, 2.16, 2.25, 2.28, 2.30, 2.42, 2.44, 2.51, 2.55,'2.67, 2.74).
Задачи и вопросы для самопроверки
1.Что называют электрическим током? Укажите его направление во внешней и внутренней цепях источника электрической энергии.
Приведите примеры источников электрического тока, в которых механическая и химическая энергия превращается в электрическую.
Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, выключателя, предохранителей и двух ламп, включенных парал лельно. Что произойдет в цепи при перегорании одной лампы?
4.Дайте определение электродвижущей силы источника, напряжения на зажимах и внутреннего падения напряжения. Чему равны эти величины, если в цепи проходит ток 2 А через внутреннее сопротивление 0,5 Ом и внешнее сопротивление 9,5 Ом? О т в е т: 20 В, 19 В, 1 В.
Имеются два источника тока с сопротивлениями 0,1 и 0,5 Ом. Ка кой из них нужно выбрать, чтобы изменение тока нагрузки в меньшей степени сказывалось на значении напряжения на его зажимах?
Напишите закон Ома для всей цепи и для одного ее участка: внешнего и внутреннего.
Можно ли считать, что напряжение на концах какого-либо ре зистора одновременно является падением напряжения в нем?
Напишите формулы для определения сопротивления проводника через его удельное сопротивление и электрическую проводимость. Как изменится сопротивление проводника при одновременном увеличении его длины в четыре раза, а диаметра в два раза? Ответ: останется прежним.
Для определения длины медного провода катушки к ней при ложили напряжение 4 В и измерили ток в цепи, который оказался рав ным 0,5 А, диаметр провода 0,8 м. Найдите длину провода, если прово димость меди 53 м/(Ом·мм2). Ответ: 213 м.
10. Напишите формулы для определения мощности, теряемой в резисторе сопротивлением; через квадрат тока и сопротивление; квадрат напряжения и сопротивления; ток и напряжение.
11.Электрическая печь рассчитана на напряжение 220 В и ток 5 А. Какую энергию израсходует печь за 4 ч работы? Принимая стоимость 1 кВт-ч, равной 2 коп., определите стоимость израсходованной энергии. Ответ: 4,4 кВт-ч; 8,8 коп.
12.Какое явление называют коротким замыканием цепи? Как защитить цепь от тока короткого замыкания?
Напишите формулу для определения потери напряжения в про водах. Чему равен к. п. д. линии электропередачи напряжением 220 В, если в ней теряется 10 Вт? Ответ: 94,5%.
Выведите формулы для определения общего сопротивления цепи в двух случаях: а) последовательно включены резисторы R1, R2, R3, R4; б) параллельно включены резисторы R1, R2, R3.
Последовательно включены три резистора: R1 = 10 Ом; R2 = 15 Ом; R3 = 6 Ом. Чему равно общее сопротивление цепи? Какое паде ние напряжения будет на третьем резисторе, если к цепи приложено на пряжение, равное 62 В? Ответ: 31 Ом, 12 В.
Резисторы, указанные в предыдущем вопросе, соединили парал лельно и включили в цепь с напряжением 60 В. Чему равно общее со противление цепи и ток во втором резисторе. Ответ: 3 Ом, 4 А.
Две лампы мощностью 200 и 25 Вт, рассчитанные на напряжение 127 В, соединили последовательно и включили в сеть с напряжением 220 В. Какой накал будет у каждой лампы? Ответ: напряжение на лампах? U1 = 24 В, U2 = 196В. Свечение лампы мощностью 200 Вт прак тически отсутствует.
Напишите формулы для э.д.с. источника, работающего в режи ме потребителя и в режиме генератора. Какие направления в этих слу чаях имеют э.д.с. и ток в линии?
Сформулируйте второй закон Кирхгофа для замкнутого контура с несколькими э.д.с. Как в этом случае определяется знак каждой э.д.с?
Какую цепь называют сложной? Какие законы используют для ее расчета?
Сложная цепь содержит четыре узла и пять ветвей. Сколько уравнений для ее расчета нужно написать на основании первого и вто рого законов Кирхгофа? О т в е т: 3 по первому и 2 по второму законам Кирхгофа.
Определите напряжение на нагрузке при питании ее четырьмя последовательно соединенными источниками с э.д.с, равной 6 В, и внутренним сопротивлением 20 Ом каждый, если ток в цепи равен 0,1 А. Ответ: 16 В.
Напишите формулы для определения э.д.с. батареи и ее внут реннего сопротивления при последовательном и параллельном соеди нениях источников.
Тема 1.3. Электромагнетизм
Магнитное поле и его характеристики. Закон полного тока. Взаимодействие магнитного поля и проводника с то ком. Электромагнитная сила. Ферромагнитные вещества и их намагничивание. Кривые намагничивания. Явление гис терезиса. Потери энергии при гистерезисе. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Материалы с прямоуголь ной петлей гистерезиса, их использование в измерительной и счетно-решающей технике.
Магнитная цепь. Электромагниты, их практическое при менение. Упрощенный расчет электромагнита. Электро магнитная индукция. Электродвижущая сила, индуциро ванная в контуре при изменении магнитного потока, сцеп ленного с контуром (формулировка Максвелла). Правило правой руки. Закон Ленца. Преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование электрической энергии в механическую. Самоиндукция. Электродвижу щая сила самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнит ного поля. Взаимная индукция. Взаимная индуктивность. Вихревые токи, их практическое значение.
Литература. [2] (§3,1 – 3,18); [4] (задачи 3.1, 3.6, 3.8, 3.14 - 3.17).
Задачи и вопросы для самопроверки
Что называют магнитным полем? Начертите магнитное поле во круг прямолинейного проводника с током, кольцевого тока и катушки с током.
Приведите определение основных магнитных величин и их еди ниц измерения: индукции, магнитного потока, напряженности, абсолют ной магнитной проницаемости, магнитной проницаемости, намагничи вающей силы.
Определите магнитный поток в магнитопроводе, поперечное се чение которого равно 2·10-4 м2, а магнитная индукция 0,8 Тл. Ответ: 1,6·10-4 Вб.
При внесении в магнитное поле стального бруска магнитная ин дукция в нем оказалась в 500 раз больше магнитной индукции, созда ваемой тем же полем в воздухе. Чему равна абсолютная магнитная про ницаемость стального бруска? Ответ: 6,28·10-4 Гн/м.
Выведите формулу для определения напряженности магнитного поля на осевой линии кольцевой катушки.
Напишите формулу, связывающую магнитную индукцию, нап ряженность и абсолютную магнитную проницаемость.
На расстоянии 20 м от проводника с током магнитная индукция в воздухе равна 2·10-7 Тл. Чему равен ток в проводнике? О т в е т: 20 А. См. формулу (3.9) на с. 78 учебника Попова.
Определите индукцию магнитного поля, если на помещенный в поле проводник длиной 1 м с сопротивлением 10 Ом, присоединенный к источнику с напряжением на зажимах 50 В, действует сила 0,5 Н. От вет: 0,1 Тл.
От каких величин зависит электромагнитная сила, действующая на проводник с током в магнитном поле? Как определить направление этой силы? В каких единицах выражают все величины входящие в фор мулу для электромагнитной силы?
10. Как формулируют и записывают математически закон полного тока?
И. Определите напряженность магнитного поля, создаваемого ка тушкой, имеющей 100 витков, если через нее проходит ток 15 А, а длина средней силовой линии магнитного поля 2 м. Ответ: 750 А/м.
Какое разрывающее усилие действует на каждый метр алюминие вой оболочки двухжильного кабеля, если по его жилам, находящимся на расстоянии 10 мм друг от друга, проходит ток, равный 200 А? Маг нитная проницаемость изоляции жил равна 1,0. Ответ: 0,8 Н/м.
В чем сущность намагничивания ферромагнитных материалов? Начертите начальную кривую намагничивания стали. Почему ее послед ний участок называют участком магнитного насыщения?
14. Какой характер имеет петля гистерезиса для магнитомягких и магнитотвердых материалов? Как зависят потери на гистерезис от площади петли?
Опишите порядок расчета магнитной цепи, если заданы ее раз меры и магнитный поток или индукция.
На стальном магнитопроводе помещена обмотка с числом витков, равным 800. Определите напряженность магнитного поля, если ток в обмотке равен 2 А, а длина средней магнитной линии составляет 0,2 м, Ответ: 8000 А/м.
Сформулируйте принцип электромагнитной индукции. Почему при движении проводника в магнитном поле происходит разделение за рядов в проводнике?
Как определить значение и направление э.д.с, наведенной в проводнике, движущемся в магнитном поле?
Самолет с размахом крыльев 20 м летит горизонтально со ско ростью 1800 км/ч. Определите индукцию магнитного поля Земли (ее вертикальную составляющую), если разность потенциалов между кон цами крыльев равна 0,5 В. Ответ: 5·10-5 Тл.
Сформулируйте закон Ленца.
Выведите формулу для определения э.д.с. в контуре при его пе ремещении в магнитном поле. О чем говорит знак минус в этой формуле?
Определите э.д.с.в катушке с числом витков 250, если пронизы вающий ее магнитный поток растет со скоростью 0,01 Вб/с. Ответ: - 2,5 В.
Поясните сущность явления самоиндукции. От каких факторов зависит э.д.с. самоиндукции? Какое направление имеет она при возрас тании и убывании тока в цепи?
Найдите э.д.с. самоиндукции в обмотке с индуктивностью 0,1 Гн. если ток в обмотке равномерно возрастает со скоростью 20 А/с. Ответ: -2 В.
Поясните принцип возникновения вихревых токов в стальных магнитопроводах электрических машин и трансформаторов, Какое влия ние оказывают эти токи на работу машин?
Тема 1.4. Однофазные электрические цепи переменного ток
Переменный ток, его определение. Период и частота пе ременного тока.
Фаза, начальная фаза, сдвиг фаз. Действующие значения тока, напряжения и электродвижущей силы (ЭДС). Полу чение синусоидальной электродвижущей силы. Угловая скорость и угловая частота. Изображение синусоидальных величин кривыми (синусоидами и вращающимися векто рами).
Особенности цепей переменного тока. Цепь переменно го тока с активным сопротивлением. Векторная диаграмма, кривые тока, напряжения и мощности. Средняя (активная) мощность.
Цепь переменного тока с индуктивностью. Векторная диаграмма, кривые тока, напряжения и мощности. Реак тивное индуктивное сопротивление. Средняя и максималь ная (реактивная) мощность. Цепь переменного тока с ем костью. Емкостное сопротивление. Векторные диаграммы в цепях с емкостным сопротивлением.
Физические процессы в цепях с последовательным со единением активного, индуктивного и емкостного сопро тивлений. Векторная диаграмма. Резонанс напряжений.
Физические процессы в цепях при параллельном соеди нении К, Ь, С.
Разложение токов на активные и реактивные состав ляющие. Резонанс токов, его условие. Технико-экономические значения реактивной мощности в электри ческих системах. Использование конденсаторов для ком пенсации реактивной мощности
Лабораторная работа № 3 Исследование электрической цепи переменного тока с последовательным соединением активного и индуктивного сопротивления
Лабораторная работа № 4.
Исследование параллельного соединения катушки и конденсатора
Литература. [2] (§7.1-7.5); [3], [4] (задачи 8.1, 8.5, 8.9, 8.10, 8.14-8.16),
Задачи и вопросы для самопроверки
Каким образом можно получить э.д.с. синусоидальной формы и от каких факторов зависит ее значение?
Что называют мгновенным, амплитудным и действующим зна чениями переменного тока и напряжения? К каким из этих значений от носятся стандартные напряжения 127, 220, 380, 660 В?
Выведите зависимость частоты переменного тока от частоты вра щения рамки и числа пар полюсов машины.
Определите период и частоту переменного тока, если угловая час тота равна 314 рад/с. Ответ: 0,02 с, 50 Гц.
Выражения для мгновенных значений тока и напряжения имеют вид: i = 14,2 sin (wt + π/2); u = 169 sin (wt + π/2).. Определите показания амперметра и вольтметра, включенных в эту цепь. Ответ: 10 А, 120 В.
Что называют начальным фазовым углом и углом сдвига фаз? Как определить угол сдвига фаз между двумя э,д,с, пользуясь их вол новыми диаграммами?
Как определить, какая из синусоидальных величин опережает по фазе другую?
Начертите графики тока, напряжения, мощности и векторную диаграмму для цепи с активным сопротивлением. Какой вид имеет закон Ома для такой цепи?
То же, для цепи с индуктивностью; то же, для цепи с емкостью.
То же, для неразветвленной цепи с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Начертите для такой цепи треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей.
В чем заключается явление резонанса напряжений? Каковы его последствия? Почему при резонансе напряжения на катушке и кон денсаторе могут превышать напряжение сети?
В цепь переменного тока включен резистор с сопротивлением R = 10 Ом. Ток и напряжение в цепи изменяются по законам i = 28,2 sin 314 wt, u = 311 sin 314 wt. Определите показания амперметра, вольтметра и ваттметра, включенных в эту цепь. Ответ: 20 А, 220 В, 4400 Вт.
В цепь предыдущего примера включили катушку с индуктивно стью L = 0,01 Гн. Определите ее индуктивное сопротивление. Ответ: 3,14 Ом.
Определите сопротивление конденсатора емкостью 5 мкФ при частоте переменного тока 50 Гц. При какой частоте его сопротивление уменьшится в 10 раз? Ответ: 637 Ом, 500 Гц.
Конденсатор и электрическую лампу соединили последователь но и включили в сеть переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Какую емкость должен иметь конденсатор, чтобы лампа мощностью 60 Вт и напряжением 127 В имела нормальный накал? Ответ: 8,3 мкФ.
16.Начертите векторную диаграмму цепи при параллельном сое динении реальной катушки и конденсатора без потерь.
Как определить ток в неразветвленной части цепи при парал лельном соединении сопротивлений?
Напишите условие наступления в цепи резонанса токов и начер тите для такого случая векторную диаграмму. В цепи реальная катушка и конденсатор без потерь.
19. Почему повышение реактивной мощности потребителя приводит к необходимости увеличивать установленную мощность генераторов и трансформаторов?
Что называют коэффициентом реактивной мощности?
Какую реактивную мощность называют оптимальной?
Предприятие потребляет активную мощность Р=1000 кВт и реактивную Q = 800 квар. Энергосистема задает предприятию оптималь ную реактивную мощность Qэ = 300 квар. Определите необходимую мощ ность конденсаторной батареи для выполнения предписания энергосистемы. Чему равен коэффициент реактивной мощности до установки батареи конденсаторов и после ее установки? Ответ: Qδ = 500 квар; tφ = 0,8; tφэ = 0,3.
Для неразветвленной цепи переменного тока, содержащей ак тивное, индуктивное и емкостное сопротивления, определите величины, указанные в таблице вариантов.
Для разветвленной цепи переменного тока, содержащей две параллельные ветви, определить величины, указанные в таблице ва риантов.
Вариант
|
R
Ом
|
xL
Ом
|
xc
Ом
|
Задание
|
Определить
|
Ответы
|
1
|
3
|
6
|
2
|
L = 10 A
|
z; U; cos φ; S; P; Q
|
z = 5 ;
U = 50 B;
cos φ = 0,6;
S = 500 B · A;
P = 300 Вт;
Q = 400 вар
|
2
|
8
|
4
|
10
|
S=640 B·A;
|
z; I; U; tg φ; P; Q
|
z = 10 ;
I = 8 A;
U = 80 B;
tg φ = - 0,6;
P = 512 Вт;
Q = - 384 вар
|
3
|
12
|
20
|
4
|
P = 192 Вт;
|
z; I; U; sin φ; Q; S
|
z = 20 ;
I = 4 A;
U = 80 B;
sin φ = 0,8;
Q = 256 вар
S = 320 B · A;
|
4
|
6
|
4
|
12
|
U = 60 B
|
z; I; cos φ;
S; Q; P
|
z = 10 ;
I = 5 A;
cos φ = 0,6;
S = 250 B · A;
P = 150 Вт;
Q = -200 вар
|
Вариант
|
Первая ветвь
|
Первая ветвь
|
Задано
|
Определить
|
Ответы
|
R1
Ом
|
xL1
Ом
|
xc1
Ом
|
R2
Ом
|
xL2
Ом
|
xc2
Ом
|
1
|
6
|
8
|
-
|
-
|
-
|
10
|
U = 100 B;
|
I1; I2;
P; Q;
S; I;
|
I1= I2 = 10 А
P = 600 Вт;
Q = -200 вар
S = 633 B · A;
I = 6,33 A
|
2
|
6
|
-
|
-
|
-
|
-
|
8
|
I1 = 8 А;
|
U; I2;
I; P;
Q; S
|
U = 48 В;
I2 = 6 А;
P = 384 Вт;
Q = -288 вар
S = 480 B · A
|
3
|
-
|
5
|
-
|
3
|
-
|
4
|
Р = 192 Вт
|
I1; U;
I2; Q;
S; I
|
I1= 8 А;
U = 40 В;
I2 = 8 А;
Q = 64 вар
S = 202 B · A;
I = 5,05 А
|
|
|
|
Скачать 1.07 Mb.