электротехника лекция. Ннноу экономикоправовой колледж
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
НННОУ «ЭКОНОМИКО-ПРАВОВОЙ КОЛЛЕДЖ» «Решение задач по электротехнике» Методическое указание для самостоятельной работы студентов АКТОБЕ 2022 Аннотация Самостоятельная работа студентов (далее самостоятельная работа) является одним из видов учебных занятий студентов. Самостоятельная работа проводится с целью: систематизации и закрепления полученных теоретических знаний и практических умений студентов; углубления и расширения теоретических знаний; формирования умений использовать нормативную, правовую, справочную документацию и специальную литературу; развития познавательных способностей и активности студентов, творческой инициативы, ответственности и организованности; формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации; развития исследовательских умений
Введение Электротехника – это наука, которая занимается анализом и практическим использованием для нужд промышленного производства и быта всех физических явление, связанных с электрическим и магнитным полями. Область практического применения электротехники имеет четыре связанные друг с другом направления: Получение электрической энергии; Передача энергии на расстояние; Преобразование электромагнитной энергии; Использование электроэнергии. Научно-технический прогресс происходит при все более широком использовании электрической энергии во всех отраслях промышленности. История развития электротехники как науки связанна с важнейшими исследованиями и открытиями. Это исследование атмосферного электричества, появление источников непрерывного электрического тока – гальванических элементов (1799 г.), открытие электрической дуги (1802 г.), и возможность ее использования для плавки металлов и освещения, открытие закона о направлении индуцированного тока (1832 г.) и принципа обратимости электрических машин, открытие закона теплового действия тока – закона Джоуля – Ленца (1844 г.), в 1876 г. положено начало практическому применению электрического освещения с изобретением электрической свечи, в 1889 – 1891 гг. созданы трехфазный трансформатор и асинхронный двигатель. Электроника - это отрасль науки и техники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств и принципов их использования. Можно выделить четыре основных поколения развития электроники: 1904-1950 гг.; 1950-начало 60-х годов; 1960-1980 гг.; 1980 – по настоящее время. Основной задачей курса является получение основных сведений и формирования знаний, умений, навыков по электротехники и электронной техники. В состав курса входит следующие разделы: Начальные сведения об электрическом поле; Основные параметры электрических цепей постоянного тока; Элементы и основные параметры цепей переменного тока; Трехфазные цепи; Трансформаторы; Электрические машины; Полупроводниковые приборы. 1. эЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 1.1 Электрический заряд и его свойства Все тела построены из мельчайших, не делимых на более простые частицы, которые называются элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону Всемирного тяготения. Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы Всемирного тяготения, то эти частицы имеют электрический заряд и называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называются электромагнитные. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электрический заряд – это внутреннее свойство тел или характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействием. Единицы измерения СИ:  1 Кулон электрического заряда проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду. Элементарный minэлектрический заряд:    Свойства электрического заряда: Электрический заряд существует двух видов: Положительный и отрицательный (одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются).  Электрический заряд инвариантен – его величина не зависит от системы отсчета, т.е. от того движется они или покоится; Электрический заряд дискретен – заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда; Электрический заряд аддитивен – заряд любой системы тел равен сумме зарядов тел входящих в систему. Закон сохранения электрического заряда – это алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается не изменой, какие бы процессы не происходили внутри этой системы. Под замкнутой системой понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешними телами. После открытия взаимосвязи между изменяющимися электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Электрические и магнитные поля – это проявление единого целого – электромагнитного поля. Электромагнитное поле – это особая форма материи, осуществляющая взаимодействия между заряженными частицами. Оно существует реально, т.е. независимо от нас, и от наших знаний о нем. Основные характеристики электрического поля Электрическое поле характеризуется взаимодействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости. Тело может получить эл. заряд в результате какого-либо процесса, который приведет к неравенству в объеме тела или части его положительного или отрицательного зарядов. В обоих случаях заряженные частицы не пропадают, а передаются от одного тела другому или перемещаются в данном теле, т. е. проходит пространственное разделение положительно или отрицательно заряженных частиц. Силовой характеристикой электрического поля является его напряженность. Напряженность электрического поля – это векторная величина, численно равная отношению силы, действующей на положительно заряженную частицу, к ее заряду:  Электрическим потенциалом называется работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из одной точки поля в бесконечно удаленную точку. Чтобы переместить заряд из бесконечно удаленной точки снова в исходную, внешние силы должны произвести работу А, идущую на преодоление электрических сил поля.  Если в точку поля с электрическим потенциалом из бесконечно удаленной точки перемещается электрический заряд, то совершается работа. Математически эта зависимость выражается формулой:  . Чтобы переместить электрический заряд из одной точки с электрическим потенциалом в другую точку с электрическим потенциалом, поле должно совершать работу:  Разность потенциалов двух точек поля  называется напряжением.Единицы измерения СИ:  Электрическое напряжение -это электрическая характеристика поля вдоль рассматриваемого пути из одной точки в другую, который оценивается возможностью совершения работы при перемещении заряженных частиц между этими точками. Работу сил электрического поля можно записать так:  Для того чтобы заряд q переместился вдоль линии поля из одной точки однородного поля в другую, находящеюся на расстоянии l, нужно проделать работу. Работа A равна произведению сил F на пройденный путь l, если направление силы F совпадает с направлением движения.  , т.к. , то Такова простейшая зависимость между напряженностью электрического поля и электрическим напряжением для однородного поля. 1.2 Различные материалы в электрическом поле Проводник представляет собойтело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника – избыточный положительный заряд. Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризациейчерез влияние, илиэлектростатической индукцией, а заряды на проводнике – индуцированными зарядами. Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю. Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратиться, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника  , станет равной напряженности внешнего поля  , а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю. Проводник в электрическом поле 1 Диэлектрики в электрическом поле Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома. Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же, как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления эл. поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это влияние называется поляризацией диэлектрика. Различают диэлектрики двух классов: У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируются. Под влиянием эл. Поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. Диполем называют два эл. заряда, равных по величине и обратных по знаку, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие эл. поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, ацетон и т.д. У таких диэлектриков при отсутствии эл. поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее эл. поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего эл. поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением эл. поля поляризация диэлектрика исчезает. Поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика. При некоторой определенной величине напряженности эл. поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение – пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующее свойства и становится токопроводящим. Напряженность эл. Поля, при котором наступает пробой диэлектрика называется пробивной напряженностью  . Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика  должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение  запасом прочности.Электрические заряды молекул диэлектрика: а - при наличии поля, б – без внешнего поля  а б Закон Кулона и его применение для расчета. Закон Кулона - это сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональные зарядам и обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними. Точечный электрический заряд – это заряженное тело формой и размерами которого можно пренебречь.  , где - сила взаимодействия, Н -величина заряда, Кл - относительная диэлектрическая проницаемость - абсолютная диэлектрическая проницаемость const 8,85*10-12 ф/м - const 3,14 - расстояние между частицами, мНекоторые значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых материалов, применяемых в электротехники: Бензин 2,3; Бумага, пропитанная парафином 3,2; Бумага, пропитанная маслом 3; Вода дистилированная 81; Воздух 1; Керасин 2; Мрамор 8,4; Парафин 2-2,4; Резина 2,6-3,5; Слюда 6-8; Стекло 5-10; Трансформаторное масло 2,2; Эбонит 3,1. Решение задач: Задача №1. Закон Кулона Условие Два точечных заряда в вакууме находятся на расстоянии 2 см друг от друга. С какой силой взаимодействуют заряды, если их величины соответственно равны − 4 -4 и 8 8 мк Кл? Задача №2. Капля массой 10 − 4 10-4грамма находитcя в равновесии в электрическом поле напряженностью 98 Н/Кл. Какой заряд имеет капля? 2. эЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ 2.1 Конденсаторы, электрическая емкость Конденсатор – это компонент, состоящий не менее чем из двух обкладок, разделенных диэлектриком, и служащей для накопления электрических зарядов. На принципиальных схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными линиями длиной 8 мм и расстоянием в 1,5 мм. Конденсаторы бывают: Нерегулируемые (постоянной емкости); Регулируемые (переменной емкости); Подстроечные. Параметры конденсаторов: Номинальная емкость – указывается на самом конденсаторе. Фактическое значение емкости может несколько отличаться от номинального. Эти отклонения нормированы. Для конденсаторов установлено три класса точности: Iкласс - +5%, II класс - + 10% и III класс - + 20%. Номинальное рабочее напряжение – наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он надежно и длительно работает, сохраняя свои параметры. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – показывает относительное изменение номинальной емкости конденсатора при изменении температуры на 1ºС. Электроемкостью конденсатора С называется физическая величина, равная отношению модуля заряда q одной из его обкладок к разности потенциалов (напряжению) U между обкладками:  Единицы измерения СИ:  1 фарад – электроемкость проводника, у которого изменение заряда на 1 Кл вызывает изменение потенциала на 1В. 1 мкФ (1 микрофарад) = 10-6 Ф 1 пФ (1 пикофарад) = 10-12 Ф 2. Энергия заряженного конденсатора. Энергия конденсатора, по закону сохранения энергии, должна быть равна работе, выполненной по разделению зарядов. Как мы уже знаем, работа по перемещению заряда в поле равна: Здесь: – заряд; – напряженность; – модуль перемещения. И теперь, если рассмотреть наш случай поля конденсатора, получается, что напряженность создается одновременно двумя обкладками, и для рассмотрения одной обкладки мы должны записать  Однородное поле конденсатораВоспользовавшись теперь формулой связи напряженности и напряжения из прошлого урока: Формула для энергии конденсатора принимает вид:  Использовав в этой формуле формулу определения емкости конденсатора, можно получить еще две формы записи для энергии:  или  Задача №1. Конденсатор Условие Конденсатору емкостью 0,02 мкФ сообщили заряд 10 − 8 10-8Кл. Какова напряженность поля между пластинами конденсатора, если расстояние между ними равно 5 мм. Задача №2. Конденсатор емкостью 10 мкФ имеет энергию 2 мДж. Найти разность потенциалов на обкладках конденсатора. Соединение конденсаторов. 1.Способы соединения конденсаторов. Электрический конденсатор — это система из двух проводников (обкладок, пластин), разделенных диэлектриком. Конденсаторы обладают свойством накапливать на своих обкладках электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку. Электрический заряд qкаждой из обкладок пропорционален напряжению Uмежду ними:  Величину С, равную отношению заряда одной из обкладок конденсатора к напряжению между ними, называют электрической емкостью конденсатора и выражают в фарадах (Ф). Емкость конденсатора зависит от геометрических размеров, формы, взаимного расположения и расстояния между обкладками, а также от свойств диэлектрика. Конденсаторы могут быть соединены последовательно, параллельно и смешанно (последовательно-параллельно). Последовательное соединение  При таком на обкладках всех конденсаторов будут одинаковые по величине заряды:  Напряжения на конденсаторах будут различны, так как они зависят от их емкостей:  ;  … Общее напряжение:  Общая, или эквивалентная, емкость:  или  Параллельное соединение  При параллельном соединении напряжение на всех конденсаторах одинаковое. Заряды на обкладках отдельных конденсаторов при различной их емкости:  ,  ….  Заряд, полученный всеми параллельно соединенными конденсаторами:  О  бщая (эквивалентная) емкость: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||