Конспект лекций по дисциплине Электротехника и электроника
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Конспект лекций по дисциплине: Электротехника и электроника Электротехника, как научная дисциплина, её состав и задачи (Введение). Задачи электротехники. Электротехника как наука необходима для построения электромагнитных цепей — систем выработки, передачи, преобразования и потребления электрической энергии и информационных сигналов. С использованием электротехнической теории строятся гигантские электростанции и миниатюрные генераторы; их энергия преобразуется, например, в механическую энергию двигателей больших станков и микро-электромеханических систем, в тепловую энергию плавильных печей и нитей ламп накаливания; используется электротехника и при решении задач передачи и преобразования сигналов и хранения информации (радио и телевидение, магнитная запись, телефония, ЭВМ). Теоретические основы электротехники содержат в себе два раздела, отличающиеся постановкой задач и применяемыми методами: теория электрических цепей и теория электромагнитного поля. 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ. - Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его. Максвелл определял это поле следующим образом: «...электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»[1]. - Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля, и наоборот. - Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Это положение объясняло, почему электромагнитная волна исключительно поперечна. - Распространение в электромагнитном поле электромагнитных волн происходит с конечной скоростью. Таким образом обосновывался принцип близкодействия. Скорость передачи электромагнитных колебаний постоянна и равна скорости света (с). Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений. 2.1. Электромагнитное поле, как вид материи. Заряд. Напряжённость и индукция. Под электромагнитным полем понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимосвязанных и взаимообусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле описывается вектором напряженности электрического поля (E→) и вектором индукции магнитного поля (B→). Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Заряд бывает двух видов, называемых положительным и отрицательным: заряды одного вида отталкиваются друг от друга, заряды разных видов - притягиваются, причем сила отталкивания равна по модулю силе притягивания; число положительных и отрицательных зарядов во Вселенной одинаковое. Полный электрический заряд изолированной системы сохраняется. Электрическое поле — одна из двух компонент электромагнитного поля, представляющая собой векторное поле[1], существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающее при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.  .Электрическая индукция— векторная величина, характеризующая электрич. поле и равная сумме двух векторов разл. природы: напряжённости электрического поля Е — гл. хар-ки поля и поляризации среды Р, к-рая определяет электрич. состояние в-ва в этом поле, а также векторная величина, равная сумме вектора напряжённости электрического поля и вектора поляризации. В СИ:  .2.2 Потенциал и разность потенциалов. Напряжение.
2.3 Цепные и полевые задачи теории цепей. Задачи, с которыми приходится встречаться на практике, могут быть подразделены на две большие группы. Первая группа — цепные задачи. Они могут быть решены с помощью уравнений поля в интегральной форме. В этой группе используются понятия «ток», «магнитный поток», «электрическое» и «магнитное напряжение», «потенциал», «ЭДС», «МДС» (магнитодвижущая сила), «резистивное», «индуктивное» и «емкостное сопротивление». Для решения задач второй группы — полевых задач — применяют уравнения поля в дифференциальной и интегральной формах. Цепные задачи рассматриваются в I томе учебника ТОЭ (курса теории цепей), задачи теории поля — во II томе учебника ТОЭ. Четкой границы между двумя группами задач нет, так как любая цепная задача с увеличением частоты перерастает в полевую (все более проявляются малые (паразитные) параметры и резко возрастает излучение энергии в окружающее пространство). Основными уравнениями теории электрических цепей являются уравнения (законы) Кирхгофа. Первый закон Кирхгофа для электрических цепей следует из принципа непрерывности полного тока, а для магнитных цепей — из принципа непрерывности магнитного потока. СВОЙСТВА ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЁТА. Линейные электрические цепи имеют несколько свойств, которые формируются в виде отдельных принципов. На их основе возможны преобразования и расчеты цепей.   Определение линейных и нелинейных электрических цепей. Постоянный ток. Вольт-Амперные характеристики. Линейной считается такая электрическая цепь, где характеристики всех ее элементов не зависят от величины и характера протекающего тока и приложенного напряжения. Нелинейной считается цепь, содержащая хотя бы один элемент, характеристики которого зависят от протекающего тока и приложенного напряжения. Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся по времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц. Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки. ВОЛЬТ-АМПЕ́РНАЯ ХАРАКТЕРИ́СТИКА (ВАХ), зависимость силы электрич. тока I от приложенного к данному элементу напряжения U или зависимость падения напряжения на данном элементе от силы протекающего через него тока. Простейшая ВАХ идеального проводника, имеющего электрич. сопротивление R, не зависящее от силы тока, определяется Ома законом, U=RI, и представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Поскольку сопротивление реальных проводящих сред меняется при изменении условий, их ВАХ, как правило, нелинейна. Источники и приёмники электрической энергии. ЭДС. Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, создающий все время разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электрической энергии (или источников тока). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов между концами проводника. Иногда говорят, что ЭДС создает электрический ток в цепи. Нужно помнить об условности такого определения, так как выше мы уже установили, что причина возникновения и существования электрического тока — электрическое поле. Источник электрической энергии производит определенную работу, перемещая электрические заряды по всей замкнутой цепи.. Определение:__Работа,_совершаемая_источником_электрической_энергии_при_переносе_единицы_положительного_заряда_по_всей_замкнутой_цепи,_называется'>Определение: Работа, совершаемая источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется ЭДС источника За единицу измерения электродвижущей силы принят вольт (сокращенно вольт обозначается буквой В или V — «вэ» латинское). ЭДС источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой, цепи источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю:  В практике для измерения ЭДС используются как более крупные, так и более мелкие единицы, а именно: 1 киловольт (кВ, kV), равный 1000 В; 1 милливольт (мВ, mV), равный одной тысячной доле вольта (10-3 В), 1 микровольт (мкВ, μV), равный одной миллионной доле вольта (10-6 В). Очевидно, что 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1 000 000 мкВ; 1 мВ= 1000 мкВ. Источники электрической энергии, работающие по принципу преобразования химической энергии в электрическую, называются химическими источниками электрической энергии. Другим основным источником электрической энергий, получившим широкое применение в электротехнике и радиотехнике, является генератор. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую. На электрических схемах источники электрической энергии и генераторы обозначаются так, как это показано на рис. 1.  Рисунок 1. Условные обозначения источников электрической энергии: а — источник ЭДС, общее обозначение, б - источник тока, общее обозначение; в - химический источник электрической энергии; г — батарея химических источников; д - источник потоянного напряжения; е - источник переменного нарияжения; ж - генератор. У химических источников электрической энергии и у генераторов электродвижущая сила проявляется одинаково, создавая на зажимах источника разность потенциалов и поддерживая ее длительное время. Эти зажимы называются полюсами источника электрической энергии. Один полюс источника электрической энергии имеет положительный потенциал (недостаток электронов), обозначается знаком плюс ( + ) и называется положительным полюсом. Другой полюс имеет отрицательный потенциал (избыток электронов), обозначается знаком минус (—) и называется отрицательным полюсом. От источников электрической энергии электрическая энергия передается по проводам к ее потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагревательные приборы и т. д.). Определение: Совокупность источника электрической энергии, ее потребителя и соединительных проводов называется электрической цепью. Разветвлённые и неразветвлённые электрические цепи постоянного тока. Электрические цепи подразделяют на неразветвленные и разветвленные. На рис. 1.1, представлена схема простейшей неразветвленной цепи. Во всех элементах ее течет один и тот же ток. Простейшая разветвленная цепь изображена на рис. 1.2, а; в ней имеются три ветви и два узла.  Рис. 1.1  Рис. 1.2 В каждой ветви течет свой ток. Ветвь можно определить как участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (через которые течет одинаковый ток) и заключенный между двумя узлами. В свою очередь, узел — это точка цепи, в которой сходятся не менее трех ветвей. Если в месте пересечения двух линий на электрической схеме поставлена точка (рис. 1.2, б), то в этом месте есть электрическое соединение двух линий, в противном случае (рис. 1.2, в) его нет. Кроме термина «узел» иногда используют термин «устранимый узел». Под устранимым узлом понимают точку, в которой соединены два последовательных сопротивления (рис. 1.2, г). Этим понятием пользуются при введении данных в ЭВМ о значении и характере сопротивлений. Напряжение на участке цепи. Закон Ома. (для участка цепи и обобщённый). Закон Ома для участка цепи. Cила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению  Если рассматривать цепь, то сопротивление по элементам распределяется согласно их техническим характеристикам и вычисляется согласно закону Ома. Т.е. мы не можем утверждать, что на каждом элементе есть одинаковое сопротивление. Например, если в цепи с последовательным подключением две лампочки, то мы помним что сила тока во всей цепи при таком соединении одинаковая, а вот напряжение на элементах разное. Почему для участка цепи? Для участка, потому что тут не учитывается сопротивление всей цепи. Можно измерить сопротивление на каждом участке исходя из приведенных характеристик. Закон Ома для полной цепи Полной цепью называется цепь с учетом источника тока. Мы представим себе электрическую цепь условно как систему труб для воды, то участок цепи это будет незамкнутый кусок трубы, а полная цепь - зацикленная система. Внутреннее сопротивление - это то сопротивление, которым обладает источник тока. Току в цепи сложно проходить и через сам источник. Даже сам источник провоцирует энергетические потери. А вот считать его аналогично расчёту для участка цепи нельзя. В закон Ома добавится ещё и внутреннее сопротивление.  Формулировка закона Ома для полной цепи немного изменится. Теперь у нас слово напряжение заменится словом ЭДС (электродвижущая сила), а слово сопротивление заменится суммой внешнего сопротивления цепи и внутреннего сопротивления источника тока:  Добавилось понятие электродвижущая сила (ЭДС), обозначенная в формуле E прописное. 1-й и 2-й законы Кирхгофа. В сложных электрических цепях, то есть где имеется несколько разнообразных ответвлений и несколько источников ЭДС имеет место и сложное распределение токов. Однако при известных величинах всех ЭДС и сопротивлений резистивных элементов в цепи мы можем вычистить значения этих токов и их направление в любом контуре цепи с помощью первого и второго закона Кирхгофа. Пример сложной электрической цепи вы можете посмотреть на рисунке 1.  Рисунок 1. Сложная электрическая цепь. | ||||||||||||||||
