электротехника лекция. Ннноу экономикоправовой колледж
 Скачать 1.63 Mb.
|
|
НННОУ «ЭКОНОМИКО-ПРАВОВОЙ КОЛЛЕДЖ» «Решение задач по электротехнике» Методическое указание АКТОБЕ 2021
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. На дисциплину отводиться 60 часов из них 20 часов практических занятий, 40 часов теории. Закончится дисциплина дифференцированным зачетом в виде тестового задания и задачи. 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: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||