Тема 1. 1. Электрическое поле.

ВВЕДЕНИЕ

       Основные задачи, содержание и взаимосвязь предмета «Электротехника и электроника» с другими дисциплинами. Применение электротехники в отраслях народного хозяйства.

 

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.

Тема 1.1. Электрическое поле.

 

Электрическое напряжение. Потенциал. Электропроводность. Электрическая емкость. Конденсаторы. Соединения конденсаторов. Энергия электрического поля. Электроизоляционные материалы.

 

Тема 1.2. Электрические цепи постоянного тока.

Элементы электрической цепи, их параметры, характеристики.

Электрический ток. Закон Ома. Электрические сопротивления и проводимость. Работа и мощность. Преобразование электрической энергии в тепловую. Первое и второе правило Кирхгофа. Расчет простых электрических цепей.

Лабораторная работа № 1.

Лабораторная работа № 2.

Практическая работа №1.

Тема 1.3. Электрические измерения.

 

       Классификация погрешностей. Класс точности измерительных приборов. Средства измерения электрических величин. Классификация измерительных приборов. Определение, назначение измерительного прибора по его условному обозначению на шкалах приборов.

Измерение постоянного и переменного тока и напряжения. Схемы включения ваттметра. Измерение электрического сопротивления: методы амперметра и вольтметра, мостовой. Схемы включения приборов.

Лабораторная работа № 3.

Лабораторная работа № 4.

Тема 1.4. Электрические цепи переменного тока.

 

Параметры и формы представления переменного тока и напряжения. Активное сопротивление, индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Электрические схемы включения элементов в цепи переменного тока. Использование закона Ома и правила Кирхгофа для расчета электрических цепей переменного тока. Активная, реактивная и полная мощность в цепи переменного тока. Коэффициент мощности. Неразветвленные и разветвленные цепи переменного тока. Основные расчетные уравнения. Электрические схемы. Область применения.

Лабораторная работа № 5.

Контрольная работа № 1.

 

 Тема 1.1. Электрическое поле.

СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ ПРОВОДНИКОВ.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЙ,

НАПРЯЖЕНИЕ.

Чтобы электрический ток проходил по цепи продолжительное время, нужно непрерывно поддерживать разность потенциалов на полюсах источника напряжения, к которому присоединена электрическая цепь. Анало­гично этому, если соединить трубкой два сосуда с различ­ными уровнями воды, то вода будет переходить из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровни в сосудах не сравняются. Поддерживая разность уровней в этих со­судах, можно добиться того, что движение воды по трубке между сосудами будет про­должаться непрерывно.

Внутри источника элек­трической энергии действует сила, которая должна непре­рывно поддерживать ток в цепи, т. е., иначе говоря, должна обеспечивать работу этого источника.

Причина, которая устанав­ливает и поддерживает раз­ность потенциалов на зажимах источника, вызывает ток в цепи, преодолевая ее внешнее 'и внутреннее сопротивления, называется электродвижущей силой (сокращенно э. д. с.) и обо­значается буквой Е.

 

Электродвижущая сила источников электрической энергии воз­никает под влиянием причин, специфических для каждого из них. В химических источниках электрической энергии (гальваниче­ских элементах, аккумуляторах) э. д. с. получается в результате химических реакций, в генераторах э. д. с. возникает вследствие электромагнитной индукции, в термоэлементах — за счет тепловой энергии.

Разность потенциалов, вызывающая прохождение тока через сопротивление участка электрической цепи, называется напря­жением между концами этого участ­ка. Электродвижущая сила и на­пряжение измеряются в вольтах. Для измерения э. д. с. и напря­жения служат особые приборы — вольтметры

 Чтобы измерить э. д. с. источника, необходимо вольтметр при­соединить к зажимам источника при разомкнутой внешней цепи. Для измерения напряжения на каком-либо участке элект­рической цепи вольтметр нужно включить параллельно к концам  этого участка.

ЗАКОН ОМА

а) для участка цепи:

Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорцио­нален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна под наз­ванием закона Ома.

Если обозначим: I— ток в амперах, U — напряжение в воль­тах, R — сопротивление в омах, то закон Ома можно представить формулой:

I= U/ R

т. е. ток на данном участке цепи равен напряжению на этом участке, деленному на сопротивление того же участка.

На рис. приведена электрическая цепь, состоящая из источ­ника электрической энергии, потребителя, имеющего сопротивле­ние R   и длинных соединительных проводов, которые имеют сопро­тивление R_л, (сопротивление линии).

 

 

При работе схемы, т. е. при прохождении по цепи электрического тока, показание вольтметра, включенного в начале линии U ₁будет больше показания вольт­метраU₂ включенного в конце линии

Такое уменьшение напряже­ния вдоль цепи по мере удале­ния от источника вызвано поте­рей напряжения в проводах ∆U   

 

∆U = U ₁ - U ₂

Потеря напряжения в линии происходит потому, что часть напряжения будет теряться в

проводах линии. При этом потеря напряжения будет тем больше, чем больше ток линии и чем больше сопротивление проводов. Потеря напряжения равна току, протекающему по проводам ли­нии, умноженному на сопротивление проводов:

 

∆U=IR_пр

 

б) для всей цепи

 

При рассмотрении электрической цепи мы до сих пор не прини­мали в расчет того, что путь тока проходит не только по внешней части цепи, но также и по внутренней части цепи, т. е. внутри са­мого элемента, аккумулятора или другого источника энергии.

Электрический ток, проходя по внутренней части цепи, преодо­левает ее внутреннее сопротивление и потому внутри источника также происходит падение напряжения.

 

Следовательно, электродвижущая сила (ЭДС) источника электрической энергии идет на покрытие внутренних и внешних потерь напряжения в цепи.

Если Е — электродвижущая сила в вольтах, I— ток в ампе­рах, R — сопротивление внешней цепи в омах, R₀ — сопротивление внутренней части цепи в Oмах,

 

I = E / R + R_o

 

Это есть формула закона Ома для всей цепи. Т ок в электрической цепи равен электродвижущей силе, деленной на сопротивление всей цепи (сумму внутреннего и внешнего сопротивлений).

При размыкании электрической цепи ток по ней проходить не будет. Ток не будет проходить также и внутри источника ЭДС, а следовательно, не будет и внутренней потери напряжения. Поэ­тому вольтметр при разомкнутой цепи покажет э. д. с. источника электрической энергии.

 

Таким образом, вольтметр, включенный на зажимы источника э. д. с., показывает:

при замкнутой электрической цепи — напряжение сети;

при разомкнутой электрической цепи — э. д. с. источника элект­рической энергии.

 

ЗАКОНЫ КИРХГОФА

 

Для расчета электрических цепей наряду с законом Ома приме­няются два закона Кирхгофа, являющиеся следствиями физиче­ских законов из группы законов сохранения.

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа применяется к узлам электрических це­пей:

в ветвях, образующих узел электрической цепи, алгебраическая сумма токов равна нулю:

 

В эту сумму токи входят с разными знаками в зависимости от на­правления их по отношению к узлу.

Токи, направленные к узлу, условно взяты по­ложительными, а токи, направленные от узла, — отрицательными:

Можно дать другую формулировку первого закона Кирхгофа:

сумма токов, направленных к узлу электрической цепи, равна сум­ме токов, направленных от того же узла.

 

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрических цепей:

в контуре электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на его ветвях равна нулю:

Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток, называется ветвью.

Место соединения двух и более ветвей электрической цепи называется узлом.

 Узел, в котором сходятся две ветви, называется устранимым.

Узел является неустранимым, если в нем соединены три и большее число ветвей. Узел в схеме обозначается точкой.

Любой замкнутый путь, включающий в себя несколько ветвей, называется контуром.

 

Закон Джоуля — Ленца

 

В проводах линии передачи электрической энергии, обмоток якорей и полюсов электрических машин, электробытовых прибо­ров и других потребителей происходит преобразование электри­ческой энергии в тепловую.

Ток I, протекая по проводнику с сопротивлением R, нагревает этот проводник. За время t в этом проводнике выделяется тепло, количество которого определяется количеством электрической энергии, затраченной в этом проводнике, т. е.

где Q — количество тепла, выделенного в проводнике, Вт*с.

Приведенная зависимость является математическим вы­ражением закона Джоуля — Ленца.

Таким образом, закон Джоуля — Ленца устанавливает зависи­мость между количеством тепла и электрической энергией: количе­ство тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квад­рату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока по проводнику.

Количество тепла Qизмеряется иногда внесистемной едини­цей — калорией (количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1 °С). Причем 1 кал = 4,187 Дж, следовательно, 1 Вт*с=1 Дж = 0,24 кал.

 

 

Коэффициент 0,24 называют электротермическим эквивален­том, который устанавливает зависимость между электрической и тепловой энергией.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко ис­пользуется в разнообразных электронагревательных приборах. Однако преобразование электрической энергии в тепловую вызы­вает и непроизводительные расходы энергии в электрических ма­шинах, трансформаторах и других элементах электрической цепи и снижает их КПД.

 

КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ.

ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Величина тока в электрической цепи, как известно, определяется формулой закона Ома

При постоянном напряжении ток обратно пропорционален ве­личине сопротивления цепи.

 

Сопротивления отдельных потребите­лей иногда сильно отличаются друг от друга. Так, например, со­противление осветительных ламп накаливания для бытовых целей бывает порядка нескольких сот Ом, а электрических нагреватель­ных приборов, телевизоров, холодильников, стиральных машин бывает несколько десятков Ом. Для бытовых целей используют сети напряжением 127 или 220 в.

Следовательно, бытовые электроприем­ники потребляют из сети токи от нескольких десятых ампера до нескольких ампер. Потребители электрической энергии, применяе­мые в промышленности, электрифицированном транспорте, потреб­ляют токи порядка десятков, сотен и тысяч ампер.

 

В зависимости от величины тока выбирают материал и сечение проводов, устанавливают электроизмерительные приборы и приборы защиты.

 

Однако часто случается, что ток в электрической цепи становится слишком большим. Это может произойти, если в результате повре­ждения изоляции проводников различные точки цепи, между кото­рыми действовало напряжение, оказываются электрически соединенными между собой.

 

Для защиты электрической цепи от действия токов короткого замы­кания и значительных перегрузок слу­жат плавкие предохранители.

 

Основной деталью таких предохра­нителей является небольшой кусок тон­кой проволоки из легкоплавкого металла (например, свинца). Предохранитель включается последовательно в цепь тока.

 

При увеличении тока сверх нормальной величины тонкая прово­лока предохранителя плавится, электрическая цепь разрывается и тем устраняется опасность последствий короткого замыкания.

 

Измерение силы тока.

Силу тока измеряют с помощью амперметра, который включают в цепь последовательно. Амперметр обладает электрическим сопротивлением, значительно меньшим сопротивления цепи, в которую его включают. Поэтому амперметр заметно не изменяет ток в цепи.

Одним и тем же амперметром магнитоэлектрической системы, если к нему подключить шунт можно измерять ток в различных пределах. Шунт — это про­водник из манганина, имеющий небольшое сопротивле­ние. Шунты могут быть встроены внутри корпуса ампер­метра.

У таких приборов имеется переключатель преде­лов измерения. Если шунт приложен к прибору, то его. присоединяют к зажимам амперметра параллельно

 

 Амперметры:

а -переносной; б.—щитовой; в—схема включения в цепь

 

 

Шунты к амперметрам  Схема присоединения шун­та к амперметру

 

В этом случае нужно определить цену деления шкалы, исходя из величины силы тока, на которую рас­считан шунт

Измерение напряжения.

 Напряжение измеряют с помощью вольтметра, который включают в цепь параллельно.

Вольтметр обладает электрическим сопротивлением, значительно большим сопротивления цепи (участка цепи), в которую он включён, и поэтому он заметно не изменяет напряжения в цепи.

Для расширения пределов измерения данным вольт­метром применяются добавочные резисторы. Добавочный резистор представляет собой проводник из магнанина, имеющий большое сопротивление и намотан­ный в виде катушки. Добавочный резистор может быть помещен внутри корпуса прибора. У таких вольтметров имеется переключатель пределов измерения. Если доба­вочный резистор приложен отдельно к прибору, то его присоединяют к вольтметру последовательно.В этом случае необходимо определить цену деления шкалы, исходя из величины напряжения, на которую рас­считан добавочный резистор.

 

Вольтметр:

а — щитовой; б — схема включения для измерения напряжения источ­ника тока; в — схема включения для измерения напряжения на участ­ке цепи

 Добавочные резисто­ры к вольтметрам

 

 Схема присоединения доба­вочного резистора к вольтметру

 

Измерение мощности.

Мощность электрического тока измеряют с помощью ваттметра. Схемы включения ваттметров показаны на рисунке.

Согласно схеме (рис. а) один из выводов токовой обмотки должен быть соединен с одним из выводов об­мотки напряжения. Эти выводы присоединены в приборе к зажимам, обозначенным звездочкой (рис., б). Поэ­тому перед включением ваттметра в цепь сначала соеди­няют с помощью изолированного провода небольшой длины зажимы, обозначенные звездочкой.

Мощность в цепях постоянного тока, а также в це­пях переменного тока, если в них нет конденсаторов и электроприёмников можно также измерить с помощью амперметра и вольтметра. По показаниям приборов находят мощность. P=I*U

                            

Схемы включения ваттметров:

а -принципиальная схема; б — схема включения ваттметров различных типов при измерении мощности электроприемника R

 

Измерение работы тока.

Работу тока (расход энергии) измеряют с помощью счётчика электроэнергии.

 

Мощность переменного тока

 

Различают активную, реак­тивную и полную мощность пере­менного тока.

 

Активная мощность характе­ризует скорость преобразования электрической энергии в механи­ческую, химическую и другие формы энергии. Она численно равна средней за период мощно­сти. Активную мощность обозна­чают буквой. Р

  соs φ — косинус угла сдвига фаз между напряжением и током.

Из формулы видно, что величина активной мощности прямо пропорциональна косинусу угла сдвига фаз между напряжением и током. Cоs φ принято называть коэффи­циентом мощности. Чем больше соs φ, тем больше, активная мощность. Поэтому для увеличения активной мощности создают такой режим работы цепей, при кото­ром угол сдвига фаз между напряжением и током был бы наименьшим (соs φ — наибольшим). С этой целью из­меняют индуктивное и емкостное сопротивления, так как

 Например, для повышения  соs φ к обмоткам двигателей подключают конденсаторы. Важно также, чтобы двигатели не работали вхолостую и были нормаль­но нагружены.

Реактивная мощность характеризует скорость обмена электрической энергией между источником тока, с одной стороны, и катушками индуктивности и конденсаторами, с другой стороны.

 Стремятся создать такой режим работы цепей, при котором реактивная мощность была бы наименьшей. С этой целью также добиваются увеличе­ния  соs φ (уменьшения угла сдвига фаз между напряже­нием и током), так как реактивная мощность равна:

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

Литература для студентов

1. Данилов И.А., Иванов П.М., Общая электротехника с основами электроники. Учебник - М., Издательский центр «Мастерство», 2001г.

2. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г., Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники. Задачник - М., Издательство «Высшая школа», 1983г.

 

 

Дополнительные источники

3. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. Учебник –М., Издательство «Высшая школа», 1972.

4. Попов В.С., Николаев С.А., Электротехника. Учебник – М., Издательство «Энергия», 1966.

5. Попов В.С., Николаев С.А., Общая электротехника с основами электроники. Учебник – М., Издательство «Энергия», 1972.

6. Рабинович Э.А. Сборник задач и упражнений по общей электротехники. Задачник – М., Издательство «Энергия», 1978г.

7. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники. Учебник-М., Издательство «Форум: Инфа», 2004г.

8. Патокин Е.И. Электротехника и основы электроники - Лабораторные работы, Ленинград, Издательство «Гидрометеоиздат», 1988г.

9. Буланов Ю.А., Глаголев Г.И. Основы электроники. Учебник – М., Издательство «Энергия»,1978г.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

       Основные задачи, содержание и взаимосвязь предмета «Электротехника и электроника» с другими дисциплинами. Применение электротехники в отраслях народного хозяйства.

 

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.

Тема 1.1. Электрическое поле.

 

Электрическое напряжение. Потенциал. Электропроводность. Электрическая емкость. Конденсаторы. Соединения конденсаторов. Энергия электрического поля. Электроизоляционные материалы.

 

Тема 1.2. Электрические цепи постоянного тока.

Элементы электрической цепи, их параметры, характеристики.

Электрический ток. Закон Ома. Электрические сопротивления и проводимость. Работа и мощность. Преобразование электрической энергии в тепловую. Первое и второе правило Кирхгофа. Расчет простых электрических цепей.

Лабораторная работа № 1.

Лабораторная работа № 2.

Практическая работа №1.