Введение. Электрическое поле.

Электрическая емкость.

Для проводников электрической ёмкостью называется величина, которая характеризует способность тела накапливать электрический заряд. Это и есть её физический смысл. Обозначается латинской буквой C. Она равна отношению заряда к потенциалу, если это записать в виде формулы, то получается следующее: C=q/Ф

Электроемкость любого предмета зависит от его формы и геометрических размеров. Если рассмотреть проводник в форме шара, в качестве примера, то формула для расчета её величины будет иметь вид:

Эта формула справедлива для уединенного проводника. Если расположить рядом два проводника и разделить их диэлектриком, тогда получится конденсатор. Об этом немного позже, сейчас давайте разберемся, в чем измеряется электроемкость.

Единица измерения электрической ёмкости — фарад. Если разложить её на составляющие согласно формуле то:

1 фарад =1 Кл/1 В

Исторически сложилось так, что размерность этой единицы выбрана не совсем верно. Дело в том, что на практике приходится работать с величинами электроемкости: мили-, микро-, нано- и пикофарад. Что равняется долям фарада, а именно:

1 мФ = 10^(-3) Ф

1 мкФ = 10^(-6) Ф

1 нФ = 10^(-9) Ф

1 пФ = 10^(-12) Ф

Определение и назначение конденсатора.

Конденсатор — это две пластины из проводящего материала, расположенные друг напротив друга, между которым находится слой диэлектрика. В заряженном состоянии обкладки имеют разные потенциалы: одна из них будет положительной, а вторая отрицательной. Электроемкость конденсатора зависит от величины заряда на его обкладках и разности потенциалов, напряжения между ними. Между пластинами возникает электростатическое поле, которое удерживает заряды на обкладках. Формула электрической емкости конденсатора в общем случае:

C=q/U

Если сказать простыми словами, то емкость конденсатора зависит от площади пластин и расстояния между ними, а также относительной диэлектрической проницаемости материала, расположенного между ними. Их различают по используемому диэлектрику:

керамические;

плёночные;

слюдяные;

металлобумажные;

электролитические;

танталовые и пр.

По форме обкладок:

плоские;

цилиндрические;

сферические и пр.

Так как формула площади фигуры зависит от её формы, то и формула ёмкости будет разной для каждого случая.

Для плоского конденсатора:

Для двух концентрических сфер с общим центром:

Для цилиндрического конденсатора:

 

Тепловые электростанции

Работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.

Гидроэлектростанции

Возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращаются турбины электрогенератора. Получение электроэнергии таким методом считается самым экологичным за счет того, что не происходит сжигание различных видов топлива, следовательно, отсутствуют вредные отходы. Подробнее смотрите здесь - Принцип работы гидроэлектростанции

Атомные электростанции

Для нагрева воды требуется энергия тепла, которая выделяется в результате ядерной реакции. А в остальном она схожа с тепловой электростанцией.

Самостоятельная работа №1 Конденсаторы. Смешанное соединение сопротивлений.

Дать определение конденсаторам и их влиянию в электрической цепи.

Описать смешанное соединение сопротивлений

 

 

Работа и мощность электрического тока. Режимы работы электрической цепи. Закон Джоуля - Ленца. Нагревание проводников электрическим током. Первый и второй законы Кирхгофа. Расчет электрических цепей постоянного тока.

Самостоятельная работа №2 Расчет сложных электрических цепей постоянного тока с использованием законов Кирхгофа.

Описать принцип расчета сложных электрических цепей постоянного тока с использованием законов Кирхгофа.

 

Тема 2.1. Магнитные цепи

Самостоятельная работа №4 Закон электромагнитной индукции. Определение направления индуцированной ЭДС с помощью правила правой руки. Правило Ленца. Понятие о потокосцеплении. Использование закона электромагнитной индукции в технике. Индуктивность и явления самоиндукции.

Ответить на контрольные вопросы:

Закон электромагнитной индукции.

Определение направления индуцированной ЭДС с помощью правила правой руки.

Правило Ленца.

Понятие о потокосцеплении.

Использование закона электромагнитной индукции в технике.

Индуктивность и явления самоиндукции.

 

 

Тема 3.1. Однофазные электрические цепи переменного тока.

Параметры переменного тока. Активное сопротивление, индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Временные и векторные диаграммы токов и напряжений. Использование закона Ома и правила Кирхгофа для расчета электрических цепей переменного тока. Условия возникновения и особенности резонансов напряжения и токов. Активная, реактивная и полная мощность в цепи переменного тока.

Параметры переменного тока.

Переменный ток — электрический ток, направление и сила которого изменяются периодически. Так как обычно сила переменного тока изменяется по синусоидальному закону, то переменный ток представляет собой синусоидальные колебания напряжения и силы тока.

Поэтому к переменному току применимо все то, что относится к синусоидальным электрическим колебаниям. Синусоидальные колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону синуса.

Изменение ЭДС и изменение тока линейной нагрузки, подключенной к такому источнику, будет происходить по синусоидальному закону. При этом переменные ЭДС, переменные напряжения и токи, можно характеризовать основными четырьмя их параметрами:

·период;

·частота;

·амплитуда;

·действующее значение.

Есть и вспомогательные параметры:

·угловая частота;

·фаза;

·мгновенное значение.

 

Период Т

 

Период — время, в течение которого система, совершающая колебания, проходит через все промежуточные состояния и нале снова возвращается к исходному. Периодом Т переменного тока называется промежуток времени, за который ток или напряжение совершает один полный цикл изменений.

Поскольку источником переменного тока является генератор, то период связан со скоростью вращения его ротора, и чем выше скорость вращения витка или ротора генератора, тем меньшим оказывается период генерируемой переменной ЭДС, и, соответственно, переменного тока нагрузки.

Частота f

Частота f является величиной обратной периоду, и численно равна количеству периодов изменения тока или ЭДС за 1 секунду. То есть f = 1/Т. Единица измерения частоты — герц (Гц), названная в честь немецкого физика Генриха Герца, внесшего в 19 веке немалый вклад в развитие электродинамики. Чем меньше период, тем выше частота изменения ЭДС или тока.

 

По графикам изменения синусоидального переменного тока с течением времени видно, что токи различной частоты содержат разное количество периодов на одном и том же отрезке времени.

Угловая частота

 

Угловая частота — число колебаний, совершаемых за 2пи сек.

За один период фаза синусоидальной ЭДС или синусоидального тока изменяется на 2пи радиан или на 360°, поэтому угловая частота переменного синусоидального тока равна:

Пользоваться числом колебаний на 2пи сек. (а не за 1 сек.) удобно потому, что в формулах, выражающих закон изменения напряжений и токов при гармонических колебаниях, выражающих индуктивное или емкостное сопротивление переменному току, и во многих других случаях частота колебаний n фигурируют вместе с множителем 2пи.

Фаза

 

Фаза — состояние, стадия периодическою процесса. Более определенный смысл имеет понятие фаза в случае синусоидальных колебаний. На практике обычно играет роль не фаза сама по себе, а сдвиг фаз между какими-либо двумя периодическими процессами.

В данном случае под термином «фаза» понимают стадию развития процесса, и в данном случае, применительно к переменным токам и напряжениям синусоидальной формы, фазой называют состояние переменного тока в определенный момент времени.

На рисунках можно видеть: совпадение напряжения U1 и тока I1 по фазе, напряжения U1 и U2 в противофазе, а также сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2. Сдвиг по фазе измеряется в радианах, долях периода, в градусах.

Амплитуда Uм и Iм

 

Амплитуда — наибольшее значение величины, совершающей гармонические колебания (например, максимальное значение силы тока в переменном токе, отклонение колеблющегося маятника от положения равновесия), наибольшее отклонение колеблющейся величины от некоторого значения, условно принятого за начальное нулевое.

Резонанс напряжений

Если последовательно с генератором соединить конденсатор и катушку индуктивности, то, при условии равенства их реактивных сопротивлений, возникнет резонанс напряжений. При этом активная часть Z должно быть как можно меньшей.

 

Стоит отметить, что индуктивность и емкость обладает только реактивными качествами лишь в идеализированных примерах. В реальных же цепях и элементах всегда присутствует активное сопротивление проводников, хоть оно и крайне мало.

При резонансе происходит обмен энергией между дросселем и конденсатором. В идеальных примерах при первоначальном подключении источника энергии (генератора) энергия накапливается в конденсаторе (или дросселе) и после его отключения происходят незатухающие колебания за счет этого обмена.

Напряжения на индуктивности и емкости примерно одинаковы, согласно закону Ома: U=I/X. Где X — это Xc емкостное или XL индуктивное сопротивление соответственно.

Цепь, состоящую из индуктивности и емкости, называют колебательным контуром. Его частота вычисляется по формуле:  Период колебаний определяется по формуле Томпсона:

Так как реактивное сопротивление зависит от частоты, то сопротивление индуктивности с ростом частоты увеличивается, а у ёмкости падает. Когда сопротивления равны, то общее сопротивление сильно снижается, что отражено на графике:

Основными характеристиками контура являются добротность (Q) и частота. Если рассмотреть контур в качестве четырехполюсника, то его коэффициент передачи после несложных вычислений сводится к добротности: K=Q

А напряжение на выводах цепи увеличивается пропорционально коэффициенту передачи (добротности) контура. Uк=Uвх*Q

При резонансе напряжений, чем выше добротность, тем больше напряжение на элементах контура будет превышать напряжение подключенного генератора. Напряжение может повышаться в десятки и сотни раз. Это отображено на графике:

 

Потери мощности в контуре обусловлены только наличием активного сопротивления. Энергия из источника питания берется только для поддержания колебаний.

Коэффициент мощности будет равен: cosФ=1. Эта формула показывает, что потери происходят за счет активной мощности: S=P/Cosф

Резонанс токов

Резонанс токов наблюдается в цепях, где индуктивность и емкость соединены параллельно.

Явление заключается в протекании токов большой величины между конденсатором и катушкой, при нулевом токе в неразветвленной части цепи. Это объясняется тем, что при достижении резонансной частоты общее сопротивление Z возрастает. Или простым языком звучит так – в точке резонанса достигается максимальное общее значение сопротивления Z, после чего одно из сопротивлений увеличивается, а другое снижается в зависимости от того растет или снижается частота. Это наглядно отображено на графике:

 

В общем, всё аналогично предыдущему явлению, условия возникновения резонанса токов следующие:

1.Частота питания аналогична резонансной у контура.

2.Проводимости у индуктивности и ёмкости по переменному току равны BL=Bc, B=1/X.

 

 Активная, реактивная и полная мощность в цепи переменного тока.

Активная мощность

В цепи с чисто активным сопротивлением она равна:

 Если принять  и  тогда выйдет:

Где . Исходя из выражений выше — активная энергия состоит из двух частей — постоянной  и переменной  , которая меняется с двойной частотой. Среднее ее значение

Отличие реактивной мощности от активной

В цепи, где есть реактивное сопротивление (возьмем для примера индуктивное) значение мгновенной мощности равно:  

Соответственно  и  в итоге получим:

Данное выражение показывает, что реактивная энергия содержит только переменную часть, которая изменяется с двойной частотой, а ее среднее значение равно нулю

Если ток и напряжение имеют синусоидальную форму и сеть содержит элементы типа R-L или R-C, то в таких сетях кроме преобразования энергии в активном элементе R вдобавок еще и изменяется энергия электрического и магнитного полей в реактивных элементах L и C.

В таком случае полная мощность сети будет равна сумме:

Классификация погрешностей.

По способу выражения погрешности средств измерений разделяют на абсолютные, относительные и приведённые.

Абсолютная погрешность ΔА – разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины Ад: ∆A = A – Aд.

Относительная погрешность β – отношение абсолютной погрешнос-ти ΔА к значению измеряемой величины А, выраженное в процентах: β = (∆А/А)100.

Приведённая погрешность γ (в процентах) – отношение абсолютной погрешности ΔА к нормирующему значению Аном: γ = (∆А/Аном)100.

Для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы нормирующее значение равно конечному значению диапазона измерений.

По характеру проявления, зависимости от текущего значения, режима измерения и условиям возникновения погрешности средств измерения подразделяют на систематические и случайные, аддитивные и мультипликативные, статические и динамические, основные и дополнительные.

Систематическая погрешность – погрешность, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону. Ее значение всегда можно учесть введением соответствующих поправок.

Случайные погрешности – погрешности, изменяющиеся как случайная величина. Эти погрешности нельзя исключить опытным путем.

Аддитивные погрешности не зависят от значения измеряемой величины в пределах диапазона измерения. Источником их могут быть шумы элементов схемы, напряжение смещения в усилителях постоянного тока, внешние выходы и утечки в схемах, термоэдс и др.

Мультипликативные погрешности пропорциональны текущему значению измеряемой величины. Источником их является нестабильность коэффициентов передачи отдельных функциональных узлов средств измерений.

Статические погрешности возникают при измерении постоянной во времени измеряемой величины (измерение постоянного напряжения, частоты переменного тока и т. д.).

Динамические погрешности возникают при измерении изменяющихся во времени величин. Причиной их возникновения является инерционность средств измерений.

Основные погрешности – погрешности средств измерений при нормальных условиях эксплуатации, т. е. при нормируемой стандартами температуре внешней среды, влажности, атмосферном давлении, напряжении и частоте питания, внешних электрических и магнитных полях и др.

Дополнительная погрешность – погрешность, возникающая при отклонении одной или более влияющих величин от нормального значения.

Для сопоставления средств измерений, предназначенных для измерения одной и той же физической величины, служит понятие класса точности, который является обобщенной характеристикой, определяемой пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений. Следует иметь в виду, что класс точности не является непосредственно показателем точности измерения.

Самостоятельная работа обучающихся №6

Определение абсолютной, относительной и приведенной погрешностей, класса точности, цены деления и чувствительности электроизмерительных приборов.

Приборы учета электрической энергии.

Индукционные счетчики, схемы их включения.

 Измерение электрического сопротивления.

Методы измерения индуктивности и емкости.

Схемы включения приборов.

Составление схем включения амперметров, вольтметров и ваттметров в электрические цепи; расчет шунтов и добавочных сопротивлений.

Принцип действия.

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.

Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии – возможность передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями. При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются током Iл в линии передачи и сопротивлением ее проводов Rл: ∆Pл = Iл 2 Rл.

Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП: P = IлUл

При относительно низком напряжении Uл ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи в соответствии с обусловливает значительные потери. Для уменьшении этих потерь при той же передаваемой мощности необходимо уменьшить ток в линии электропередачи. Для этого напряжение в ЛЭП должно быть повышено. Эта задача решается с помощью трансформатора. Поэтому силовые трансформаторы являются необходимым элементом промышленных электрических сетей. В начале линии передачи со стороны генератора устанавливается повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в десятки раз, а в конце ЛЭП со стороны потребителей устанавливается понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до номинального напряжения потребителя. В электротехнологии используются сварочные и печные трансформаторы. Печные трансформаторы обеспечивают напряжение, необходимое для питания электродуговых и индукционных печей; сварочный трансформатор создает напряжение, необходимое для горения электрической дуги в процессе электрической сварки. Кроме того, трансформаторы разных типов широко применяются в различных областях электротехники, электроники, электротехнологии, в устройствах измерения и контроля, автоматического управления и др.

Трансформаторы разных типов имеет разные особенности конструкции и обладают разными характеристиками. Однако в основе работы всех трансформаторов лежит один принцип – индукционное действие магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Это явление предполагает наличие переменного магнитного поля. Для создания магнитного поля служит магнитная цепь. Поэтому основой устройства трансформатора является магнитная цепь, которая представляет из себя магнитопровод с электрическими обмотками.

Расчетные уравнения.

коэффициентом трансформации трансформатора

Номинальные токи обмоток трансформатора:

Коэффициент загрузки трансформатора

КПД трансформатора

 

Максимальный КПД соответствует следующему значению коэффициента загрузки трансформатора:

Самостоятельная работа обучающихся №7

Основные паспортные параметры трансформатора.

Внешняя характеристика и КПД трансформатора.

Зависимость КПД трансформатора от нагрузки.

Расчет обмоток трансформатора применяется для производственных и промышленных нужд.

Введение. Электрическое поле.

Основные задачи дисциплины, содержание и взаимосвязь с другими дисциплинами. Применение электротехники и электроники в отраслях народного хозяйства. Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Диэлектрическая проницаемость среды. Электрический ток в различных средах. Электрическая емкость. Определение и назначение конденсатора. Общая емкость при последовательном, параллельном и смешанном соединениях конденсаторов.

Основные задачи дисциплины, содержание и взаимосвязь с другими дисциплинами. Применение электротехники и электроники в отраслях народного хозяйства.

Электротехника в широком понимании это наука, изучающая способы использования электрических и магнитных явлений для практических целей. Электротехника охватывает большой комплекс вопросов и разделена на ряд областей.

Одной из важнейших областей электротехники является электроэнергетика, которая рассматривает вопросы производства электрической энергии (из других видов энергии), передачи энергии на дольние расстояния, распределение ее между потребителями и преобразование электрической энергии в другие виды энергии – механическую, тепловую, химическую и т. д.

Народное хозяйство СССР развивалось высокими и устойчивыми темпами. В 1980 г. производство электроэнергии увеличилось до 1340-1380 млрд. кВт•ч, освоено производства турбогенераторов мощностью 640 тыс. кВт для гидроэлектростанций. Продолжаются работы по формированию Единой энергетической системы страны путем объединения энергосистем Сибири и Средней Азии с Европейской энергосистемой, сооружаются магистральные линии электропередачи напряжением 500, 750 и 1150 тыс. В.

На основе электрификации все шире внедряется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Интенсивно развивается электротехнология – электротермические и электролитические способы получения и обработки металлов. С каждым годом вступают в строй новые автоматические линии машин, цехи и заводы-автоматы. Электроэнергия используется для электросварки, закалки стали токами высокой частоты, сушки древесины и т.д.

Электроника является областью электротехники, которая зародилась сравнительно недавно – несколько десятилетий назад. Она рассматривает движение заряженных частиц в вакууме, в газовой среде или в твердом теле и управление этим движением с целью различного рода преобразований электрических величин или одного вида энергии в другой. Электроника охватывает вопросы производства и применения электронных приборов: электровакуумных ламп, полупроводниковых и ионных приборов, фотоэлементов, солнечных батарей и других устройств, выполняющих функции преобразования энергии, управления отдельными механизмами, станками, поточными линиями, а также контроль за ними.

Практически нет отрасли народного хозяйства или области науки, где не использовались бы новейшие достижения электроники и не применялись бы в большом количестве электронные приборы. Электроника проникает во все отрасли народного хозяйства и науки, оказывая революционизирующее влияние на их развитие. Современная электроника позволяет создавать миниатюрные устройства для вычислительных машин, различных автоматов и управления производственными процессами.

В настоящее время – время накопления, передачи, приема и обработки огромных объемов информации роль электронных приборов все более возрастает. Быстрое развитие электронной вычислительной техники позволяет совершать работу систем автоматического управления и решать экономические задачи важного народнохозяйственного значения. Электротехнические устройства получения, переработки, передачи и отображения информации являются важнейшими элементами средств автоматизированных систем управления (АСУ).

Обширное применение электротехники во всех отраслях народного хозяйства и все большее внедрение электроники в промышленность настоятельно требуют знания молодыми рабочими основных вопросов электротехники и электроники.