Электротехника и электроника 126 часов 3 4

«Электротехника и электроника» 126 часов 3 4 3 семестр – зачет, 4 семестр – экзамен. Литература: 1. Касаткин А. С. , Немцов М. В. Электротехника. – М. : Высш. шк. , 2003. 550 с. 2. Новожилов О. П. Электротехника и электроника. – М. : Гардарики, 2008. 653 с. 3. Кацман М. М. Электрические машины. – М. Высш. шк. , 2000. 462 c. 4. Нефедов В. И. Основы радиоэлектроники. – М. Высш. шк. , 2000. 398 с. 5. Жеребцов И. П. Основы электроники. – Л. : Энергоатомиздат, 1990. 6. Дейкова Г. М. , Политов М. В. Основы электроники. – Томск: ТГУ. 104 с.

2 Электротехника – это наука о техническом (т. е. практическом, прикладном) использовании электрических и магнитных явлений; часто это же наименование дают и соответствующей отрасли техники. Cредствами электротехники эффективно и относительно просто получают и передают электроэнергию (электроэнергетика), преобразуют ее в другие формы энергии – механическую (электрификация механических процессов), тепловую, химическую, световую (электрификация технологических процессов), а также решают вопросы передачи и преобразования сигналов и информации (электротехника связи). Термином электротехническое устройство принято называть промышленное изделие, предназначенное для выполнения определенной функции при решении комплексной проблемы производства, распределения, контроля, преобразования и использования электрической энергии.

3 Электроника – область науки и техники, изучающая принципы устройства, работы и применения различных электронных приборов. К физической электронике относятся электронные и ионные процессы в вакууме, газах и полупроводниках, а также на поверхности раздела между вакуумом или газом и твердыми или жидкими телами. В технической электронике изучаются устройство электронных приборов и их применение в технике. Область, посвященную применению электронных приборов в промышленности, называют промышленной электроникой. Успехи электроники в значительной степени объясняются развитием радиотехники. Обе области развивались в тесной взаимосвязи. Их часто объединяют и называют радиоэлектроникой.

4 Общие сведения о строении вещества Классическая теория (макроскопические тела) В обычном состоянии атом нейтрален, т. к. «+» = «-» . Электроны, расположенные на крайних орбитах, связаны с ядром слабее, чем те, которые находятся на ближних орбитах. Под действием разных причин они могут покинуть свои орбиты. Атомы металлов имеют неустойчивые внешние электроны, чем и объясняется хорошая электропроводность металлов. Модель атома Бора Атомы ряда других веществ прочно удерживают электроны около ядра и не дают им свободно уходить из атомов. Это вещества, плохо проводящие электричество.

5 В обычном состоянии атомы, ионы (атомы с недостатком или избытком е) и свободные электроны находятся в хаотическом тепловом движении. Электрический ток – направленное упорядоченное движение свободных электронов. Ионизация – процесс превращения нейтрального атома в ион. Фотоэлектрический эффект – выделение свободных электронов при освещении. Термоэлектронный эффект – выделение свободных электронов при нагреве. Классическая физика допускает любые значения энергии атома, а изменение энергии атома считает происходящим непрерывно сколь угодно малыми порциями. Закон сохранения зарядов – электрические заряды не создаются и не исчезают, а передаются (перемещаются) от одного тела к другому.

6 Квантовая физика (микроскопические тела) Во всех веществах присутствуют свободные электроны. Диэлектрики и проводники различаются лишь заполненностью и относительным расположением энергетических уровней. Это основа зонной теории электропроводимости. В твердом теле энергетические уровни отдельных атомов смещаются и, объединяясь, образуют энергетические зоны.

7 Закон Кулона - электрическая постоянная - относительная диэлектрическая проницаемость среды - расстояние между зарядами

1. Электрические цепи постоянного тока

9 Элементы электрической цепи Электрическая цепь постоянного тока в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода, по которым может протекать электрический ток. В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии (энергия химических процессов – гальванические элементы и аккумуляторы, механическая энергия воды – гидроэлектростанции ). В приемниках электрической энергии электрическая энергия источников преобразуется в другие формы энергии (механическая энергия – двигатели постоянного тока, тепловая – электрические печи и т. п. ).

10 Коммутационная аппаратура, линии и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения между приемниками и контроля режима работы электротехнических устройств. Графическое изображение электрической цепи называется схемой.

11 Способы изображения: эскиз, принципиальная схема (с использованием УГО по ГОСТ), схема замещения. эскиз

Условные графические обозначения (УГО) Источник ПТ Активные элементы Источник ЭДС Источник тока Пассивные элементы Резистор Конденсатор Катушка индуктивности 12

13 Принципиальная схема показывает назначение всех электротехнических устройств и их взаимодействие. Не позволяет рассчитать режим работы. Схема замещения является количественной моделью электрической цепи. Принципиальная схема Схема замещения

14 Конфигурация схемы замещения определяется понятиями: ветвь, узел, контур. Схему замещения иначе называют эквивалентной схемой. r. Л, r. V, r. А – сопротивление цепи лампы, вольтметра и амперметра, соответственно; Е – ЭДС аккумулятора; r. Вт – внутреннее сопротивление аккумулятора

15 В электрической цепи за положительное направление ЭДС Е принимается направление, совпадающее с силой, действующей на положительный заряд, т. е. от «-» источника к «+» источника питания. За положительное направление напряжения U принято направление, совпадающее с направлением действия электрического поля, т. е. от «-» к «+» источника. За положительное направление тока I принято направление, совпадающее с перемещением положительных зарядов, т. е. от «+» к «-» источника.

16 Постоянный ток I=Q/t [А], где t – время равномерного перемещения суммарного положительного заряда Q через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи. Напряжение – скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля. Разность потенциалов – напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования. Постоянное напряжение для участка проводника: - сила, действующая на «+» заряд в поле Е - работа эл. поля при перемещении «+» заряда вдоль участка проводника - потенциалы однор. пост. эл. поля в поперечных сечениях а и b проводника [Q]=[Кл], [U]=[B]=[ Дж / К]

17 Пассивные элементы а. Резистором называется идеализированный элемент цепи, характеризующий преобразование электромагнитной энергии в любой другой вид энергии. Математическая модель, описывающая свойства сопротивления, определяется законом Ома: или Здесь R и G - параметры участка цепи называются соответственно сопротивлением и проводимостью, G =1/R. Мгновенная мощность, поступающая в сопротивление Электрическая энергия, поступившая в сопротивление и превращенная в тепло за промежуток времени от до , равна: [R]=[Ом], [G]=[См] - баланс мощностей

18 б. Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, характеризующий запасаемую в цепи энергию магнитного поля. Если индуктивность не зависит от тока, то величина называется напряжением (или падением напряжения) на индуктивности. Tок в индуктивности Мгновенная мощность имеет смысл скорости изменения запасенной в магнитном поле энергии: Энергия, запасенная в магнитном поле индуктивности

19 в. Емкостью называется идеализированный элемент электрической цепи, характеризующий запасаемую в цепи энергию электрического поля. Напряжение на емкости Мгновенная мощность имеет смысл скорости изменения запасенной в электрическом поле энергии: Энергия, запасаемая в электрическом поле емкости [С]=[Ф]

Дуальные элементы 20

21 Элементы, для которых основные соотношения имеют одинаковую структуру и могут быть получены одно из другого путем таких замен, наз. дуальными. Использование принципа дуальности позволяет облегчить исследование процессов в цепи.

Электрические схемы замещения физических устройств идеализированными элементами цепи Раздельное рассмотрение R, L, C как элементов, локализующих потери, магнитное и электрическое поля является приближенным методом анализа. На практике потери энергии, магнитное и электрическое поля связаны и сопутствуют другу. Электрическое сопротивление проводника на постоянном токе: - удельное сопротивление, - длина, - площадь поперечного сечения. 22

23 Плотность протекающего по проводнику постоянного тока одинакова на всем поперечном сечении. С увеличением частоты плотность тока внутри проводника уменьшается, а к поверхности увеличивается, а значит растет сопротивление. Это явление наз. поверхностный эффект. Под влиянием тока, проходящего по соседнему проводнику, также происходит перераспределение тока в проводнике, а следовательно, возрастание тепловых потерь. Это явление наз. эффект близости.

24 Схемы замещения: Резистора. CB LB RB R LR RИЗ RK

25 Катушки индуктивности. На постоянном токе На низких частотах На высоких частотах

26 Конденсатора. Низкие частоты Средние частоты Высокие частоты

27 Вывод: Вид эквивалентной схемы и параметры входящих в нее идеализированных элементов существенным образом зависят от конструкции реального элемента, технологии его изготовления и особенностей применяемых материалов. Чем выше требуемая точность расчетов, тем большее количество факторов должно быть принято во внимание и тем более сложный вид будет иметь эквивалентная схема каждого элемента. Вместе с тем излишнее усложнение эквивалентных схем существенно увеличивает трудоемкость расчетов, вследствие чего при исследовании цепей стремятся использовать упрощенные эквивалентные схемы, содержащие минимально допустимое число элементов. Следует отметить, что схемы замещения одного и того же элемента могут иметь различный вид в зависимости от рассматриваемого диапазона частот.

28 Активные элементы а. Источник э. д. с. Идеализированным источником напряжения, или генератором э. д. с. , называется источник энергии, напряжение на зажимах которого не зависит от проходящего через него тока. Величина работы, затрачиваемой на перемещение единицы положительного заряда (+q) от зажима «-» к зажиму «+» , называется электродвижущей силой (э. д. с. ) источника е. Вольт - амперные характеристики идеального и реального источников э. д. с.

29 б. Источник тока Идеализированным источником тока, или генератором тока, называется источник энергии, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Вольт - амперные характеристики идеального и реального источников тока

30 Основные законы электрических цепей 1. Закон Ома. Если сопротивление проводника R не зависит от величины и направления протекающего тока (сопротивление является линейным), то падение напряжения на нем пропорционально току i и сопротивлению R U = R i. 2. Закон Джоуля- Ленца. Если образующие цепь проводники неподвижны, а ток постоянен, то работа сторонних сил целиком расходуется на нагревание проводников 3. Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов в ветвях, связанных общим узлом электрической цепи, равна нулю. 4. Второй закон Кирхгофа. В любом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения на элементах равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре:

31 Линейные электрические цепи при гармоническом воздействии Гармонические колебания Среднее и действующее (эффективное) значения гармонической функции Количество теплоты, выделенное гармоническим током за время, равное периоду колебаний