Общие сведения об электротехнике

Общие сведения об электротехнике

1. Основные понятия электротехники

2. Основные электрические величины

3. Электрическая цепь и ее элементы

1. Основные понятия электротехники Электротехника — наука о практическом использовании электрического тока.

Электротехника базируется на трех основных положениях:

1. Протекание электрического тока связано с различными явлениями (нагрев, свечение, механическая работа и т. п.). Но в электротехнике рассматриваются только электромагнитные процессы.

2. Электромагнитные процессы в общем случае описываются уравнениями Максвелл в интегральной или дифференциальной форме. И решение этих уравнений достаточно сложное. Но так как в электротехнике рассматриваются синусоидальные колебания частотой до 50 кГц, то в пределах электрической цепи набега фазы (изменения фазы) практически не происходит. В этом случае электромагнитные процессы в электрической цепи можно описывать алгебраическими уравнениями, составленными по законам Ома и Кирхгофа.

3. Вокруг нас бесконечно большое количество различных электротехнических устройств. Все эти устройства представляются эквивалентными схемами замещения, состоящими из определенной комбинации пяти идеализированных элементов.

В электротехнике рассматриваются две основные задачи: задача анализа и задача синтеза.

— воздействие (входной сигнал)

— отклик цепи (выходной сигнал) Задача анализа Дано: 1. Электрическая цепь (схема цепи и параметры ее элементов).

2. Воздействие.

Определить отклик цепи Задача синтеза Дано: 1. Воздействие.

2. Отклик цепи.

Определить электрическую цепь.

Замечания:

1. Все электрические величины обозначаются буквами латинского (но не английского) и греческого алфавита.

2. Все постоянные величины обозначаются большими заглавными буквами. Например: E, U, I. А переменные величины обозначаются малыми прописными буквами. Например: (u), (t), e (t). Но для сокращения записи в электротехнике допускается функции времени обозначать одной прописной буквой. Например: вместо (t) или u вместо u (t).

3. В качестве приставок к единицам измерения в электротехнике используются следующие:

Для размерности электрических величин используются первые буквы имен ученых.

Например:

электрическое сопротивление — Ом [Ом]

ток — А [Ампер]

частотаГц [Герц] и т. д.

2. Основные электрические величины Напряженность электрического поля — величина, численно равная силе электрического поля, действующей на единичный разряд, вносимый в это поле.

Е =

Электрический потенциал — величина, численно равная работе сил электрического поля по переносу единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечно удаленную точку, потенциал которой принят равным нулю.

ц =

Электрическое напряжение — разность потенциалов двух точек электрического поля.

U = ₁ — ц₂

Электродвижущая сила (ЭДС) — величина, численно равная работе сторонних сил (не электрических) по переносу единичного положительного заряда внутри источника энергии от зажима с наименьшим потенциалом к зажиму с наибольшим потенциалом.

E =

Электрическая мощность — скорость изменения электромагнитной энергии.

P (t) =

Электрический ток — направленное движение носителей заряда (электронов, ионов или дырок) под действием электрического поля.

3. Электрическая цепь и ее элементы электротехника цепь ток напряжение Электрическая цепь — совокупность устройств, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью понятий: ток, напряжение, электродвижущая сила.

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь и выполняющие определенные функции, называются элементами цепи. Элементы цепи бывают активными и пассивными. Активные элементы преобразуют неэлектрические виды энергии в электрическую. Пассивные элементы накапливают или рассеивают электромагнитную энергию.

Пассивные элементы бывают: активное сопротивление, индуктивность и емкость.

Активное сопротивление — пассивный идеализированный элемент, характеризующий безвозвратное потребление электромагнитной энергии, т. е. преобразование электромагнитной энергии в другие виды энергии, например в тепло.

Обозначается активное сопротивление:

Размерность: R

Замечание: для цепи постоянного тока активное сопротивление будем называть сопротивлением.

Иногда (для цепей с параллельным соединением элементов) удобнее пользоваться активной проводимостью.

Активная проводимость — величина обратная активному сопротивлению.

g =

Обозначается активная проводимость:

Размерность: g

Индуктивность — пассивный идеализированный элемент, накапливающий магнитную энергию.

Обозначается индуктивность:

Размерность:

Емкость — пассивный идеализированный элемент, накапливающий электрическую энергию.

Обозначается емкость:

Размерность: C [Ф]

Индуктивность и емкость также называются реактивными элементами, т.к. они могут отдавать накопленную энергию обратно источнику.

Реальными элементами наиболее близко соответствующими свойствам активного сопротивления, индуктивности и емкости являются резистор, катушка индуктивности и конденсатор.

Активные элементы бывают: источник напряжения и источник тока.

Источник напряжения — активный идеализированный элемент, в котором конструктивными особенностями поддерживается постоянство напряжения на выходе источника.

Источник тока — активный идеализированный элемент, в котором конструктивными особенностями поддерживается постоянство тока на выходе источника.

Режимы работы активных элементов:

а) режим холостого хода (>?);

б) рабочий режим (0?);

в) режим короткого замыкания (= 0);

где — сопротивление нагрузки.

Идеальный источник напряжения (источник ЭДС).

а) Режим холостого хода

U_хх = E

I_хх =

б) Режим короткого замыкания

U_кз = E

I_кз =

В режиме короткого замыкания мощность данного источника определяется

P_кз = U_кз • _кз =E •

В природе источников напряжения бесконечно большой мощности не существует. Поэтому данный источник напряжения называется идеальным. В реальном источнике напряжения ток короткого замыкания ограничен внутренним сопротивлением источника R_i:

Конструктивные особенности источника напряжения:

1. Внутреннее сопротивление R_i включено последовательно.

2. Внутреннее сопротивление много меньше сопротивления нагрузки (R_i R_н).

Идеальный источник тока.

а) Режим холостого хода

_хх = _u U_xx = _xx• R_н = _u •

б) Режим короткого замыкания

_кз = _u U_кз = _кз• R_н = _u •

В режиме холостого хода мощность данного источника определяется:

Р_xx = U_хх • _xx = _u

В природе источников тока бесконечно большой мощности не существует. Поэтому данный источник тока называется идеальным. В реальном источнике тока напряжение холостого хода ограничено внутренним сопротивлением источника R_i:

Конструктивные особенности источника тока:

1. Внутреннее сопротивление R_i включено параллельно.

2. Внутреннее сопротивление много больше сопротивления нагрузки (R_i R_н).

Для анализа электрических цепей используются следующие технологические понятия:

1. Ветвь — участок электрической цепи, по которому протекает один и тот же ток.

2. Узел — место соединения трех и более ветвей.

3. Контур электрической цепи — любой замкнутый путь по ветвям электрической цепи.

4. Независимый контур — контур электрической цепи, имеющий хотя бы одну ветвь, не охваченную другими контура.