Введение. 
Теория электрических цепей

Современный научно-технический прогресс стимулирует периодическое введение новых направлений и специальностей. Следствием этого является необходимость обновления традиционных курсов и введение новых дисциплин. При неизменности срока обучения, а тем более его сокращении, это приводит к соответствующему уменьшению или, в лучшем случае, оставлению без изменения времени, отводимого на изучение многих дисциплин, несмотря на то, что они систематически пополняются новыми материалами, сведениями и информацией. Такое противоречие требует от профессорско-преподавательского состава «уплотнения» содержания курсов (устаревающего материала, подлежащего изъятию из курса, зачастую бывает меньше нового, подлежащего вводу в курс, особенно, но теоретическим дисциплинам), что достигается в первую очередь составлением и изданием кратких (малообъемных) учебников и учебных пособий, а также применением ряда методических приемов, а именно:

• • вынесения части материала на самостоятельную проработку студентами;
• • использования методов аналогии и дуальности;
• • внедрения в учебный процесс современных технических средств обучения и контроля знаний студентов и др.

Настоящее пособие составлено в соответствии с программой раздела курса ТОЭ, где изложена теория электрических цепей, рекомендованного Главным управлением сельскохозяйственных вузов РФ, и предназначен для студентов электроэнергетических специальностей направления агроинженерного образования.

В учебник включена совершенно новая, не типичная для курсов ТОЭ и ОТЦ глава 12 «Резонансные методы передачи и применения электрической энергии» с целью доведения до современных электроэнергетикой (от студентов до ученых) кратких сведений о величайших открытиях и изобретениях гениального инженера сербского происхождения Николы Тесла (1856—1943), опередившего время, и его электротехники, которая, по мнению академика РАН Д. С. Стребкова — одного из активных продолжателей дела Тесла, существенно изменит в этом столетии традиционную электроэнергетику.

Д. С. Стребков является одним из авторов резонансного метода передачи электроэнергии для электроснабжения потребителей, мобильных электроагрегатов и электротехнологий в мире. Он награжден Правительством Сербии медалью в честь 150-летнего юбилея Николы Тесла в благодарность за реализацию его идей по передаче электроэнергии.

Под руководством академика Д. С. Стребкова идеи Тесла расширены и успешно реализуются во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), которые конспективно изложены в главе 12.

Нетипичность главы 12, оригинальность и принципиальное отличие ее содержания от содержания классической электротехники заключается как минимум в двух, с точки зрения традиционной электроэнергетики, «парадоксах»: а) электроэнергия передается от источника к приемнику в резонансном режиме на повышенной частоте по одному проводу вместо двух-трех, как это принято сегодня во всем мире; 6) передаваемая по однопроводниковой линии энергия является реактивной электроэнергией, которой питаются силовые и другие электроприемники как переменного, так и постоянного токов.

Несколько нетипичным является и то, что пособие заканчивается приложениями, где кратко изложены общие сведения об электрических измерениях и электрических машинах малой мощности. Авторы считают этот материал полезным для студентов первого уровня образования — бакалавриата, которым легче будет изучать впоследствии такие дисциплины, как «Метрология, стандартизация и квалиметрия» и «Электрические машины», ознакомившись хотя бы бегло с содержанием приложений.

В настоящем учебном пособии ОТЦ кратко излагаются основы теории электрических цепей с практическим уклоном для бакалавров по электроэнергетическим специальностям агроинженерного направления.

В настоящее время есть два метода построения ОТЦ: традиционный («классический») и нетрадиционный. При традиционном методе курс начинается с изучения цепей постоянного тока, нетрадиционном — цепей синусоидального тока, а цепи постоянного тока рассматриваются как частные случаи синусоидальных, в которых частота / = 0. Учитывая, что в настоящее время широко используются источники постоянного тока и процесс изучения предмета от простого к сложному эффективно реализуется при построении курса по традиционной форме, архитектоника пособия выполнена по ней.

Терминология и условные буквенные обозначения в пособии соответствуют ГОСТ Р 52 002;2003.

Курс ОТЦ является одной из первых дисциплин в системе электроэнергетического образования, закладывающих у студентов основу для осознанного познания всех последующих профилирующих дисциплин, чем определяется его важнейшее фундаментальное значение. Поэтому есть надежда, что настоящая книга, в которой сжато и лаконично, но достаточно полно и доходчиво изложен курс ОТЦ, привлечет внимание студентов.

В течение XIX и начала XX в. электротехника развивалась как раздел физики. На основании теоретического обобщения экспериментальных данных по электричеству и магнетизму выдающийся английский физик Дж. К. Максвелл (1831 — 1879) в 1873 г. выдвинул гипотезу существования электромагнитного поля излучения, которая была подтверждена экспериментально немецким физиком Г. Герцем (1857—1894) в 1888 г. и реализована практически русским физиком и электротехником А. С. Поповым (1859—1906) в 1895 г.

Напомним, что все учение, но электричеству и магнетизму Максвелл свел к шести уравнениям (их еще называют двумя уравнениями Максвелла и четырьмя дополнениями к ним):

где векторы D — электрическое смещение; В — магнитная индукция; Е — напряженность электрического поля; J — плотность тока; Н — напряженность магнитного поля; 8 — плотность электрического заряда; е и р — диэлектрическая и магнитная проницаемость; у — электрическая проводимость; w — плотность энергии электромагнитного поля в изотропной ереде.

«Эта система уравнений феноменологически охватывает все электромагнитные явления; ее ясность и обозримость, ее эстетическое совершенство вызывает восхищение, которое Больцман выразил, цитируя гетевского „Фауста“: „War es ein Gott, der diese Zeichen Schrieb“ („Кто из богов придумал этот знак“)»^[1].

В соответствии с программой во введении требуется изложить основные этапы развития электротехники и ее теоретических основ, дать краткий исторический очерк развития науки об электрических и магнитных явлениях и др. В настоящем пособии эти вопросы практически опущены в надежде на то, что их студенты смогут изучить самостоятельно по соответствующей литературе, частично приведенной в библиографии, а также в сети Интернет.

Изучение настоящего курса начинается с ответов на вопросы: «Что такое электротехника в широком смысле слова?», «Что такое электрическая энергия и передается ли она по проводам?», «Что такое электрификация и почему электроэнергия весьма популярна?», «Для чего нужен курс ОТЦ будущим инженерам-электроэнергетикам?» и др.

Электротехника — область пауки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей. Она базируется на физике (электромагнитные явления) и математике (способы описания этих явлений). Поэтому ее изучение в вузе следует начинать после общих курсов высшей математики и физики.

В конце XIX — начале XX в. экспериментальные работы по электричеству и магнетизму вышли из стен научных лабораторий и стали внедряться в производство и быт в виде электрической энергии (электроэнергии). Поэтому стоит дать строгое определение этому термину. Для этого вспомним определение электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — вид материи, определяющийся во всех точках двумя векторными величинами, которые характеризуют две его стороны, называемые соответственно «электрическое поле» и «магнитное ноле», оказывающие силовое воздействие на заряженные частицы, зависящие от их скорости движения и величины заряда. Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное условно, поскольку электромагнитное поле едино как физическое явление.

Электрическая энергия — энергия электромагнитного поля, используемая для практических целей. Таким образом, точнее было бы говорить не «электрическая энергия», как принято сегодня, а «электромагнитная энергия». Однако не будем «отменять» общепринятое понятие и продолжим называть электромагнитную энергию электроэнергией.

Из физики известно, что источником электромагнитного поля является движущаяся элементарная частица, обладающая электрическим зарядом. Однако электроэнергией обладает не сам заряд, а электромагнитное поле, порождаемое им. Доказательством этому является то, что внутри металлических проводов, например воздушных линий электропередачи, заряженные частицы (свободные заряды) под действием электрического поля движутся со среднестатистической скоростью, не превышающей 1 мм/с, тогда как электромагнитное поле с электроэнергией передается вдоль проводов по воздуху (в общем случае — по диэлектрику) со скоростью порядка 300 000 км/с = 3 • 10^п мм/с. Это значит, что выражение «электроэнергия передается по проводам» не точно, правильнее было бы выражение «электроэнергия передается вдоль проводов» по диэлектрику. Однако мы не будем разочаровывать людей, считающих, что электроэнергия передается, но проводам, а ответим на вопрос: «Для чего тогда нужны провода?».

Электромагнитное поле, обладающее электроэнергией, может распространяться и без проводов по воздуху, например в виде радиотехнических сигналов. Однако они рассеиваются во всех направлениях в воздухе, и «собрать» их на одном объекте («месте») практически невозможно. Их можно обнаружить («поймать») во многих точках, в которых их мощности малы по сравнению с мощностями источников сигналов. Провода же, в отличие от воздуха, обеспечивают передачу электроэнергии большой мощности концентрированно и направленно от источника к приемнику. Увы, и при этом имеют место потери электроэнергии в проводах, диэлектриках и др. Здесь уместно вспомнить шуточное изречение лауреата Нобелевской премии в области физики академика АН СССР П. Л. Капицы: «Вы думаете, энергия распространяется по проводам? Напротив, в них она только теряется!».

Электрификация — широкое использование электроэнергии для нужд общества. Электрификация является основой развития любого общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей экономики, в осуществлении всего современного научно-технического прогресса. Такая популярность электроэнергии объясняется несколькими причинами: она относительно просто получается из других видов энергии (гидравлической, тепловой, химической, выделяющейся в результате ядерных реакций, генерируемой полупроводниковыми фотопреобразователями или солнечными батереями и др.); практически мгновенно передается («транспортируется») на значительные расстояния с высоким КПД; сравнительно легко дробится у потребителя и преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую, световую, информационную и др.); является основой для развития многих направлений науки и техники и др.

Исходя из изложенного, на вопрос «Для чего нужен курс ОТЦ будущим инженерам-электроэнергетикам?» можно отвечать гак: для того, чтобы, опираясь на него, как на фундамент, осознанно изучать профилирующие учебные дисциплины (по электроснабжению, электрическим машинам, электроприводу, электронике, электрическим измерениям, автоматике, электротехнологии и др.), формирующие в совокупности их профессиональные знания.

Одна из основных задач ОТЦ — научить студентов анализировать и рассчитывать электрические цепи. Для этого в вузах проводятся практические занятия и студентами выполняются курсовые работы. При этом, если на практических занятиях студенты, с участием и под наблюдением преподавателей, решают задачи различной сложности в аудитории, то выполняя качественно курсовые работы, они иллюстрируют умение работать самостоятельно с книгой (конспектом лекций) и применять теоретические знания на практике.

Задачи, которые решают студенты, зачастую относительно сложные, объемные и трудоемкие, особенно по цепям переменного тока (однои трехфазным, несинусоидальным и др.), решаемые символическим способом, поскольку приходится оперировать комплексными числами. Для облегчения решения таких задач раньше применяли логарифмические линейки, сегодня нужно использовать компьютерные технологии. Для этого разработаны многочисленные программы, среди которых наиболее просты и доступны Derive, Scilab и др.

Наряду с изучением теории и решением задач студентам приходится выполнять лабораторные работы. Для подготовки к ним ставить натурные эксперименты дома, как правило, невозможно даже заочникам, работающим на производстве. Между тем студенты могут «ставить» дома виртуальные эксперименты на компьютерах, моделируя электрические цепи соответствующими электрическими схемами. Для этого существуют профессиональные программные пакеты, среди которых наиболее доступной является бесплатный пакет Qucs, который можно скачать в Интернете.

Авторы рекомендуют преподавателям и студентам широко использовать компьютерные технологии при изучении курса ОТЦ.

Вопросы для самопроверки.

• 1. Что такое электромагнитное поле и электроэнергия?
• 2. Как передается электроэнергия от источника к приемнику?
• 3. Что такое электрификация и почему популярна электроэнергия?
• 4. Для чего нужен студентам-электроэнергетикам курс ОТЦ?
• 5. Какие компьютерные программы, кроме рекомендуемых, вы предлагаете использовать при изучении курса ОТЦ?

• [1] Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964.