Общие сведения об электротехнике
Общие
сведения об электротехнике
Содержание
1. Основные понятия электротехники
2. Основные электрические
величины
. 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.
. 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).
. Воздействие.
Определить отклик цепи
Задача синтеза
Дано: 1. Воздействие.
. Отклик цепи.
Определить электрическую цепь.
Замечания:
. 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).
. В качестве приставок к
единицам измерения в электротехнике используются следующие:
Название
|
Обозначение
|
Значение
|
пико
нано микро милли кило мега гига
|
n н мк м к М Г
|
10-12
10-9 10-6 10-3 103 106
109
|
Для размерности электрических величин
используются первые буквы имен ученых.
Например:
электрическое сопротивление - Ом [Ом]
ток - А [Ампер]
частота -Гц [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.
φ =
Электрическое напряжение - разность
потенциалов двух точек электрического поля.
= 1 - φ2
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:
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
хх
= E
Iхх =
б) Режим короткого замыкания
кз = Eкз
=
В режиме короткого замыкания
мощность данного источника определяется
Pкз = Uкз ∙ 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 Ri:
Конструктивные особенности источника напряжения:
1. Внутреннее сопротивление Ri
включено последовательно.
2. Внутреннее сопротивление
много меньше сопротивления нагрузки (Ri Rн).
Идеальный источник тока.
а) Режим холостого хода
хх = u Uxx = xx∙ Rн = u ∙
б) Режим короткого замыкания
кз = u Uкз = кз∙ Rн = u ∙
В режиме холостого хода мощность
данного источника определяется:
Рxx = Uхх ∙
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 Ri:
Конструктивные особенности источника тока:
. Внутреннее сопротивление Ri
включено параллельно.
2. Внутреннее сопротивление
много больше сопротивления нагрузки (Ri Rн).
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.
. Контур электрической цепи - любой
замкнутый путь по ветвям электрической цепи.
. Независимый контур - контур
электрической цепи, имеющий хотя бы одну ветвь, не охваченную другими контура.