Электротехника — Википедия

Электроте́хника — область техники, связанная с получением, распределением, преобразованием и использованием электрической энергии. А также — c разработкой, эксплуатацией и оптимизацией электронных компонентов, электронных схем и устройств, оборудования и технических систем^[1]. Под электротехникой также понимают техническую науку, которая изучает применение электрических и магнитных явлений для практического использования^[2][3][4]. Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века. В настоящее время электротехника как наука включает в себя следующие научные специальности: электромеханика, ТОЭ, светотехника, силовая электроника. Кроме того, к отраслям электротехники часто относят энергетику^[2], хотя легитимная классификация^[5] рассматривает энергетику как отдельную техническую науку. Основное отличие электротехники от слаботочной электроники заключается в том, что электротехника изучает проблемы, связанные с силовыми крупногабаритными электронными компонентами: линии электропередачи, электрические приводы, в то время как в электронике основными компонентами являются компьютеры и другие устройства на базе интегральных схем, а также сами интегральные схемы

[6]. В другом смысле, в электротехнике основной задачей является передача электрической энергии, а в слаботочной электронике — информации.

Основы для развития электротехники заложили обширные экспериментальные исследования и создание теорий электричества и магнетизма. Широкое практическое применение электричества стало возможно только в XIX веке с появлением вольтова столба, что позволило как найти приложение открытым законам, так и углубить исследования. В этот период вся электротехника базировалась на постоянном токе.

В конце XIX века, с преодолением проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния за счёт использования переменного тока и созданием трёхфазного электродвигателя, электричество повсеместно внедряется в промышленность, а электротехника приобретает современный вид, включающий множество разделов, и оказывает влияние на смежные отрасли науки и техники^[4].

Электричество является своеобразной «разменной монетой» в области преобразования и использования энергии. Электричество возможно получить множеством различных способов: механическим (мускульные, гидро- ,ветро-, паро-, ДВС-генераторы и т.д, трибоэлектризация, пьезоэлектричество, эффект Виллари, опыт Мандельштама-Папалекси), тепловым (термопары, РИТЭГи), химическим (гальванические батареи, аккумуляторы, топливные элементы, МГД-генераторы), световым (фотогальванические элементы, наноантенны), биологическим (электрический скат, электрический угорь), звуковым (микрофоны), индукционным (антенны, ректенны). В то же время можно реализовывать обратные процессы — преобразование электричества в механическое усилие (электродвигатели, электромагниты, магнитострикция, МГД-насосы, опыты Гальвани, электромиостимуляция), тепло (ТЭНы, индукционный нагрев, искровой поджиг, элементы Пельтье), световое, УФ- и ИК-излучение (лампы накаливания, светодиоды), химические процессы (электрохимия, плазмогенераторы, гальваностегия, гальванопластика), звуковые волны (динамические головки, пьезоизлучатели), элекромагнитное излучение (антенны, магнетроны, лампы бегущей волны). Этими же методами возможно фиксировать различные параметры промышленных, бытовых и научных приборов. Таким образом, используя одно физическое явление, можно удовлетворить огромное множество потребностей человека. Именно это обеспечило широчайшее применение электричества в современном быту, промышленности и научных исследованиях.

Электротехника имеет множество разделов, самые важные из которых описаны ниже. Хотя инженеры работают каждый в своей области, многие из них имеют дело с комбинацией из нескольких наук.

Электроэнергетика[править | править код]

Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами. Многие государства мира имеют электрическую сеть, называемую электроэнергетической системой, которая соединяет множество генераторов с потребителями энергии. Потребители получают энергию из сети, не тратя ресурсы на выработку своей собственной энергии. Энергетики работают как над проектированием и обслуживанием сети, так и над энергетическими системами, присоединёнными к сети. Такие системы называются внутрисетевыми и могут как поставлять энергию в сеть, так и потреблять её. Энергетики работают также и над системами, не присоединёнными к сети, называемыми внесетевыми, которые в некоторых случаях являются более предпочтительными, чем внутрисетевые системы. Имеется перспектива создания энергетических систем, контролируемых со спутника, имеющих обратную связь в реальном времени, что позволит избежать скачков напряжения и предотвратить нарушения энергоснабжения.

Электромеханика[править | править код]

Электромеханика  рассматривает общие принципы электромеханического преобразования электрической энергии и их практическое применение для проектирования и эксплуатации электрических машин. Предметами изучения электромеханики являются: преобразование электрической энергии в механическую и наоборот, электрические машины, электромеханические комплексы и системы. Цель электромеханики — управление режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую. К основным направлениям электромеханики относятся: общая теория электромеханического преобразования энергии; проектирование электрических машин;анализ переходных процессов в электрических машинах.

Системы автоматического управления[править | править код]

Задачами автоматических систем управления (и автоматизации в целом) является моделирование различных динамических систем и разработка систем управления, которые заставляют работать динамические системы нужным образом. Для создания таких устройств могут использоваться электрические схемы, процессоры цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры. Системы управления имеют широкую область применения от систем, встраиваемых в энергетические установки (например, на коммерческих авиалайнерах), автоматов постоянной скорости (имеющихся во множестве современных автомобилей) и ЧПУ в станках до систем управления на базе промышленных ПК в автоматизации промышленного производства.

Инженеры часто используют обратную связь при проектировании систем управления. Например, в автомобиле с автоматом постоянной скорости скорость транспортного средства постоянно отслеживается, и данные передаются системе, которая соответственно регулирует выходную мощность двигателя. Если имеется стандартная система обратной связи, можно использовать теорию управления для определения того, как система должна реагировать на поступающую информацию.

Электроника[править | править код]

1. Основные понятия и определения электротехники. Топологические параметры.

Электротехника — это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.

Электроника — это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребленияинформации.

Электромагнитное поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.

Магнитное поле — это одна из форм электромагнитного поля. Оно создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами (момент количества движения микрочастиц) атомных носителей магнетизма. Взаимосвязь магнитного и электрического полей описывает уравнение Максвелла.

Электрическое поле — это частная форма проявления электромагнитного поля. Оно создаётся электрическими зарядами или переменным магнитным полем.

Магнитная цепь — это совокупность источников магнитного потока (постоянных магнитов, электромагнитов) и ферромагнитных или других тел и сред, через которые магнитный поток замыкается.

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов в веществе или вакууме под воздействием электрического поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А).  Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный. Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не меняется по знаку сколь угодно долгое время. Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Переменные токи подразделяются на синусоидальные и несинусоидальные.

Гармонические колебания характеризуются изменением колеблющейся величины во времени по синусоидальному закону. По синусоидальному закону изменяется напряжение, ЭДС, магнитный поток. Синусоидально изменяющиеся величины изображают синусоидами, показывающими мгновенные их значения в любой момент времени, или вращающимися векторами.

Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой / и измеряется в герцах (Гц). В России (как и во многих странах мира) частота тока в электрической сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям (периодам) в секунду.

Электродвижущая сила (ЭДС) — это сила, способная совершать работу по перемещению в электрической цепи электрических зарядов. ЭДС измеряется в вольтах (В) и обозначается латинской буквой Е.

Электрическое напряжение (U) — это величина, численно равная работе по перемещению единицы электрического заряда между двумя произвольными точками электрической цепи. Напряжение, как и ЭДС, измеряется в вольтах (В). Если источник ЭДС подключить к замкнутой цепи, то она окажется под воздействием электромагнитного поля, а на её участках установятся разности электрических потенциалов или напряжения.

Электрической цепью называется, в общем виде, совокупность определенным образом соединенных источников, преобразователей и потребителей электрической энергии, через которые может протекать электрический ток.

Электрическое сопротивление — это способность элемента электрической цепи противодействовать в той или иной степени прохождению по нему электрического тока. Сопротивление, в общем случае, зависит от материала элемента, его размеров, температуры, частоты тока и измеряется в омах (Ом). Различают активное (омическое), реактивное и полное сопротивления. Они обозначаются чаще всего соответственно: R, X, Z.

Активное сопротивление элемента — это сопротивление постоянному току.

Индуктивное сопротивление — это сопротивление элемента, связанное с созданием вокруг него переменного или изменяющегося магнитного поля. Оно зависит от конфигурации и размеров элемента, его магнитных свойств и частоты тока. Индуктивность можно определить как меру магнитной инерции элемента в отношении электромагнитного поля. По смыслу индуктивность в электротехнике можно уподобить массе в механике. Например, чем больше индуктивность элемента, тем медленнее и тем большую энергию магнитного поля он запасает. Индуктивностью обладают в разной мере все элементы электрической цепи переменного тока: провода, шины, кабели и т.п., но в большей степени обмотки электрических машин и разного рода многовитковые катушки.

Ёмкостное сопротивление — это сопротивление элемента, связанное с созданием внутри и вокруг него электрического поля. Оно зависит от материала элемента, его размеров, конфигурации и частоты тока.

Фаза (от греч. — появление) — в теории колебаний и волн переменного тока определяет состояние колебательного процесса в каждый момент времени.

Однофазная цепь — это электрическая цепь переменного тока, в которой действует одно синусоидальное напряжение.

Трёхфазная цепь — это электрическая цепь переменного тока, в которой действуют три синусоидальных напряжения сдвинутых по фазе обычно на 120°. Трёхфазные цепи экономичнее однофазных, дают существенно меньшие пульсации тока после выпрямления в постоянный ток, позволяют простыми средствами получать вращающееся магнитное поле в электродвигателях.

Фазное напряжение источника (приёмника, сети) электрического тока — это разность потенциалов между выводом фазы и нейтральной точкой (проводом).

Линейное напряжение источника (приёмника, сети) электрического тока — это разность потенциалов между выводами смежных фаз.

Электромагнитная индукция есть возникновение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле или в замкнутом проводящем контуре вследствие движения контура в магнитном поле или в результате изменения самого поля.

Взаимная индукция — это явление возбуждения ЭДС в одной электрической цепи при изменении электрического тока в другой цепи или при изменении взаиморасположения этих двух цепей. Самоиндукция — наведение ЭДС в электрической цепи при изменении протекающего в ней электрического тока.

Магнитодвижущая сила (МДС) — ранее часто называлась намагничивающей силой — это величина, характеризующая магнитное действие электрического тока. МДС вводится при расчётах магнитных цепей по аналогии с ЭДС в электрических цепях.

Электрическая энергия — это способность электромагнитного поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.).

Электрическая мощность — это работа по перемещению электрических зарядов в единицу времени. Единица измерения мощности -ватт (Вт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт). Различают активную и реактивную мощности.

Активная мощность (Р) — это мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию.

Диэлектрики — это вещества практически не проводящие электрический ток. Диэлектрики бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Важнейшими характеристиками диэлектриков являются: диэлектрическая восприимчивость, диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность.

Диэлектрические потери есть мощность, выделяющаяся в диэлектрике при воздействии на него переменного электрического поля. Потери мощности в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь.

Конденсатор электрический — это электрическая ёмкость, представляющая собой устройство из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Электрическая изоляция — это устройство, выполненное из диэлектрических материалов и предназначенное для изоляции частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами с целью предотвращения коротких замыканий на землю, на корпус машин, на сооружения и конструкции. Наиболее распространенные материалы: фарфор, слюда, бумага, минеральное масло, эпоксидные смолы, стекло и другие.

Изоляторы — из фарфора и стекла — одни из основных элементов для изоляции электроустановок и наиболее широко распространены. По своему назначению изоляторы подразделяются на опорные, проходные и линейные с нормированными соответствующими стандартами электрическими и механическими нагрузками. Опорные изоляторы предназначены для крепления и изоляции токоведущих частей. Проходные изоляторы служат для изоляции и соединения токоведущих частей, находящихся в закрытых помещениях, баках трансформаторов с открытыми токоведущими частями электроустановок и ЛЭП. Линейные изоляторы служат для изоляции и крепления проводов и грозозащитных тросов воздушных ЛЭП и подстанций.

Изоляционное масло — это минеральное масло повышенной степени очистки, обладающее диэлектрическими свойствами.

Пробивное напряжение — это напряжение, при котором происходит пробой (разрушение), т.е. наступает предел электрической прочности диэлектрика, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика.

Электролиты — это растворимые химические вещества, в которых прохождение постоянного электрического тока осуществляется в результате движения ионов и сопровождается электролизом — распадом. Положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к аноду.

Короткое замыкание (КЗ) — это образование электрического контакта вследствие соединения проводников электрической цепи, не предусмотренного нормальными условиями работы. Это явление в электрической части ГЭС относится к числу самых опасных случаев.

В сети переменного тока КЗ может быть между фазами (2-х и 3-х -фазное) или вследствие замыкания фазы на землю (однофазное). В сети постоянного тока КЗ бывает между полюсами или полюсом и землёй. КЗ возникает из-за нарушения изоляции частей электрической установки и обычно сопровождается значительным увеличением силы тока в цепи, что создаёт опасность повреждения оборудования. У потребителей электроэнергии в момент КЗ резко снижается электрическое напряжение. Для предотвращения опасных последствий КЗ применяют релейную защиту или устанавливают плавкие предохранители, которые обеспечивают быстрое отключение участка с КЗ.

Релейная зашита — это комплекс электрических устройств, содержащих релейные элементы (реле), способные выявлять скачкообразное изменение контролируемых параметров (тока, напряжения, частоты тока, мощности и др.), и при достижении их недопустимых значений выдавать командные импульсы на отключение поврежденных участков электроустановки или на остановку агрегатов, машин, механизмов.

Переходный процесс в электрических установках представляет собой переход от одного устачовившегося состояния к другому установившемуся состоянию в результате планового включения или отключения генераторов, а также при возникновении КЗ либо при внезапных изменениях нагрузки (мощности).

Электрическая машина — это электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии (электрогенератор и электродвигатель).

Электрической цепью называют совокупность тел и сред, образующих замкнутые пути для протекания электрического тока.

Обычно физические объекты и среду, в которой протекает электрический ток, упрощают до условных элементов и связей между ними. Тогда определение цепи можно сформулировать как совокупность различных элементов, объединенных друг с другом соединениями или связями, по которым может протекать электрический ток.

Элементами электрической цепи являются источники электрической энергии, активные и реактивные сопротивления.

Связи в электрической цепи изображаются линиями и по смыслу соответствуют идеальным проводникам с нулевым сопротивлением.

Связи цепи, наряду с элементами, определяют ее свойства и для одних и тех же элементов можно создать множество различных электрических цепей различающихся только связями.

Связи элементов электрической цепи обладают топологическими свойствами, т.е. они не изменяются при любых преобразованиях, производимых без разрыва связей. Пример такого преобразования показан на рис. 1.

 

Возможность взаимно однозначного преобразования электрической цепи позволяет использовать его до начала анализа для приведения схемы к наиболее простому и легко воспринимаемому виду. Так схема на рис. 1 б) выглядит значительно проще, чем схема а).

 

Для описания топологических свойств электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур.

Узлом электрической цепи называют место (точку) соединения трех и более элементов.

Графически такое соединение может изображаться различными способами.

Обратите внимание на точку в месте пересечения линий схемы. Если она отсутствует, то это означает отсутствие соединения. Точка может не ставиться там, где при пересечении линия заканчивается (рисунок а)).

Узел не обязательно имеет вид точки. На рис. 1 б) вся нижняя линия связи, соединяющая R₂, E, R₅ и R₃ , является узлом, а на рис. 1 а) этот же узел представлен диагональной связью.

Ветвью называют совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами.

Ветвь по определению содержит элементы, поэтому вертикальные связи рис. 2 а) и б) ветвями не являются. Не является ветвью и диагональная связь рис. 1 а).

Контуром (замкнутым контуром) называют совокупность ветвей, образующих путь, при перемещении вдоль которого мы можем вернуться в исходную точку, не проходя более одного раза по каждой ветви и по каждому узлу.

По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью.

Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи ограничено и определено.

Основные термины и определения электротехники

Электрический ток

Электрический ток (I) это направленное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах свободными носителями заряда являются электроны, в плазме, электролите — ионы. Единица измерения силы тока – ампер (А). Условно за положительное направление тока во внешней цепи принимают направление от положительно заряженного электрода (+) к отрицательно заряженному (-). Если направление тока в ветви неизвестно, то его выбирают произвольно. Если в результате расчета режима цепи, ток будет иметь отрицательное значение, то действительное направление тока противоположно произвольно выбранному.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) это характеристика работы сил поля по переносу электрических зарядов через внешние элементы цепи. При этом электрическая энергия преобразуется в другие виды. Единица измерения – вольт (В). За положительное направление напряжения приемника принимают направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока. В электрических цепях и энергетических системах напряжение может иметь значения в пределах от нескольких вольт до сотен тысяч вольт.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила Е (ЭДС) характеризует способность индуцированного поля вызывать электрический ток. Единица измерения – вольт (В). Источники энергии могут быть источниками ЭДС и тока. В данном пособии рассматриваются только источники ЭДС. Источник ЭДС характеризуется двумя параметрами: значениями ЭДС (Е) и внутреннего сопротивления (r₀). Источник ЭДС, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь, называют идеальным источником. Реальный источник ЭДС имеет определенное значение внутреннего сопротивления. У источника ЭДС внутренне сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки (R_Н) и электрический ток в цепи зависит главным образом от величины ЭДС и сопротивления нагрузки. Источник ЭДС имеет следующие графические обозначения.

Вольтамперная характеристика источника ЭДС имеет вид:

Рис. 1

Зависимость между напряжением на зажимах источника и его ЭДС имеет вид:

U = E — r₀× I (для реального источника ЭДС)

U = E (для идеального источника).

Электрическое сопротивление R это величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению свободных электрических зарядов (току). Единица измерения – Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью G. Единица измерения – сименс (См).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление проводника определяется по формуле

R=ρl/S

где l – длина;
S – поперечное сечение;
ρ — удельное сопротивление.

По способности проводить электрический ток электротехнические материалы можно разделить на группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы (алюминий, медь, золото, серебро и др.) обладают высокой электропроводностью. Наиболее часто в проводах и кабелях используется алюминий, как наиболее дешевый. Медь имеет большую электропроводимость, но она дороже.

Из проводников следует выделить группу материалов с большим удельным сопротивлением. К ним относятся сплавы ( нихром, фехраль и др.) они используются для изготовления обмоток нагревательных приборов и реостатов. Вольфрам используется в лампах накаливания. Константан и манганин используются в качестве сопротивлений в образцовых приборах.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики)

Электроизоляционные материалы (диэлектрики) имеют очень малую удельную электрическую проводимость. Они бывают газообразные, жидкие и твердые. Особенно большим разнообразием отличаются твердые диэлектрики. К ним относятся резина, сухое дерево, керамические материалы, пластмассы, картон, пряжа и др. материалы. В качестве конструкционных материалов применяются текстолит и гетинакс. Текстолит это диэлектрический материал основой которого является ткань, пропитанная феноло-формальдегидной смолой. Гетинакс это бумага, пропитанная феноло-формальдегидной смолой.

Полупроводники

Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы — арсенид галлия, фосфид галлия и др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.

Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока.

Мощность в электрической цепи характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другой в единицу времени. Единица измерения мощности – Ватт (Вт).

Для цепи постоянного тока мощность источника

Pист = E I.

Мощность приемника

Р_пр = U × I = R × I² = U²/R

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции — устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями, был открыт в 1831 году М. Фарадеем, в 1873 году закон был обобщен и развит Д.Максвеллом:

Если магнитный поток Ф, проходящий сквозь поверхность, ограниченную некоторым контуром, изменяется во времени t, в контуре индуцируется ЭДС e, равная скорости изменения потока

Рис. 2

основы, понятия, положения и определения

Теоретические основы электротехники (ТОЭ) являются дисциплиной, обязательной к изучению электриками. Прежде всего, на занятиях по ней изучаются общие представления об электрическом токе, его свойствах, параметрах и основных направлениях использования. Другим предметом изучения являются феномен электромагнетизма и способы его применения на практике. Ученики узнают, как построить электрическую цепь, как выполнять простые электромонтажные работы в квартире или частном доме, как устроены механизмы, использующие электроэнергию.

Синусоида переменного тока

Основные понятия

Основные положения электротехники и базовые используемые термины – первое, с чем происходит краткое знакомство при изучении ТОЭ.

Постоянный ток

Так называется ток, не меняющий вектора движения на каком-либо временном отрезке и направленный строго от положительного полюса к отрицательному. Постоянный электроток отличается способностью к аккумуляции – на ней базируется принцип действия аккумуляторных источников питания. Кроме того, такой ток может получаться в батарейках посредством химической реакции. Аккумуляторы и гальванические батарейки обеспечивают работу большого числа портативных приборов. На схемах данный вид тока показывают, обозначая плюсовой и минусовой полюса. Если какой-то электроприбор рассчитан на эксплуатацию только при постоянном токе, на корпус ставят соответствующую маркировку в виде одиночной черты или пары параллельных горизонтальных линий.

Электромагнетизм

Это явление входит в число основных понятий электротехники. Оно является продуктом взаимодействия магнитного эффекта и электротока. Первым его зафиксировал Х. Эрстед при приближении компаса к кабелю, по которому проходил ток: стрелка устройства в это время сместилась, что иллюстрировало присутствие магнитного поля поблизости от кабеля.

Электромагнитами называются материалы, в которых магнитные свойства обнаруживаются только при пропускании тока по намотке. Чтобы сила магнитного поля возросла, намотку делают состоящей из большого числа витков. Металлическая основа с магнитными свойствами, которую обматывают, называется сердечником. Вектор линий поля определяется направлением течения электротока в проводе обмотки. Если у магнита присущие ему свойства обнаруживаются константно, а не только при наличии тока и обмотки, его называют постоянным. Часто он имеет кольцевую или подковообразную форму.

Переменный ток

Это один из первых терминов, с которым знакомятся изучающие теорию электричества. Одновременно с этим узнают о его отличиях от постоянного тока.

Этот вид тока характеризуется тем, что циклически меняет свои величину и направление (в отличие от постоянного, у которого эти параметры неизменны на любом временном отрезке). При этом характер изменений можно отразить на графике в виде синусоиды. Когда лампа подключается в электросеть с таким током, минус и плюс на ее контактах будут периодически меняться места.

Применение такого тока дает возможность передачи электрической энергии на очень большие расстояния. Поскольку генераторы создают огромное напряжение, которое опасно подавать в жилые помещения, ток от них направляется в подстанции, где трансформируется.

К сведению. Из этого тока можно получать постоянный с помощью выпрямляющего устройства – диодного моста. Он распрямляет синусоидальную кривую, что заставляет электроны двигаться в одном векторе, не меняя его с течением времени.

Единицы измерения

Одной из основных характеристик такого тока является частота – величина, показывающая число инцидентов изменения параметров за единицу времени. Ее обозначают как f и измеряют в герцах (Гц). Чаще всего для бытовых и промышленных нужд используют частоту 50 Гц. Это означает, что на двух зажимах розетки полюса меняются позициями 50 раз в секунду.

Период – это время, за которое происходит одиночный инцидент изменения. Если в секунду их 50, то период будет равен 0,02 с.

Эффективное значение тока – создающее для некоторого сопротивления выделение тепла, равное определенному переменному току за заданное время.

Трансформаторы

Это приборы, преобразующие переменный электроток с заданными параметрами в ток с иным показателем напряжения, но идентичной исходному частотой. Их действие основано на принципе взаимоиндукции. Устройство является статичным, не снабжено подвижными элементами, потому не является машиной, но учащиеся знакомятся с его действием одновременно с принципами работы электрических машин. В прибор вмонтированы две катушки с неодинаковым количеством витков (это сделано для обеспечения разницы напряжений). По магнитному полю электроэнергия передается между катушками.

Трансформатор тока

Электрические машины (электродвигатели и генераторы)

Данные механизмы широко используются в автоматике, промышленности, являются главными элементами электроустановок. Два основных типа, различающиеся по назначению и способу действия, – генераторы и двигатели. Любая машина включает в себя устойчивую часть (статор) и подвижную (ротор).

Электродвигатели

Эти машины преобразуют электрическую энергию в механическую. Используются они для приведения в движение разнообразных механизмов в сельском хозяйстве, различных отраслях промышленности. Ось двигателя вращается, благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора. Первое возникает при протекании тока по обмоткам, второе существует, благодаря использованию постоянных магнитов в статорной конструкции.

Электрогенераторы

Они функционируют по другому принципу, основанному на действии электродвижущей силы. Она наводится в обмотке при постоянном движении магнитного поля через нее. Когда ось машины вращается, магнитный поток воздействует на катушки.

Электрогенератор

Машины постоянного тока

Такие механизмы можно классифицировать на:

• однофазные, двухфазные и трехфазные – в зависимости от того, какой ток они создают или потребляют;
• синхронные и асинхронные (у первых скорости движения ротора и магнитного поля идентичны, у вторых – различаются между собой).

Типы проводников

При изучении теоретических основ электротехники нельзя обойти вниманием влияние проводимости используемых в различных устройствах веществ на электроток. По этому параметру материалы можно разделить на следующие группы:

1. Проводники – субстанции, беспрепятственно пропускающие ток (металлы, электролиты, жидкая ртуть, графитные стержни). Проводимость может относиться не только к собственно электронам, но и к ионам, как положительно, так и отрицательно заряженным. Пример второго типа – раствор хлорида натрия в воде, обладающий электролитными свойствами (чистая вода является диэлектриком).
2. Полупроводники – вещества, приобретающие способность проводить ток только при определенных внешних условиях (температура, освещение и иные факторы).
3. Диэлектрики – материалы, не обладающие способностью пропускать ток. Благодаря этому, они обладают изоляционными свойствами.

Диэлектрик во внешнем электрическом поле

Применяемые радиодетали

При изучении основ электромонтажа всегда происходит знакомство с основными деталями, использующимися в электронике. При их изготовлении применяются все перечисленные типы веществ. Из проводниковых материалов делают кабели, соединяющие устройства, входящие в схему. Также они подсоединяют источник питания к нагрузочному напряжению. Проводники наматывают на катушки, которые как эксплуатируются в самостоятельном виде, так и применяются в трансформаторах, электрических машинах, на печатных платах (последние сами делаются из диэлектрика). Транзисторные и диодные элементы включают в себя проводниковые и полупроводниковые детали из нескольких типов материалов с разным уровнем проводимости. Основные функции диэлектриков – защитная и изоляционная.

Меры безопасности

Электрику необходимо знать нормы охраны электротехнического труда и обеспечения безопасности. Пренебрежение ими чревато травматической ситуацией, инвалидностью или смертью. Основные правила:

1. Ручки инструмента должны быть сделаны из диэлектрика. Использовать неизолированные рукоятки запрещено.
2. Использовать заземленные браслеты, работая с микросхемами.
3. Не касаться кабелей, находящихся под напряжением.
4. При проведении работ вешать предупредительные плакаты.
5. Использовать только провода, покрытые диэлектрической изоляцией.
6. Работать в резиновых перчатках и специальной обуви из диэлектрика.
7. Тестирование параметров сети проводить только измерительными приборами.
8. При поражении электротоком одного из коллег немедленно отключить ток, вызвать врача и провести мероприятия первой помощи.

Штудирование ТОЭ обязательно для любого, кто собирается самостоятельно выполнять электромонтажные работы. Первым делом учащиеся узнают о разновидностях электротока и их характерных особенностях, а также об устройствах, использующих электричество.

Видео

Теоретические основы электротехники — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Теорети́ческие осно́вы электроте́хники (ТОЭ ) — техническая дисциплина, связанная с изучением теории электричества и электромагнетизма. ТОЭ подразделяется на две части — теорию электрических цепей и теорию поля. Изучение ТОЭ является обязательным во многих технических ВУЗах, поскольку на знании этой дисциплины строятся все последующие: электротехника, автоматика, энергетика, приборостроение, микроэлектроника, радиотехника и другие.

В 1600 году английский учёный Уильям Гильберт написал трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». В 1745 году голландским физиком Питером ван Мушенбруком создан первый источник электроэнергии — Лейденская банка. В 1785 году французский физик Кулон открыл закон о взаимодействии заряженных частиц. В 1820 году датский физик Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. В 1832 году во Франции Пикси сконструировал генератор переменного тока. В 1834 году Якоби в России создал электродвигатель. Густав Роберт Кирхгоф в 1845—47 гг. открыл закономерности в протекании электрического тока в разветвленных электрических цепях, а в 1857 построил общую теорию движения тока в проводниках. В 1848 году немецкий учёный Румкорф создал трансформатор. Уже первые опыты по электрической передаче энергии (в России Ф. А. Пироцкий — 1874 г., в Германии и во Франции Марсель Депре — 1882, 1883 гг.) обратили на себя всеобщее внимание. В 1876 году Яблочков изобрёл электрические цепи. В 1889 году Доливо-Добровольский создал трёхфазный двигатель и трёхфазный трансформатор. После изобретения первых гальванических элементов, которые изобрёл Луиджи Гальвани, ученые начали исследовать ток в электрических цепях, как влияет поле проводника с током на стрелку компаса, который находится рядом с проводником и т. д. Георг Симон Ом экспериментальным способом вывел Закон Ома в интегральной форме. Позже Джеймс Максвелл теоретически выведет закон Ома в дифференциальной форме. Последующие исследования продолжили ученые Генрих Герц (вибратор Герца), Майкл Фарадей (электромагнитная индукция), Карл Гаусс (магнетизм), Никола Тесла (переменный ток, теория эфира).

В России первые труды по электричеству принадлежат академикам М. В. Ломоносову и Г. В. Рихману, которые вместе проводили количественные исследования атмосферного электричества.

В 1904 году профессор В. Ф. Миткевич начал читать в Петербургском политехническом институте созданный им курс лекций «Теория явлений электрических и магнитных», а затем курс лекций «Теория переменных токов».

В 1905 году профессор К. А. Круг начал в Московском высшем техническом училище чтение своего курса лекций «Теория переменных токов», а затем курса лекций «Теория электротехники».

В последующем эти теоретические дисциплины образовали техническую дисциплину «Теоретические основы электротехники». Первая часть курса, именуемая «Основные понятия и законы теории электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей», даёт физическое представление о процессах, происходящих в электрических и магнитных цепях и в электромагнитных полях.

• Афонин В. В. Сборник задач по электротехнике — 2004.
• Башарин С. А. Теоретические основы электротехники — 2004.
• Бессонов Л. А. ТОЭ. Теория поля — 2003.
• Бессонов Л. А. ТОЭ. Теория электрических цепей — 2007.
• Бессонов Л. А. ТОЭ. Методические указания и контрольные задания — 2003.
• Бессонов Л. А. ТОЭ. Сборник задач — 1980.
• Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники т. 1 — 2003.
• Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники т. 2 — 2003.
• Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники т. 3 — 2003.
• Зайчик М. Ю. Сборник задач и упражнений по ТОЭ — 1980.
• Коровкин Н. В. ТОЭ. Сборник задач — 2004.
• Кузовкин В. А. Теоретическая электротехника — 2005.
• Прянишников В. А. Теоретические основы электротехники — 2004.
• Прянишников В. А. Электротехника и ТОЭ — 2007.
• Шимони К. Теоретическая электротехника — 1964.

Электротехника — это… Что такое Электротехника?

Электротехника — область технических наук, изучающая получение, распределение, преобразование и использование электрической энергии.

Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века.

В настоящее время электротехника включает в себя несколько наук: электроэнергетику, электронику, системы управления, обработку сигналов и телекоммуникации. Основное отличие от электроники заключается в том, что электротехника изучает проблемы, связанные с силовыми крупногабаритными электронными компонентами: линии электропередачи, электрические приводы, в то время как в электронике основными компонентами являются компьютеры и интегральные схемы^[1]. В другом смысле, в электротехнике основной задачей является передача электрической энергии, а в электронике — информации.

История

Разделы

Электротехника имеет множество разделов, самые важные из которых описаны ниже. Хотя инженеры работают каждый в своей области, но многие из них имеют дело с комбинацией из нескольких наук.

Электроэнергетика

Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами. Многие государства мира имеют электрическую сеть, называемую электроэнергетической системой, которая соединяет множество генераторов с потребителями энергии. Потребители получают энергию из сети, не тратя ресурсы на выработку своей собственной энергии. Энергетики работают как над проектированием и обслуживанием сети, так и над энергетическими системами, присоединёнными к сети. Такие системы называются внутрисетевыми и могут как поставлять энергию в сеть, так и потреблять её. Энергетики работают также и над системами не присоединёнными к сети, называемыми внесетевыми, которые в некоторых случаях являются более предпочтительными, чем внутрисетевые системы. Имеется перспектива создания энергетических систем, контролируемых со спутника, имеющих обратную связь в реальном времени, что позволит избежать скачков напряжения и предотвратить нарушения энергоснабжения.

Системы автоматического управления

Задачами автоматических систем управления (и автоматизации в целом) является моделирование различных динамических систем и разработка систем управления, которые заставляют работать динамические системы нужным образом. Для создания таких устройств могут использоваться электрические схемы, процессоры цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры. Системы управления имеют широкую область применения от систем, встраиваемых в энергетические установки (например, на коммерческих авиалайнерах), автоматов постоянной скорости (имеющихся во множестве современных автомобилей) и ЧПУ в станках до систем управления на базе промышленных ПК в автоматизации промышленного производства.

Инженеры часто используют обратную связь при проектировании систем управления. Например в автомобиле с автоматом постоянной скорости скорость транспортного средства постоянно отслеживается и данные передаются системе, которая соответственно регулирует выходную мощность двигателя. Если имеется стандартная система обратной связи, можно использовать теорию управления для определения того, как система должна реагировать на поступающую информацию.

Микроэлектроника

Микроэлектроника занимается разработкой и изготовлением очень малых компонентов электронных цепей для использования в интегральных схемах или, в некоторых случаях, для использования в качестве основных электронных компонентов. Самыми распространенными микроэлектронными компонентами являются полупроводниковые транзисторы, хотя все основные электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, индукторы) могут быть созданы на микроскопическом уровне.

Микроэлектронные компоненты создаются химическим изготовлением пластин из полупроводников, например, кремния (при более высоких частотах — полупроводниковых соединений, таких как арсенид галлия, фосфид индия, нитрид галлия), чтобы получить желаемую передачу заряда и управлять током. Микроэлектроника затрагивает существенную часть химии и материаловедения, и требует от инженера-электроника, работающего в данной области, хороших практических знаний квантовой механики.

Литература

См. также

Примечания

Ссылки

что изучает дисциплина, основные разделы и темы науки в физике

Каждый день человек сталкивается с электричеством. Оно используется во всех частных домах и квартирах, на производстве, в офисных и промышленных помещениях. Изучением этого понятия занимается наука электротехника. Её основы изучают в школьном курсе физики, поэтому о том, как проложить проводку, распределить напряжение на бытовые приборы, знают даже ученики средних классов.

Значение электричества

Каждое вещество состоит из определённого количества молекул, которые делятся на атомы. У самой мелкой частицы есть ядро, вокруг него постоянно передвигаются протоны и электроны с положительными и отрицательными зарядами. Когда два элемента находятся близко друг к другу, то между ними образуется разность потенциалов. Это приводит к появлению электрического заряда, при котором электроны двигаются от одной материи к другой. Так появляется электричество — энергия, которую вызывает движение отрицательных зарядов.

Скорость их перемещения отличается, для его упорядочивания используют проводники — вещества, через которые проходит ток. Если электроны двигаются только в одном направлении, то такое электричество называется постоянным. При изменении перемещения возникает постоянный ток. Переменный позволяет работать всем бытовым приборам, используется в промышленности. Движением энергии можно управлять, это изучается в курсе «Основы электротехники».

Наука электротехника

В физике электротехника изучает все понятия, связанные с электричеством. Её проходят все, кто хочет получить специальность электрика. В учебных заведениях дисциплина называется «ТОЭ» — теоретические основы электротехники. Впервые об этой науке узнали в XIX веке, когда был изобретён источник тока и построены электрические цепи. Затем учёные сделали несколько физических открытий, а также в области математики и химии.

На первых занятиях ТОЭ студенты изучают основы электрического тока, его определение, разбираются свойства, сферы использования и характеристики. Затем рассказывают студентам о магнитных полях, приборах, которые получают питание от сети. Необязательно получать специальное образование в институте или колледже. Разобраться с работой электрической проводки можно самостоятельно.

Достаточно изучить сайты по электротехнике, несколько учебников или посмотреть видеоуроки. В быту этих знаний хватит для замены лампы в светильнике или ремонта электрического чайника. Но если есть желание профессионально работать с током, то необходимо получить специальное образование. Диплом позволит получить официальный допуск к таким занятиям.

Основные понятия

При изучении основ электротехники и электроники используют много формул и вычислений. В науке есть три основных понятия:

• сопротивление;
• сила тока;
• напряжение.

Силой тока называют определённое количество заряда, который протекает через проводящее вещество за конкретный период. То есть это число электронов, проходящее из одного конца проводника в другой. Этот показатель считается самым опасным для жизни человека. Если взяться руками за голый провод, то электроны пройдут через живое тело. От их количества напрямую зависят повреждения, так как заряд выделяет тепло и активирует некоторые химические реакции, вредящие здоровью человека.

Но для того чтобы электричество свободно передвигалось по проводам, необходимо присутствие напряжения и разности потенциалов. Эти показатели должны быть постоянными, для чего электрическую цепь предварительно замыкают. На одном её конце располагается источник питания, который и отвечает за непрерывное движение электронов.

Третий параметр — сопротивление — физическая характеристика вещества, которая показывает способность к проведению заряда. Чем ниже этот показатель, тем больше электронов может пройти по проводнику за определённый период. С уменьшением сопротивления увеличивается сила тока. Высокий показатель величины снижает электричество, но нагревает проводник, что может привести к возгоранию.

Подразделы и темы

Понять то, что изучает электротехника, поможет перечень подразделов и тем, которые проходят в колледжах. Главная составляющая науки — это электромеханика. Она позволяет студентам узнать принципы работы тех устройств, которые получают питание от электричества. После этих занятий можно заняться ремонтом и даже проектированием оборудования.

На занятиях проходят особенности превращения электрической энергии в механическую с помощью двигателя или специального станка. Затем изучают обратные процессы, то есть работу трансформаторов и генераторов тока. Без знаний об электрических цепях, принципов их функционирования и других вопросов, которые охватывает основная дисциплина, невозможно начать изучение электромеханики.

К основным темам по электротехнике относят:

• основы дисциплины;
• цепи постоянного электрического тока;
• магнитные цепи и электромагнитная индукция;
• принципы переменного тока;
• переходные процессы в электрических цепях с сосредоточенными показателями;
• распределённые параметры;
• приборы электроизмерительные;
• силовые машины;
• информационные приборы;
• полупроводниковые материалы;
• интегральные микросхемы;
• первичные и вторичные источники питания;
• теория электропривода;
• микропроцессорные устройства;
• радиотехника и приборы СВЧ.

Со всеми этими темами студенты знакомятся на занятиях, изучают основные формулы, проводят вычисления и лабораторные работы. Преподаватель должен объяснить всю теорию по дисциплине и показать работу электрического тока на практике.

Меры безопасности

Когда проходят практические занятия по изучению электротехники, необходимо позаботиться о безопасности учащихся. Ведь несоблюдение некоторых правил может привести к травмам и даже смертельным исходам. Основы работы с приборами, питающимися от сети:

• ознакомление с инструкцией;
• проверка изоляции проводников;
• диагностика электросети.

Перед работой студенты обязательно должны прочесть инструкцию к каждому прибору. Без выполнения этого правила нельзя подключать устройства к сети. Особое внимание уделяют разделу, в котором описываются вопросы безопасности. Затем контролируют изоляцию проводников. Обычно все провода покрываются специальными материалами, которые не пропускают электричество, — диэлектриками или изоляторами. Если это покрытие повреждено, то его необходимо восстановить, в противном случае возможно возникновение травм.

Работу по восстановлению изоляции нужно проводить в специальном защитном костюме, который не проводит ток — резиновые перчатки и диэлектрические ботинки. Для выполнения третьего правила — проверки функционирования электрических сетей — используют только специальные инструменты. Не прикасаются к источникам голыми руками и металлическими предметами. Причинами травм и смертельных случаев электриков обычно становится невыполнение этих правил. Каждый день перед работой специалисты перечитывают инструкцию и ставят свою подпись, соглашаясь с тем, что они ознакомлены с правилами и готовы их выполнять.

Для того чтобы получить хоть какое-то представление об электричестве и приборах, которые с его помощью работаю, нужно изучить науку электротехники или ознакомиться с её основами. Особое внимание уделяют технике безопасности, так как нужно избежать травм во время работы.