Введение
Среди различных областей науки одно из ведущих мест занимает электротехника, которая изучает проблемы использования электрических и магнитных явлений в практической деятельности человека.
Курс «Электротехника и электроника» является одной из основных дисциплин для специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и механизмы».
Значение использования электрической энергии всегда осознавало руководство России и поэтому ставило первостепенную задачу на электрификацию страны, что выразилось в строительстве тепловых, гидроэлектрических и атомных электростанций по всей стране.
Успехи электротехники привели к широкому использованию электрической энергии в промышленности, на судах морского и речного флота, а также в подъемно-транспортных машинах и механизмах.
В своей инженерной деятельности вы всегда будете сталкиваться с проблемами в работе электрических машин, электрических аппаратов, коммутационной и защитной аппаратуры.
1.1. Из истории развития электротехники.
Первые наблюдения над действием электрических сил – притяжением лёгких наэлектризованных тел – были сделаны ещё в древней Греции – Фалесом Милетским более 2000 лет тому назад.
Первую попытку теоретического объяснения электрических и магнитных явлений сделал английский учёный Уильям Гильберт в 1600 году. Он же впервые ввёл термин «электричество» от греческого слова «электрон» (янтарь).
Первые шаги в практической электротехнике относятся к 18 веку. В этот период благодаря усилиям многих исследователей, таких как М.В. Ломоносов, русский академик Ф. Эпинус, Кулон и другие были получены результаты в области изучения атмосферного электричества, электрической индукции, взаимодействия электрических зарядов и т.д. Начало электротехники связано, прежде всего, с открытием источников электрического тока, после исследований Гальвани и Вольта. Последним в 1800 г. была изобретена батарея, которая длительное время давала электрический ток. Большое число опытов с электрическим током в начале 19 века привело к открытию новых закономерностей.
В 1802 г. русский физик Петров В.В. открыл явление электрической дуги и разработал предложения по её практическому применению. Он является также основоположником электрохимии.
Плодотворным оказался 1820г.
- Датский физик Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, т.е. было обнаружено магнитное поле электрического тока;
- Французский физик А. Ампер исследовал механическое взаимодействие проводников с током и сформулировал правило для определения направления движения магнитной стрелки в поле тока;
- Французские учёные Ж. Био, Ф. Саварр, П. Лаплас открыли закон, устанавливающий количественные соотношения для магнитного поля электрического тока.
Важнейшей вехой на пути познания законов электричества и манетизма является открытие английского физика – самоучки М. Фарадея (1791-1867):
1821 – явление движения проводника с током в магнитном поле;
1831 – закон электромагнитной индукции;
1837 – основные законы электролиза.
М. Фарадей создал свою теорию электрических и магнитных полей, впервые введя термин «силовая линия».
Полную теорию электромагнитного поля разработал другой выдающийся английский учёный Д. Максвелл (1831-1879), в 1873 г. вышел его «трактат об электричестве и магнетизме», в котором изложены основные явления и дана полная теория электрических и магнитных явлений.
В 1827 г. сформулирован закон, устанавливающий количественные соотношения электрической цепи постоянного тока, немецким физиком Г. Омом и названным законом Ома.
В 1841 г. член русской академии Э.Х. Ленц, а в 1848 г. Д. Джоуль независимо друг от друга открыли закон теплового действия тока – закон Джоуля-Ленца.
В 1832 г. член-корреспондент Русской Академии наук П.А. Шиллинг создал первый в мире электромагнитный телеграф.
Одним из крупнейших учёных электриков 19 в. был русский академик Б.С. Якоби (1801-1874) – основоположник электромашиностроения, в 1838 г. он построил первую электрическую машину, которая двигала по Неве лодку с 14 пассажирами, в 1837 г. изобрёл гальванопластику, в 1850 г. – первый в мире буквопечатающий телеграфный аппарат.
В 1845 г. немецкий физик Г. Киргоф установил законы распределения токов и напряжений в сложной электрической цепи.
Движение энергии в упругих средах было теоретически изучено русским учёным Н.А. Умовым в 1874 г.
Первые опыты по передачи электроэнергии проведены русским инженером Ф.А. Пироцким в 1875 г.
В 1875 г. Изобретена лампа накаливания А.Н. Лодыгиным,а в 1876 г. был применён переменный ток для освещения («свеча Яблочкина»).
Движение потока энергии в электрическом поле изучено англичанином Д. Пойтингом в 1884 г.
Русские учёные П.Н. Яблочков и И.Ф. Усагин создали первые в мире трансформаторы.
Достижения современной электроэнергетики во многом обязаны трудам выдающегося физика Столетова (1839-1896), который заложил основы теории магнитных цепей, установив зависимость между интенсивностью намагничивания и намагничивающей силой. В 1889 г. Ф.Г. Столетов открыл фотоэффект и изготовил первый фотоэлемент.
Русский инженер М.О. Доливо-Добровольский к 1889 году разработал все новые элементы трехфазной системы: трёхфазный двигатель, трёхфазный генератор, трансформатор и осуществил передачу энергии трёхфазным током на расстоянии. Этот год ознаменовался гениальным открытием великого русского ученого А.С. Попова, который первый в мире использовал электромагнитные волны для передачи информации на расстояние и положил начало радиотехники.
Прямое преобразование Лапласа получено в 1872 г. Основы теории устойчивости созданы русским академиком А.М. Ляпуновым в 1892г.
Частотные методы анализа нелинейных цепей развиты советскими учёными Крыловым и Боголюбовым.
1.2. Основные понятия.
С точки зрения электропроводности все вещества в природе можно разделить на три группы:
- проводники, полупроводники и диэлектрики.
В свою очередь, проводники делятся на 2 группы:
- проводники I рода – металлы; основной носитель заряда – электроны; при протекании эл. тока в них не происходит химических изменений;
- проводники II рода – соли, щелочи, кислоты и др.; основной носитель заряда – ионы; при протекании эл. тока в них имеют место химические изменения.
Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц.
Интенсивность эл. тока оценивается силой тока. Сила тока измеряется величиной заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени:
[Кл/с], [А]
Сила тока – величина скалярная.
Определение: при силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 сек переносится заряд величиной в 1 Кл.
Электрический ток характеризуется плотностью тока (векторная величина):
[А/мм2]
Определение: эл. ток, плотность которого в каждой точке проводника не изменяется со временем, называется постоянным током.
Определение: эл. ток, плотность которого с течением времени меняется по величине и направлению, называется переменным током.
Определение: эл. ток, плотность которого с течением времени меняется только по величине, называется пульсирующим током.
Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и приемников (нагрузок), образующих путь для протекания электрического тока.
Электрической схемой называют изображение электрической цепи, выполненное с помощью принятых для этой цели условных графических обозначений.
Пассивный элемент электрической цепи – это элемент, не являющийся источником электромагнитной энергии.
Активный элемент электрической цепи – это элемент, являющийся источником электромагнитной энергии.
Ветвью электрической цепи называется участок цепи, вдоль которого ток имеет одно и то же самое значение.
Узлом электрической цепи называется точка соединения трех и более ветвей. На схемах узел обозначается точкой, наносимой в месте электрического соединения ветвей.
Контуром электрической цепи называется замкнутый путь, образованный одной или несколькими ветвями.
Вольт-амперная характеристика элемента электрической цепи – это зависимость тока, протекающего по элементу, от напряжения на зажимах этого элемента (или наоборот).
Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нём, называют линейными элементами, в противном случае – нелинейными. Электрические цепи, составленные исключительно из линейных элементов, называют линейными электрическими цепями. Нелинейная электрическая цепь – цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент.
Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы:
1. Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).
2. Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электромеханизмы и т.д.).
3. Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).
Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила (э.д.с.). На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.