Некие лекции по элтеху / TOE_VVE

Теоретические основы электротехники. Т. I. Основы теории линейных цепей. Под ред. П. А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Высш. школа», 1976.

544 с. с ил.

На обороте тит. л. авт.: П. А. Ионкин, А. И. Даревский, Е. С. Кухаркин и др.

Первый том книги подвергся существенной переработке, необходимой для приближения содержания курса к современной практике расчета и проектирования электротехнических устройств. Изложение основных законов и методов расчета цепей ведется с использованием матриц, топологических понятий и графов.

Основы теории цепей: Учебник для вузов/Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов.— 5-е изд., перераб.— М.: Энергоатомиздат, 1989.— 528 с.: ил.

Рассмотрены цепи постоянного тока и цепи переменного тока с со­средоточенными и распределенными параметрами в гармоническом и переходном режимах, нелинейные цепи. В сравнении с четвертым изда­нием, которое вышло в 1975 г., книга существенно переработана за счет включения вопросов применения вычислительной техники для анализа и синтеза электрических цепей, упорядочения структуры разделов книги и рассмотрения цепей с периодически изменяющимися параметрами.

Предназначен для студентов электротехнических и энергетических специальностей вузов.

Широкое и разнообразное использование электрической энергии объясняется тем, что она имеет следующие преимущества перед другими формами энергии: Электрическая энергия сравнительно просто получается из других форм энергии, передается на различные расстояния и преобразуется в другие формы энергии. Она может существовать в самых различных количествах и использоваться достаточно экономично. Электрической энергией могут приводиться в действие как высокоточные устройства (периферия вычислительной техники), так и самые мощные машины (прокатные станы). Кроме того, электрическая энергия служит основой для устройств обработки и передачи информации (вычислительная техника, связь), в которых передача энергии играет служебную роль.

Электромагнитные явления очень своеобразны, в большинстве случаев их нельзя наблюдать непосредственно (без специальных приборов). Обычно они протекают весьма быстро и связаны с рядом сопутствующих явлений; однако, изучив свойства электромагнитных явлений, ими можно сравнительно просто управлять.

Процессы, протекающие в различных электромагнитных устройствах, всегда зависят от свойств среды, в которой они наблюдаются и исследуются.

Первые представления о свойствах среды вблизи заряженных тел сложились еще в глубокой древности, когда люди заметили, что натертый янтарь вызывает движение мелких предметов без непосредственного соприкосновения с ними (на расстоянии). Позже было обнаружено, что подобные явления имеют место и при отсутствии между взаимодействующими зарядами вещества в какой бы то ни было форме. На этой почве возникло представление, что телам присуще свойство действовать на другие тела на расстоянии, без участия промежуточных тел или сред и притом практически мгновенно. Теория дальнодействия, или действия на расстоянии, открывала широкие возможности для мистических домыслов о природе действующих сил. Михаил Васильевич Ломоносов выдвинул теорию близкодействия. Согласно этой теории, силовые взаимодействия между телами могут передаваться только при наличии какой-нибудь среды, окружающей тела, с конечной скоростью.

Огромную роль в объяснении природы электромагнитного поля явились работы Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Они объясняли эти явления деформациями и пертурбациями в среде, заполняющей все межзвездное пространство и называемой эфиром. Силовым линиям они придавали физическое значение как линиям, показывающим направления натяжений и перпендикулярным к направлениям сжатий эфира. Однако на этой основе стройной теории, пригодной для объяснения одновременно всех явлений в электромагнитном поле, создать не удалось. И это было не случайно, так как электромагнитное поле качественно отличается от механического движения. Бесплодность попыток свести электромагнитное движение к механическому стала очевидной после опытов Армана Ипполита Луи Физо, Альберта Абрахама Майкельсона и Э.У. Морли, показавших независимость скорости света от скорости движущихся тел. Дальнейшее развитие электромагнитной теории Хенрик Антон Лоренц мог осуществить только отказавшись от попыток найти какую-либо механическую модель поля. В настоящее время физическое поле, в частности электромагнитное, понимают как особую форму материи, принципиально отличную от вещества.

Величины, характеризующие электромагнитные явления в различных электротехнических устройствах, обычно с большой степенью точности можно рассчитать заранее, в процессе наблюдения — измерить и зарегистрировать, а также смоделировать. При этом расчет и проектирование, монтаж и эксплуатация электротехнических установок, как правило, требуют весьма квалифицированного персонала.

Электротехникой в широком смысле слова называется обширная область практического применения электромагнитных явлений.

Много открытий и изобретений наряду с иностранными учеными сделали русские ученые и инженеры, положившие начало важнейшим отраслям электротехники.

М. В. Ломоносов кроме обоснования теории близкодействия создал оригинальную теорию атмосферного электричества, открыл закон сохранения массы и движения. После изобретения Алессандро Вольта гальванического столба появилась возможность получать электрический ток. Исследуя явления в электрической цепи, Василий Владимирович Петров открыл (1802 г.) электрическую дугу и указал на возможность практического применения ее для освещения, плавки и сварки металлов (независимо открыта Гемфри Дэви в 1808-09 г.).

Определяющую роль в развитии учения об электромагнитных явлениях сыграл английский ученый Майкл Фарадей, открывший в 1831 г. закон электромагнитной индукции.

В 1832 г. Павлом Львовичем Шиллингом был построен первый в мире электромагнитный телеграф (применялся в России, Великобритании и Германии). Сэмюэл Морзе изобрел телеграфный аппарат в 1837 г., разработал код в 1838 г.

В 1833 г. русский академик Эмилий Xристианович Ленц открыл закон, устанавливающий связь между направлениями индукционных токов и их электромагнитными и электродинамическими взаимодействиями. В частности, им был установлен принцип электромагнитной инерции. В 1844 г. он независимо от Джеймса Джоуля установил, что количество тепла, выделяющегося в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника и квадрату тока.

В 1845 г. немецким физиком Густавом Кирхгофом были сформулированы основные законы для разветвленных электрических цепей, имеющие огромное значение для развития теоретической и практической электротехники.

Изобретенная русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым электрическая .свеча положила начало электрическому освещению. Первая лампа накаливания с угольным стерженьком была создана русским инженером Александром Николаевичем Лодыгиным. Томас Алва Эдисон предложил и внедрил промышленный образец лампы накаливания в 1879 г.

Из других русских ученых второй половины XIX столетия необходимо отметить Александра Григорьевича Столетова, впервые подробно исследовавшего магнитные свойства железа, и Николая Алексеевича Умова, заложившего основы для вывода уравнений движения электромагнитной энергии в телах.

Таким образом, за период с 1800 по 1880 г. в тесной связи с развитием прикладной электротехники и, в частности, с телеграфией, гальванопластикой и техникой электрического освещения развивалась теория цепей постоянного тока. За этот период были установлены основные понятия теории электрических цепей и созданы первые методы их расчета.

Начало применению переменного тока положил в 1876 г. П. Н. Яблочков. Переменный ток обеспечивал равномерность сгорания углей в его свече и давал возможность легко осуществлять питание многих ламп от одного источника электрической энергии.

Расширение потребления электрической энергии выдвинуло проблему передачи ее на значительные расстояния. Для решения этой проблемы требовалось применение различных напряжений для передачи и распределения электрической энергии. Эта задача легко разрешалась для переменного тока путем применения трансформаторов, изобретенных также П. Н. Яблочковым.

Переменный ток получил всеобщее признание и широчайшее использование в электроэнергетике благодаря изобретениям русского инженера и ученого Михаила Осиповича Доливо-Добровольского (работал в компании Т.А. Эдисона). Им была разработана трехфазная система, получившая повсеместное распространение. В 1889 г. он построил первый трехфазный двигатель, разработал все остальные звенья трехфазной цепи и в 1891 г. осуществил передачу электрической энергии трехфазным током на расстояние 175 км. Никола Тесла вел аналогичные разработки в те же годы. Применение переменного тока требовало решения многих вопросов и послужило основанием для разработки целой области теоретических основ электротехники — теории переменных токов. Особенно значительным в развитии этой теории было введение крупным американским электротехником Ч. П. Штеймецом метода комплексных величин для расчетов цепей.

Наряду с необходимостью решения теоретических задач, относящихся к электрическим и магнитным цепям, практическая электротехника выдвинула задачи по расчету электромагнитных полей. Конструирование электрических машин и электромагнитных аппаратов требовало расчета магнитных полей. Создание надежной изоляции токоведущих частей приводило к необходимости расчета электрических полей.

В 1873 г. Джеймс Клерк Максвелл в классическом труде «Трактат о электричестве и магнетизме» изложил в математической форме основы теории электромагнитного поля, представляющей собой, как было отмечено, расширение и дальнейшее развитие идей М. Фарадея о физической реальности электромагнитного поля. Экспериментальное подтверждение и развитие теории электромагнитного поля, разработанной Д. Максвеллом, было осуществлено немецким физиком Генрихом Герцем в 1887—1889 гг. в его опытах по получению и распространению электромагнитных волн, а также русским физиком Петром Hиколаевичем Лебедевым, доказавшим давление световых волн. В 1895 г. Александр Степанович Попов изобрел радиосвязь, открывшую новую эру в культурной жизни человечества. Гульельмо Маркони подал патентную заявку в 1896 г., его основная заслуга - распространение радиосвязи. Развитие радио послужило мощным толчком к разработке как теории электрических цепей, так и теории электромагнитного поля.

Возможны два принципиально различных подхода к решению электротехнических задач и рассмотрению электромагнитных явлений: 1) с использованием интегральных величин, характеризующих работу устройства в целом; 2) с применением дифференциальных понятий, характеризующих состояние того или иного материала в разных местах устройства. Так например, расчет электрической цепи, в которую включены различные приемники электрической энергии (лампы, двигатели), может заключаться в определении токов в проводах и напряжений на зажимах приемников, а расчет изолирующей конструкции — в определении напряженности электрического поля в отдельных местах диэлектрика. Первому аспекту задачи отвечает теория цепей; второму — теория электромагнитного поля. Иногда для одной и той же установки приходится решать задачи обоими методами. Физически более общей и детальной является задача, формулируемая в теории электромагнитного поля. Однако, как правило, она требует больших вычислительных затрат. Кроме того, постановка такой задачи нередко не является необходимой, так как, во-первых, изучаемое явление во всех деталях можно не рассматривать и, во-вторых, оно достаточно полно характеризуется задачей, формулируемой в теории цепей.

В основе теории цепей лежат законы Ома и Кирхгофа, в простейшем виде известные из курса физики, в основе теории электромагнитного поля — уравнения Максвелла, дающие математическую формулировку электромагнитных процессов в пространстве. Основной математический аппарат, используемый в этих разделах электротехники, различный. Если в теории цепей используется система алгебраических (при рассмотрении установившихся режимов) или дифференциальных (при рассмотрении переходных процессов) уравнений, то в теории электромагнитного поля — уравнения математической физики, т. е. дифференциальные уравнения в частных производных. Известны случаи, когда решения задач электротехники приводили к необходимости дальнейшего развития математических методов (функции комплексного переменного, операционное исчисление, теория информации и т. д.).

Курс теоретических основ электротехники является базовым для всех специальных электротехнических дисциплин.

Качественные и количественные стороны исследуемых электромагнитных явлений и процессов находятся в неразрывной связи. Поэтому изучение курса теоретических основ электротехники в высшей школе, как было отмечено, основывается на знаниях, полученных из курсов физики и математики. Эти знания в курсе теоретических основ электротехники расширяются и развиваются в направлении разработки методов анализа, расчета и экспериментального исследования явлений и процессов, протекающих в электрических и магнитных цепях и в электромагнитных полях.

План курса (группы С-34,35)

Тема I (10 часов). Основные понятия и законы теории электрических цепей.

Тема II (8 часов). Анализ установившихся процессов в цепях с источниками гармонических ЭДС и токов.

Тема III (6 часов). Четырехполюсники.

Тема IV (11 часов). Расчет переходных процессов в цепях с сосредоточенными параметрами.

Практические занятия.

1. Эквивалентные преобразования в электрических цепях.

2. Применение законов Ома и Кирхгофа к расчету электрических цепей постоянного тока.

3. Расчет резистивных схем методами контурных токов и узловых потенциалов.

4. Применение принципов наложения, взаимности, линейности к расчету электрических схем. Метод эквивалентного источника.

5. Расчет схем с гармоническими источниками комплексным методом.

6. Расчет схем периодического негармонического тока.

7. Расчет переходных процессов классическим методом в цепях первого порядка.

8. Расчет переходных процессов классическим методом в цепях второго порядка

9. Расчет переходных процессов операторным методом.

Лабораторные работы.

1. Лабораторная работа №1 (4 часа). «Исследовании разветвленной цепи постоянного тока».

2. Лабораторная работа №2 (4 часа). «Активный двухполюсник на постоянном токе».

3. Лабораторная работа №4 (4 часа). «Исследование цепи гармонического тока».

4. Лабораторная работа №11 (4 часа). «Переходные процессы в цепях с конденсаторами, резисторами, катушками индуктивности и источником прямоугольных импульсов».

Расчетно - графические работы.

1. РГР №1. Расчет линейных резистивных схем с источниками постоянных ЭДС и токов.

2. РГР №2. Расчет переходных процессов в схемах с сосредоточенными параметрами.

Третий семестр завершается ЗАЧЕТОМ.