Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Электротехника и электроника»

Волгодонск, 2012 г.

Введение

Начало изучения электромагнитных явлений следует отнести к XVIII веку, когда впервые была сформулирована унитарная теория электричества, введены понятия двух видов электричества (+ и - ), от­крыт закон взаимодействия зарядов (Б. Франклин, Ш. Дюфе, Ш. Кулон, А. Вольт). Открытие фундаментальных законов электромагне­тизма пришлось на XIX век (А. Ампер, Г. Ом, Х. Эрстед, М. Фарадей, Э. Х. Ленц, Д. Генри, Д. Джоуль, Г. Кирхгоф, Д. Максвелл, Г. Герц и др.) и привело к созданию разнообразных электротехнических уст­ройств, так или иначе используемых в практических условиях.

Электрические источники света (П. Яблочков), электрическая дуга (В. Петров), первые электродвигатели и электрогенераторы (З. Грамм, Г. Феррари, Н. Тесла) и затем трехфазные генераторы и дви­гатели (М. Доливо-Добровольский) достаточно быстро получили практическое применение и уже к концу XIX века появились первые электростанции и электрические системы, предназначенные для пере­дачи электроэнергии на расстоянии.

Столь быстрое развитие электротехники объясняется тем, что ее средствами относительно просто и экономично получают электромаг­нитную энергию, передают к потребителям, где она преобразуется в другие виды - преимущественно в механическую, тепловую и лучи­стую. Использование электромагнитной энергии способствовало тех­ническому прогрессу и позволило значительно улучшить комфорт­ность жизни людей.

Потребление электромагнитной энергии постоянно возрастает как в производственной, так и в социально-бытовой сферах. Вводят в действие все новые и новые электростанции, на которых получают электроэнергию из других видов. Наиболее распространенными явля­ются гидроэлектростанции, тепловые и атомные электростанции.

В Волгодонске - Цимлянская ГЭС - 209МВт, ТЭЦ - 470 МВт, АЭС (два блока - 2000 МВт). Потребление энергии в нашем городе составляет чуть больше 100 МВт, остальное по линиям электропере­дач передается в районные и региональные электрические системы. Передача электроэнергии осуществляется на напряжении 110, 220, 500 кВ. В географической близости от потребителей, на трансформаторных подстанциях напряжение снижается каскадно до 10 - 0,4 кВ и подается непосредственно к электроприемникам.

Большое значение электротехники в строительстве определяется применением механизмов и машин с электрическим приводом (подъ­емные краны, лебедки и т.д) и использованием электротехнологий(сварка и др.). Любые строительные объекты должны иметь систему электроснабжения, питающую электроэнергией осветительные и силовые элек­троустановки.

Следует отметить существенное удобство электрической энер­гии при автоматизации производственных процессов, благодаря точности и быстродействию электрических методов контроля и управления защиты.

Цель нашего курса - обеспечить такую подготовку инженеров-строителей, при которой они будут располагать системой знаний, уме­ний и навыков в актуальных для них областях электротехники.

1 Линейные цепи постоянного тока

1.1 Основные понятия теории электричества

Первоначальным понятием электричества является заряд. Мель­чайшими носителями электричества являются элементарные частицы, которые могут иметь два разноименных заряда («+» - протон, «-» - электрон), некоторые частицы электрически нейтральны (нейтрон).

Главными носителями зарядов в металлах являются свободные электроны и ионы кристаллической решетки. Концентрация их ~ 10²⁸ в м³, это объясняет их хорошую электрическую проводимость.

Материалы, у которых имеется много легкоподвижных носите­лей зарядов, называют проводниками. Материалы, не имеющие электронов проводимости, называют диэлектриками. Промежуточный широкий класс веществ составляют полупроводники.

Электрический ток - это направленное движение заря­женных частиц.

Направлением тока условились считать направление движения положительных частиц (рис. 1.1).

Рис. 1.1

В проводнике возникает постоянный ток, если заряды могут совершать постоянную циркуляцию. Для возникновения тока необходима электрическая цепь - замкнутый путь для тока, со­стоящий из проводников и различных электротехнических устройств.

Непременно в электрической цепи должен быть источник и потреби­тель электроэнергии. В источнике какой-либо сторонний вид энергии (химический, механический и т. д.) преобразуется в электрическую. В потребителях происходит процесс преобразования электрической энергии преимущественно в лучистую, тепловую или механическую. По проводам энергия передается от источника к потребителю.

В электрическую цепь могут быть включены также измеритель­ные приборы, преобразователи, регуляторы, коммутационные, защит­ные устройства и т. д.

Источниками электроэнергии являются турбо и гидрогенера­торы электростанции, аккумуляторы, батарейки и т. д. Приемники - это электрические лампы, электродвигатели, термоустановки.

Одной из важнейших категорий электротехники является сила тока I, равная величине заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(1.1)

где - заряд, проходящий через сечение проводника за время .

Сила тока - скалярная величина. Единицей измерения служит Ампер (А). Один Ампер - это такой электрический ток, при котором за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кл или 6*10¹⁸ электронов. Прибор для измерения тока называется амперметром.

Сила тока:

- в лампочках до 1 А;

- в утюге до 8 А;

- в подъемном кране ~ до 100 А;

- в обмотках турбогенератора АЭС до 15000 А;

- опасно для жизни 0,05 А.

Если за любые два равных промежутка времени через сечение проводника проходит одно и то же количество электричества, то электрический ток является постоянным. Заряженные частицы движутся поступательно по всему контуру электрической цепи.

Направленное движение зарядов в проводнике происходит под действием электрических сил. Причиной возникновения тока в проводнике является электрическое поле. Электрическое поле - это особый вид материи, порождаемый зарядами и действующий с силой на заряды.

Характеристиками электрического поля являются напряженность и напряжение. Силовая характеристика - напряженность - векторная величина, равная отношению силы, действующей на заряд, к величине этого заряда:

(1.2)

Измеряется в или В∙м.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд со стороны поля.

Энергетическая характеристика двух точек поля или электрической цепи - напряжение - скалярная величина, равная отношению энергии, затраченной на перемещение положительного заряда между двумя точками цепи, к величине этого заряда:

(1.3)

Единица измерения напряжения - Вольт (В).

Если при перемещении единичного заряда из одной точки в другую затрачивается энергия в 1 Дж, то напряжение между двумя точками - 1В.

Напряжение:

- гальванического элемента / батарейки - 1,5 В;

- автомобильного аккумулятора - 12 В;

- квартирных осветительных сетей - 220 В;

- городских кабельных сетей - 6-10 кВ;

- высоковольтных линий электропередачи 110-1150 кВ.

В замкнутой цепи положительные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Но внутри источника они должны двигаться к точке с более высоким потенциалом, то есть против сил электрического поля. Это перемещение зарядов внутри источника происходит за счет не электрических, а сторонних сил. При этом затрачивается сторонняя энергия.

Работу сторонних сил по перемещению единичного заряда внутри источника называют электродвижущей силой (ЭДС). Измеряется ЭДС в Вольтах (В). Как правило, источники энергии имеют внутреннее сопротивление, тогда напряжение на его зажимах (рис. 1.2.):

Зависимость напряжения на зажимах источника от тока нагрузки называют внешней характеристикой источника (рис. 1.3, прямая 1). Источники, внутреннее падение напряжения которых мало, т.е. R₀ →0, ∆U→0 называют источником напряжения (рис. 1.3, прямая 2).

Рис. 1.2 Рис. 1.3