1.електричне поле та його основні характеристики

електричне поле — одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла.

Кількісними характеристиками електричного поля є вектор напруженості електричного поля E й вектор електричної індукції D.

Напру́женість електри́чного по́ля — це векторна фізична величина, яка дорівнює силі, яка діє у даній точці простору у даний момент часу на пробний одиничний електричний заряд у електричному полі. Е = F/q

де F— сила, q— електричний заряд, E— напруженість електричного поля.

В системі СІ вимірюється у В/м, на практиці здебільшого у В/см.

Ве́ктор електри́чної інду́кції — кількісна характеристика електричного поля у суцільному середовищі.

D=Е + 4*3,14P, де Р— вектор поляризації.

2.Напруга,потенціал.Електричний струм,сила та густина струму в провіднику

Напруга (U) на ділянці електричного кола — фізична величина, що визначається роботою, яка виконується сумарним полем електростатичних і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола. Поняття напруги є узагальненим поняттям різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в тому випадку, якщо на цій ділянці не прикладена електрорушійна сила.

Напруга вимірюється у вольтах (B).

U=Wст/Q, де Wст - робота сторонніх сил по переміщенню заряду, Q- одиниця заряду U=φ1-φ2, де φ1-φ2 - різниця потенціалів

Із закону Ома для неповного кола: U=I·R , де I-струм, R-опір провідника

Для вимірювання напруги використовуються прилади, які називаються вольтметрами, мілівольтметрами тощо.

Потенціал електричного поля - енергетична характеристика електричного поля; скалярна величина, що дорівнює відношенню потенційної енергії заряду в полі до величини цього заряду. В СІ потенціал електричного поля вимірюється у вольтах.

Електри́чний струм — упорядкований рух заряджених частинок у просторі: у металах це електрони, у напівпровідниках — електрони та дірки, в електролітах - додатно та від'ємно заряджені йони, в іонізованих газах — йони й електрони.

За напрямок струму вибирають рух позитивно заряджених частинок. Таким чином, напрямок струму в металевих провідниках протилежний напрямку руху електронів.

Густиною струму називають векторну величину, що визначається, як величина заряду, яка протікає через одиничну площу за одиницю часу. Вона позначається, зазвичай, латинською літерою j . Напрямок густини струму визначається напрямком потоку заряду.j=I/S

Сила струму — це фізична величина, яка характеризує електричний струм і дорівнює відношенню заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу до цього часу. Сила струму позначається літерою (І) та вимірюється в амперах.

Для того щоб розрахувати силу струму, необхідно значення електричного заряду поділити на час проходження через провідник цього заряду.

І = Q / t І - сила струму Q – заряд t - одиниця часу

3.Електричний опір та провідність провідника.Зкони Ома та Джона-Ленца для кола постійного струму.Робота та потужність струму.

Електри́чний о́пір — властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму.

Позначається здебільшого латинською літерою R, одиниця опору в СІ - Ом.

Для провідника довжиною l і поперечним перерізом S опір визначається за формулою

R=p*l/s ,де ρ — питомий опір — характеристика матеріалу, з якого виготовлений провідник

1. Закон Ома для однорідної ділянки кола.

Сила струму І в однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі, яку прикладено до ділянки і обернено пропорційна характеристиці ділянки, яку називають електричним опором провідника I=U/R.

Закон Ома для замкнутого кола.

Сила струму в замкнутому колі прямо пропорційна Е.Р.С. джерела і обернено пропорційна сумі зовнішнього і внутрішнього опорів.I=E/(R+r).Електрорушійна силою джерела ( Е.Р.С. ) називається фізична величина, яка вимірюється роботою джерела струму при переміщенні одиничного додатнього заряду замкнутим колом.

Робота яку виконує джерело струму визначають за формулою А = I*U*t.

Потужність струму P дорівнює роботі, поділеній на час P=A/t, також Р = I*U, отже існує зв’язок вата з електричними одиницями: Вт = А •В.

Закон Джоуля — Ленца — кількість теплоти, що виділяється струмом в провіднику, пропорційна силі струму, часу його проходження і падінню напруги.Q=I*I*R*T. де I — сила струму, R — опір, t — час.

Закон Джоуля-Ленца справедливий у межах застосованості закону Ома.

4.Електровимірювальні прилади

Електровимі́рювальні при́лади — клас пристроїв, що застосовуються для виміру різних електричних величин.

Амперме́тр — прилад, яким вимірюють величину електричного струму.

Вольтме́тр — прилад для вимірювання напруги між двома точками електричного кола.

Ватме́тр — прилад для вимірювання активної потужності електричного струму.

5.Структурні особливості електричного кола(вузол,вітка,контур).Параметри електричного кола

Електри́чне ко́ло — сукупність сполучених між собою провідниками резисторів, конденсаторів, котушок індуктивності, джерел струму й напруги, перемикачів тощо, через яку може проходити електричний струм.

Місця з єднання 3 і більше провідників називається вузлом електричного поля і на схемах позначаються чорною крапкою.

Ряд послідовно з єднаних елементів через які може протікати електричний струм і який є частиною схеми називається віткою.

Контуром схеми називається шлях протікання зарядів через всі елементи вітки від полюса + до полюса -.Основними параметрами електричного кола є напруга, сила струму і повний опір

Повний опір— загальний електричний опір, який чинить коло електричне, що має як активний (омічний) опір R, так і реактивний опір (ємнісний Xc та індуктивний ХL), проходженню змінного електр. струму. Визначається формулою:

Чисельно дорівнює також відношенню макс. значення напруги до макс. значення струму. У Міжнародній системі одиниць (СІ) вимірюється в омах.

6.Елементи електричного кола(лінійні,нелінійні,активні,пасивні)

Електри́чне ко́ло — сукупність сполучених між собою провідниками резисторів, конденсаторів, котушок індуктивності, джерел струму й напруги, перемикачів тощо, через яку може проходити електричний струм.

Елементи електричного кола діляться на активні і пасивні. До активних елементів електричного кола відносяться ті, в яких індукується ЕРС (джерела ЕРС, електродвигуни, акумулятори в процесі зарядки і т. п.). До пасивних елементів відносяться електроприймачі і з`єднувальні дроти.

Елементи електричного кола, що володіють електричним опором і називаються резисторами, характеризуються так званою вольт-амперною характеристикою - залежністю напруги на затискачах елементу від струму в ньому або залежністю струму в елементі від напруги на його затискачах.

Якщо опір елементу постійний при будь-якому значенні струму в ньому і будь-якому значенні прикладеної до нього напруги, то вольт-амперна характеристика пряма лінія і такий елемент називається лінійним елементом.

Якщо опір елементу кола істотно залежить від струму або напруги, то вольт-амперна характеристика носить нелінійний характер, а такий елемент називається нелінійним елементом.

7.схема електричного кола

Схема електричного кола — це графічне зображення електричного кола,що містить умовні позначення його елементів і показує з’єднання цих елементів

Схеми, в залежності від призначення, бувають: структурні, функціональні, принципіальні, монтажні і інш.

8.Джерела електричної енергії

Джерело́ стру́му або генератор струму — елемент електричного кола, який забезпечує в ньому протікання певного електричного струму. Інший термін — джерело напруги використовується для позначення елементу, який задає певне значення напруги.

Ідеальне джерело струму створює в електричному колі струм, який не залежить від навантаження і будь-яких зовнішніх умов. Такий елемент є абстракцією. Електрорушійна сила та внутрішній опір в такому ідеальному джерелі струму повинні бути нескінченними і пропорційними одне одному. Напруга на клемах ідеального джерела струму повністю визначається навантаженням:U=I*R. де U — напруга, I — сила струму, R — електричний опір навантаження.

Реальні джерела струму характеризуються скінченними значеннями електрорушійної сили і внутрішнього опору.

9.режими роботи кіл

10.Потужність у колі змінного струму

В колах змінного струму використовується поняття 4-х видів потужності - миттєвої р, повної S, активної P та реактивної Q,  S, P, Q пов’язані між собою як сторони прямокутного трикутника:

                                                .                                                   

Робота електричних кіл характеризується параметром коефіцієнт потужності cos:

                                                    .                                                         

Коефіцієнт потужності показує ступінь використання споживачем потужності джерела (генератора). Найбільш повне використання потужності генераторів електростанцій можливе при роботі генераторів з номінальною напругою, номінальним струмом і cos=1.

Якщо джерело працює з постійною напругою (U-const), але змінним cos, то

,

                                     .                                                             (3.56)

Тобто зі зменшенням cosj струм, споживаний навантаженням, збільшується. В результаті:

- збільшуються невиробничі втрати  потужності генераторів;

- збільшується пожежна небезпека.

Засоби підвищення cos:

- обмеження роботи двигунів без навантаження;

- відповідність потужності двигуна потужності навантаження;

- перемикання обмотки статора на “зірку” при зменшенні навантаження;

11.правила кірхгофа

Перше правило Кірхгофа 

Перший встановлює зв'язок між сумою струмів, спрямованих до вузла електричного з'єднання (додатні струми), і сумою струмів, спрямованих від вузла (від'ємні струми). Згідно з цим законом алгебраїчна сума струмів, що збігаються в будь-якій точці розгалуження провідників, дорівнює нулю:

Перше правило Кірхгофа є наслідком закону збереження заряду. Для неперервно розподілених струмів у просторі воно відповідає рівнянню неперервності.

Друге правило Кірхгофа 

Для будь-якого замкнутого контура проводів сума електрорушійних сил дорівнює сумі добутків сил струму на кожній ділянці контура на опірділянки, враховуючи внутрішній опір джерел струму.

Математично друге правило Кірхгофа записується так:

12 з єднання провідників

Послідовне і паралельне з'єднання провідників

Послідовне і паралельне з'єднання в електротехніці - два основних (є ще інші, які походять з них) способи з'єднання елементів електричного кола. При послідовному з'єднанні всі елементи пов'язані один з одним так, що ділянка кола не має жодного вузла. При паралельному з'єднанні всі вхідні в коло елементи об'єднані двома вузлами і не мають зв'язків з іншими вузлами. При послідовному з'єднанні провідників сила струму у всіх провідниках однакова.

Послідовне з'єднання. [ред.]

При послідовному з'єднанні провідників сила струму в будь-яких частинах кола одна й та ж:

Повна напруга в колі при послідовному з'єднанні, або напруга на полюсах джерела струму, дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола:

Загальний опір усієї ланки кола дорівнює сумі опорів

.

Паралельне з'єднання

При паралельному з'єднанні падіння напруги між двома вузлами, що поєднують елементи кола, однакове для всіх елементів. При цьому величина, зворотна загальному опору кола, дорівнює сумі величин, обернених опорам паралельно включених провідників.

Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі сил струмів в окремих паралельно з'єднаних провідниках:

Напруга на ділянках кола і на кінцях всіх паралельно з'єднаних провідників одна й та ж:

Опір ділянки визначається із рівняння і є сумою провідностей

13.метод суперпозиції

Метод накладання У лінійному електричному колі, яке містить джерела ЕРС, контурні струми (а отже і струми віток) є лінійними функціями контурних ЕРС: . Фізичний зміст цієї формули полягає у тому, що струм у буль-якій вітці схеми може бути визначений як алгебраїчна сума струмів, що викликаються у цій вітці кожною з ЕРС окремо. Для напруг на вітках схеми можна записати: . Фізичний зміст: вузлова напруга будь-якого вузла лінійного електричного кола може бути отримана як алгебраїчна сума напруг, що викликані кожним із задаючих джерел струму окремо. Ці співвідношення виражають принцип накладання (суперпозиції), який є одним з найважливіших принципів лінійних кіл. Саме на цьому принципі грунтується метод накладання. Суть розрахунку кіл за принципом накладання полягає у наступному: по черзі розраховують часткові струми, які обумовлені дією кожного джерела ЕРС або струму окремо, вилучаючи зі схеми всі інші джерела, але залишаючи їх внутрішні опори. При цьому джерела ЕРС закорочують, а джерела струму – розмикають. Потім знаходять струми віток шляхом алгебраїчного додавання часткових струмів. Приклад. ;   ;  Примітка. Принцип накладання не можна застосовувати для розрахунку потужностей.

14. Змі́нний струм — електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом.

Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом

,

де   — амплітуда струму,   — частота,   — фаза струму.

Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази 

15 Параметри змінного струму та напруги

1) миттєве значення (позначається малими літерами: струм - i, напруга - u, ЕРС - е) - значення змінної величини в будь-який момент часу t;

2) амплітудне значення (позначається великими літерами з індексом "m",  струм - I_m, напруга - U_m, ЕРС - Е_m) - найбільше миттєве значення   величини, що періодично змінюється за синусоїдальним законом;

3) період (позначається Т, [c]) - найменший інтервал часу, після закінчення якого  миттєві  значення змінної величини повторюються в тій же послідовності;

4) циклічна частота (позначається f=1/T, [Гц]) - величина, зворотня по відношенню до періоду, виражає кількість періодів у секунду.

Стандартна (технічна) частота для промислових установок в Україні (СНД) - 50 Гц.

5) кутова частота:

                                    , рад/с;                                                   (3.3)

6) діюче значення (позначається прописними літерами без  індексів: I,  U,  E) дорівнює величині такого постійного струму, який за час, рівний одному періоду змінного струму,  виділяє в тому ж опорі таку ж кількість тепла, що і при проходженні змінного струму.

7) фаза ( wt, [рад]) - електричний кут, що визначає положення змінної величини в деякий момент часу.

8) початкова фаза (позначається  y, [рад]) - електричний кут, що визначає значення змінної величини в початковий момент часу.

9) зсув фаз - різниця початкових фаз двох синусоїдальних величин однієї частоти:

Та величина,  у  якої  позитивні амплітудні значення досягаються раніше,  ніж у другої, називається випереджаючою за фазою, а та, у котрої ті ж значення досягаються пізніше, - відстаючою за фазою. Якщо дві синусоїдальні величини мають однакові початкові фази, то вони збігаються за фазою.

16.Активний опір в колі змінного струму

Акти́вний о́пір (резиста́нс)— частина повного опору електричного кола змінного струму, яка поглинає електричну енергію і визначається вживаною потужністю P та струмом I в колі за формулою

.

В електричних колах, які не мають електроємності, активний опір більший за опір постійному струмові внаслідок поверхневого ефекту та магнітних витрат.

В електричних колах з великою електроємністю активний опір може бути меншим, ніж опір постійному струмові внаслідок втрат в діелектрику.

Активний опір у колі синусоїдного струму

Якщо на синусоїдну напругу u = U_m sin wt увімкнути резистивний елемент , то у колі виникне миттєвий струм

Таким чином, можна зробити висновок, що струм у колі з активним опором, увімкнутим на синусоїдну на­пругу, є синусоїдним та збігається з на­пругою за фазою.

Вектор струму збігається за напрямом із вектором напруги (зсув за фазою дорів­нює нулю). Ці дві електричні величини мають лише дійсне значення.

Величина R називається активним опором

Закон Ома для такого кола через амплітудні значення, діючі значення та в комплексній формі має вигляд

Im=Um/R    I=U/R

17.Індуктивність в колі змінного струму

Індуктивність — фізична величина, що характеризує здатність провідника нагромаджувати енергію магнітного поля, коли в ньому протікає електричний струм.

Індуктивність у колі змінного струму

Якщо у колі з індуктивним елементом протікає синусоїдний струм i=Im sinωt

То напругу можна записати співвідношенням

U = -e =U_Lm cos ωt    U_Lm = E_lm = LI_m ω

Таким чином, при вмиканні індуктивності на синусоїдну напругу струм у колі залишається синусоїдним івідстає від напруги на чверть періоду.

Величина X_L = ωL, має розмірність опору і називається індук­тивним опором. Індуктивний опір відрізняється від активного і має на­зву реактивного опору.

 

Вектор напруги виперед­жає вектор струму на 90° (символу показує, що вектор струму треба повернути на чверть періоду проти ходу годинної стрілки). Закон Ома для кола з індуктивним елементом через амплітудні, діючі значення та в комплексній формі має вигляд I_m= U_m/X_L     I= U/X_L