- •1.2 Электрические цепи постоянного тока.
- •1.2.1 Электрическая цепь и её элементы.
- •Мощность – работа, совершаемая в единицу времени.
- •Коэффициент полезного действия.
- •1.2.3 Закон Ома для участка цепи.
- •1.2.4 Способы соединения сопротивлений и расчёт эквивалентного сопротивления электрической цепи.
- •Последовательное соединение приёмников.
- •1.2.5 Первый и второй законы Кирхгофа
- •Совокупность ветвей которые образуют замкнутую цепь называют контуром.
- •1.2.6 Источник эдс и источник тока в электрических цепях.
- •1.2.7 Режимы работы электрической цепи. (Режим холостого хода, режим короткого замыкания, номинальный режим, согласованный режим. Понятие о кпд.)
- •1.3 Магнитные и нелинейные цепи.
- •1.3.1 Магнитное поле и его параметры.
- •Сила действующая на проводник.
- •(H(ньютон))
- •1.3.2 Магнитные цепи.
- •1.3.3 Ферромагнитные материалы и их свойства. Намагничивание и перемагничивание ферромагнетиков
- •1.3.4 Закон Ома и Кирхгофа для магнитной цепи.
- •Законы магнитной цепи
- •1. Закон Ома для магнитной цепи.
- •1.4.2 Амплитудное, среднее и действующее значение переменного тока и напряжения. Частота, период и фаза синусоидально изменяющихся величин.
- •1.4.3 Сопротивления в цепи переменного тока.
- •1.4.4 Основные свойства простейших цепей переменного тока.
- •1.4.6 Цепь с последовательным соединением элементов.
- •1.4.7 Цепь с параллельным соединением элементов.
- •1.4.8 Мощность однофазной цепи синусоидального тока.
- •1.4.9 Повышение коэффициента мощности в электрической цепи.
- •1.5 Переходные процессы в линейных электрических цепях.
- •1.5.1 Общие понятия о переходных процессах и определения.
- •1.5.2 Причины возникновения переходных процессов. Законы коммутации.
- •1.5.3 Переходные процессы в электрических цепях с последовательно соединёнными резисторами и катушками.
- •Подключение катушки с r и l к сети с синусоидальным напряжением
- •Отключение катушки с r, l от сети с постоянным напряжением
- •1.5.4 Переходные процессы в цепи с последовательно включёнными резисторами и конденсатором.
- •1.5.5 Разряд конденсатора на цепь с резистором и катушкой.
- •1.5.6 Резонанс в электрических цепях синусоидального тока. Резонанс токов. Резонанс напряжений.
- •1.5.7 Общие понятия о трёхфазной электрической цепи.
- •Основные понятия я определения
- •1.5.8 Соединение источников и приемников энергии звездой
- •1.5.9 Соединение источников и приемников энергии треугольником
- •1.5.10 Мощность трехфазной системы
- •1.6 Трансформаторы Силовые трансформаторы и автотрансформаторы
- •Магнитная связь двух катушек, обтекаемых переменным током: :
- •Первичная и вторичная обмотки на магнитопроводе:
- •2 Электрические измерения
- •2.1 Измерения в электротехнике. Термины и определения.
- •2.2 Погрешность средств измерения
- •2.3 Электроизмерительные приборы
- •Электромагнитная система
- •Электродинамическая система
- •Индукционная система
- •2.4 Измерение электрических величин измерение тока и напряжения
- •Измерение мощности
- •Измерение сопротивлений
- •2.5 Измерение неэлектрических величин электрическими методами
- •2.6 Расширение пределов измерения средств измерения электрических величин
- •3 Материаловедение
Общие предметы:
Спецпредмет 3-4 розряд
1 ТОЭ
2 Электрические измерения
3 Материаловедение
4 Слесарное дело и технология монтажных работ
5 Электрические машины
6 Электрические аппараты
7 Электромонтажные работы
8 Основы управления електроприводами механизмов
9 Основы схемотехніки
10 Основы промышленной электроники и преобразоватильной техники
11 Обслуживание и ремонт оборудования електроустановок общего назначения
12 Обслуживание и ремонт оборудования електроустановок карьеров и горных машин
13 Обслуживание и ремонт оборудования електроустановок дробильных фабрик и дробильно-сортировочных комплексов
14 Обслуживание и ремонт оборудования електроустановок обогатительных фабрик
15 Обслуживание и ремонт оборудования електроустановок фабрик окомкования и аглофабрик
16 Обслуживание и ремонт оборудования електроустановок подземных комплексов
17 Электробезопастность на производстве
18 Основы пожарной безопасности и взрывобезопасности
19 Основы гигиены и промсанитарии
1 ТОЭ
Предлагается разработать электронный мультимедийный конспект.
1.1 Вводная тема. (Краткая история открытия электричества. Роль электричества в повседневной жизни человека и на производстве. Обзор достижений науки и промышленности в области электротехники, электроники и энергосбережении.)
Систематическое исследование электрических явлений и их практическое применение началось с изучения свойств не изменяющегося во времени тока - постоянного тока на рубеже 18-19 веков. Этому способствовали наличие и доступность источников электрической энергии постоянного тока – сначала гальванических элементов ( А. Вольта (1745-1827))
позднее аккумуляторов, а также первые успехи применения электричества для освещения (П.Н. Яблочков 1847-1894).
Экспериментальное исследование свойств постоянного тока позволило выявить и обосновать ряд закономерностей и понятий (А.М. Ампер 1775-1836; Г.С. Ом 1787- 1854; Ш.О. Кулон 1736-1806 и др.).
Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединёнными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниеля».
В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.
В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.
Важным этапом в освоении электрической энергии стало изучение и применении переменного тока. Применение трёхфазного переменного тока позволило совершить прорыв в промышленности , а применение трёхфазных асинхронных двигателей обеспечило возможность простого и дешёвого способа преобразования электрической энергии в механическую.
Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.
В 20-м веке развитие электротехники и электроники достигло уровня когда ни одно направление деятельности человека практически не обходиться без применения электричества.
Поскольку потребность в электрической энергии постоянно и стремительно возрастает то также стремительно возрастают и объёмы её производства. Традиционных источников электрической энергии становиться недостаточно и все чаще возникает необходимость прибегать к альтернативным.
1.2 Электрические цепи постоянного тока.
1.2.1 Электрическая цепь и её элементы.
Электрическая цепь постоянного тока в общем случае содержит источник электрической энергии, приёмник электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода.
Пример цепи постоянного тока
(необходимо анимировать)
Схематическое изображение цепи постоянного тока
В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энергии на теплоэлектростанциях.
Источники электрической энергии подразделяются на источники постоянного и переменного тока. В качестве источника переменного тока используют электромашинные устройства, источники постоянного тока – гальванические элементы, аккумуляторы и электромашинные генераторы.
В приёмниках электрической энергии электрическая энергия преобразуется, например, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую (электрические печи), химическую (электролизные ванны).
Коммутационная аппаратура, линии и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения её между приёмниками и контроля режима работы электротехнических устройств.
1.2.2 Основные понятия и определения для электрической цепи. (Термины и определения физических величин: электрический ток, удельное сопротивление материалов; сопротивление проводника и его проводимость; ЭДС, напряжение, мощность и их единицы измерения. Температурный коэффициент сопротивления и сопротивление проводника при температуре отличной от 200С.)
Согласно электронной теории электропроводности валентные (не принадлежащие конкретному атому) электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твёрдом теле кристаллическую решётку. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решётки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.
(необходимо анимировать)
Если к проводнику длинной Ɩ подключить источник электрической энергии, то под действием продольного электрического поля напряжённостью ε свободные электроны приобретают добавочную скорость и начинают перемещаться в одном направлении вдоль проводника.
В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся на встречу друг другу ионы с положительными и отрицательными зарядами.
Принято считать направлением тока I направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля. Это направление показано стрелкой.
Единица измерения тока ампер (А). Единица измерения заряда кулон (Кл).
Постоянный ток I=|Q|/t , где t-время равномерного перемещения суммарного заряда |Q| через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи.
Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решётки тормозят их поступательное движение. Это противодействие направленному движению свободных электронов, т.е. постоянному току, составляет физическую сущность сопротивления проводника.
Проводящие свойства материала определяет его удельное сопротивление, ρ (ро), равное сопротивлению между противоположными сторонами куба с ребром 1м, изготовленного из данного материала.
Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.
В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1·106 Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв.мм.
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью:
Единица измерения проводимости сименс - (См).
Различные материалы обладают различным удельным сопротивлением, значения некоторых приведены в таблице:
Удельное электрическое сопротивление металлов и сплавов, применяемых в электротехнике:
Металл |
Удельное сопротивление материала Ом·мм2/м |
Серебро |
0,016 |
Медь |
0,0175 |
Золото |
0,023 |
Алюминий |
0,0271 |
Иридий |
0,0474 |
Молибден |
0,054 |
Вольфрам |
0,055 |
Цинк |
0,059 |
Никель |
0,087 |
Железо |
0,098 |
Платина |
0,107 |
Олово |
0,12 |
Свинец |
0,205 |
Титан |
0,5562 - 0,7837 |
Висмут |
1,2 |
Сплав |
Удельное сопротивление материала Ом·мм2/м |
Сталь |
0,1400 |
Никелин |
0,42 |
Константан |
0,5 |
Манганин |
0,43…0,51 |
Нихром |
1,05…1,4 |
Фехраль |
1,15…1,35 |
Хромаль |
1,3…1,5 |
Латунь |
0,07…0,08 |
Другие вещества |
Удельное сопротивление материала Ом·мм2/м |
Сжиженные углеводородные газы |
0,84·1010 |
Береза сухая |
108 |
Лакоткань |
109 |
Фарфор |
1012 |
Значения даны при температуре t = 20° C. Сопротивления сплавов зависят от их точного состава и могут варьироваться.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:
(Ом)
где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, l — длина проводника, а S — площадь сечения мм2.
Сечение голого круглого провода :
Где d-диаметр провода мм
Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.
Сопротивление проводника при температуре отличной от 200С:
Rt=R0+R0*α*(t-t0)
Где R0-сопротивление провода при t0=200С; α- температурный коэффициент электрического сопротивления (для меди αм=0,004, для алюминия αа=0,0042).
Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления при изменении температуры проводника на 10С.
Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких кельвинов (-273 0С = 0 К) сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и диэлектриков при снижении температуры растёт.
Материал |
Температурный коэффициент сопротивления ( на 1 0С ) |
Серебро |
0,0035 |
Медь |
0,004 |
Алюминий |
0,0042 |
Сталь |
0,0057 |
Железо |
0,006 |
Чугун |
0,001 |
Свинец |
0,0039 |
Вольфрам |
0,0048 |
Уголь |
0,005 |
Манганин (сплав Cu-85% , Mn-12% Ni-3 ) |
0,00003 |
Константан |
0,00005 |
Нихром ( сплав Cr-20%, Ni-80% ) |
0,0001 |
Сопротивление человека
Для расчёта величины силы тока, протекающего через человека при попадании его под электрическое напряжение частотой 50 Гц, сопротивление тела человека условно принимается равным 1 кОм. В реальности сопротивление человека не является омическим, так как эта величина, во-первых, нелинейна по отношению к приложенному напряжению, во-вторых меняется во времени, в третьих, гораздо меньше у человека, который волнуется и, следовательно, потеет и т. д.
Серьёзные поражения тканей человека наблюдаются обычно при прохождении тока силой около 100 мА. Совершенно безопасным считается ток силой до 1 мА. Удельное сопротивление тела человека весьма значительно (около 15 кОм). Поэтому опасные токи могут быть достигнуты только при значительном напряжении. Однако при наличии сырости сопротивление тела человека резко снижается и безопасным может считаться напряжение только ниже 12 В.
ЭДС и напряжение.
ЭДС ( электродвижущая сила Е ) – работа не электрических сил ( сторонних ) при перемещении единичного положительного заряда от одного зажима источника к другому, т.е. это работа сторонних сил, отнесённая к количеству электричества.
Для прямолинейного проводника перемещающегося в магнитном поле со скоростью v наводимая ЭДС равна :
Е=B
v
где В-магнитная индукция Тс; -длина проводника находящегося в магнитном поле; v-скорость перемещения проводника в магнитном поле.
Правило правой руки.
Направление ЭДС, наводимой при движении провода, можно определить, пользуясь правилом правой руки:
Если правая рука расположена так, что линии поля входят в ладонь, а отогнутый большой палец совпадает с направлением движения, то четыре вытянутых пальца показывают направление наводимой ЭДС.
Направление наводимой ЭДС — это то направление, в котором под ее действием в замкнутой цепи должен протекать ток.
Для гальванического элемента условно состоящего из двух разно полярных пластин ЭДС равна:
Е=Ɛ*d=Uabх (В)
Где Ɛ-напряжённость электрического поля; d-расстояние между пластинами; Uabх=φах-φbх -напряжение между пластинами равное разности потенциалов между выводами пластин в режиме холостого хода пластин.
Если частица с зарядом q переносится в электрическом поле вдоль некоторого пути, то действующие на неё силы поля совершают работу. Отношение этой работы к переносимому заряду представляет собой физическую величину, называемую электрическим напряжением. При перемещении частицы по пути силы поля совершают работу
Электри́ческое напряже́ние между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, совершаемой при переносе электрического заряда из точки A в точку B, к величине этого заряда.
(В)
Разность потенциалов между двумя точками цепи называют напряжением или падением напряжения.
U=φ1-φ2 (В)
Работа и мощность. КПД.
Возникновение ЭДС во всех источниках связано с работой сторонних сил по перемещению заряженных частиц.
Работа сторонних сил Ан равна энергии источника:
Aи=EQ=EIt (Дж, ВАс, Втс)
Работа совершаемая электрическим полем при перемещении положительного электрического заряда Q вдоль неразветвленного участка А-В электрической цепи, не содержащего источников электрической энергии, равна произведению этого заряда на напряжение
Для того чтобы сравнить различные источники, важно знать, какое количество энергии вырабатывают они в единицу времени.
Энергия, вырабатываемая в единицу времени, т.е. скорость преобразования энергии в источнике называется мощностью источника (скорость преобразования энергии в приёмнике называется мощностью приёмника).
