МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

К.С. Степанов, В.Н. Гуляев, Л.В. Белова

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Конспект лекций по курсу

Часть 1

Рекомендовано Учёным советом Нижегородского

государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

в качестве учебного пособия для студентов всех направлений и всех форм обучения

Нижний Новгород

2016

УДК 621.3.012(075.5)

Р е ц е н з е н т

Доктор технических наук, профессор О.С. Хватов

Степанов К.С., Гуляев В.Н., Белова Л.В.

Электротехника и основы электроники конспект лекций по курсу: учеб пособие / К.С. Степанов, В.Н. Гуляев, Л.В. Белова. Нижегород. Гос. Техн. ун-т им Р.Е. Алексеева, 2016.-126 с.

В методическом пособии изложены: история развития электротехники, основные законы её и методы расчёта электрических цепей, принцип действия электрических цепей на переменном токе, при переходных процессах, приведены контрольные вопросы и задачи по темам.

Предназначено для студентов всех специальностей всех форм обучения.

Рис.

© Нижегородский государственный

технический университет

им Р.Е.Алексеева, 2016

Лекция 1.

История развития электротехники.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее эффективной системой обновления знаний является гибкая, непрерывная на протяжении всей жизни, система самообразования и повышения квалификации. Полноценный современный специалист должен обладать способностью параллельно заниматься самообразованием как в области общетеоретических, так и специальных знаний, только тогда он сможет изыскивать эффективные пути взаимодействия с техникой будущего.

При этом человек должен помнить, что ОН – «частица биосферы» и «частица ноосферы». Свое бытиё Он должен приспосабливать к законам ноосферы. По образному выражению академика В.И. Вернадского, которое он сформулировал ещё в начале прошлого века, необходимо не покорение природы, а совместное гармоническое развитие природы и общества, иначе человечеству просто не выжить.

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электротехнике, которая, включает в себя три основных раздела: Теоретические основы электротехники (ТОЭ), Электрические машины (ЭМ) и Электронику.

Современное определение электротехники.

Электротехника - область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для осуществления процессов преоб­разования энергии и превращения вещества, а так же для передачи сигна­лов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя направлениями: информационное, технологическое и энергетическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение для научно-технического прогресса.

В развитии электротехники и электроники можно выделить следующие 8 этапов:

I этап: до 1800г. - становление электростатики. К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследование атмосферного электричества, зарождение электромедицины (опыты Гальвани), открытие закона Кулона и закона сохранения энергии.

Рис1.1. Лягушка, препарированная для опытов с электрофорной машиной и лейденской банкой. Рисунок из трактата Гальвани

В 1744 г. М.В. Ломоносов писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает.»

Соответствующие труды М.В. Ломоносова находились в забвении до 1904 г., а будучи опубликованы в России, не могли проникнуть в Западные лаборатории, поэтому позднее А.Л. Лавуазье повторно и независимо от М.В. Ломоносова открыл закон сохранения вещества.

Выдающийся ученый – энциклопедист М.В. Ломоносов был первым в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. В 1745 г. был разработан первый электроизмерительный прибор «электрический указатель» Георгом Вильгельмом Рихманом, который погиб 25 июня 1753 г., во время сильной грозы при проведении опыта с «грозовой машиной».

Рис. 1.2. Портрет М.В.Ломоносова

II этап: 1800-1830г.г. - закладка фундамента электротехники и её научных ос­нов. Начало этого периода ознаменовано получением «Вольтова столба» - первого электрохимического генератора постоянного тока. Затем была создана «Огромная наипаче батарея» Василия Владимировича Петрова, с помощью которой была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. В этот период были открыты важнейшие законы: Георга Симона Ома, Жана Батисто Био и Феликса Савара, Андре Мари Ампера и была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. Был создан прообраз электродвигателя.

Рис. 1.3. Вольта демонстрирует перед Наполеоном свое изобретение - Вольтов столб. Художник Дж. Бертини. 1801 год.

III этап: 1830-1870г.-зарождение электротехники. Самым значительным событием этого периода было открытие явления самоиндукции Майклом Фарадеем и создание пер­вого электромагнитного генератора (на основании ЭМИ). В этот период формулируются законы Ленца, Кирхгофа, разрабатываются различные конструкции электрических машин и измерительных при­боров, зарождается электроэнергетика. Однако широкое практическое применение электроэнергии в хозяйстве и быту сдерживалось отсутствием экономичного электрического генератора.

IV этап: 1870-1890г.- становление электротехники как самостоятельной отрасли техники.

В этот период создаётся первый промышленный генератор с самовозбуждением (динамо-машина), что привело к созданию новой отрасли электротехники «Электрические машины». Организуются производства с использованием электро­энергии. С развитием промышленности, ростом городов возникает потребность в электрическом освещении. Начинается строительство «домовых» электростанций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром и всё более остро ощущается потребность в централизованном производстве и экономичной передаче электроэнергии. На постоянном токе эту проблему решить нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. В это время Павел Николаевич Яблочков изобрёл электрическую свечу и была разработал схему дробления постоянного электрического тока при помощи индукционных катушек, представляющих собой трансформатор с разомкнутой магнитной системой. В середине 80-х годов началось серийное производство однофазных трансформа­торов с замкнутой магнитной систеиой (Макс дёрн, Отто Блати, К Циперновский) и строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развитие производства требовало комплексного решения проблемы экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надёжного электродвигателя. Эта проблема была решена на основе многофазных, в частности 3-х фазных систам.

V этап: 1891 –1920 гг. – становление и развитие электрификации.

Предпосылкой развития 3-х фазной системы явилось открытие в 1988 г. явления вращающегося магнитного поля. 3-х фазная система оказалась наиболее рациональной. В развитие этой системы внесли вклад многие учёные разных стран, но наибольшая заслуга принадлежит русскому учёному Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому, создавшему 3-х фазные синхронные генераторы, асинхронные двигатели и трёхфазные трансформаторы. Убедительным преимуществом 3-х фазных цепей было строительство трёхфазной линии электропередачи между немецкими городами Лауфеном и Франктфуртом при активном участии М.О.Доливо-Добровольского.

Расширяются исследования явлений, протекающих в цепях синусоидального тока с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную роль в анализе процессов в таких цепях сыграл комплексный метод расчёта, предложенный 1893-1897гг. Чарльсом Протеусом Штейнмецом. Теоретические основы электротехники становятся базовой дисциплиной в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

VI этап: 1920 – 1940гг. – зарождение электроники: электровакуумные приборы, триод, диод. 1923г. – Лосев создал первый полупроводниковый диод – кристадин, который мог работать в режиме генератора высокочастотных колебаний. Выделилась радиотехника как самостоятельная наука.

VII этап: 1940 – 1970гг. – зарождение информатики: построение электронно - вычислительных машин.

VIII этап: 1970г. - по настоящее время – информатика как самостоятельная наука.

(Лекция подготовлена на основе книги «Очерки по истории электротехники» О.Н.Веселовский, Я.А.Шнейберг., М. МЭИ, 1993г.

Также рекомендую ознакомиться с книгой «Становление и развитие электротехники и электроэнергетики» , Б.В.Папков, Нижний Новгород, «Кварц» 2011г.)

Тестовые вопросы по теме лекции

1. Определение науки «Электротехника».

2. Сколько этапов можно выделить в истории развития Электротехники?

3. Время окончания первого этапа.

4. Закон сохранения материи и количества движения по Ломоносову М.В. – определение.

5. Какие учёные работали на первом этапе развития электротехники?

6. Начало и окончание второго этапа развития электротехники.

7. Какие учёные работали во время второго этапа?

8. Основные законы электротехники, открытые во втором этапе развития.

9. Начало и окончание третьего этапа развития электротехники.

10. Какие учёные работали во время третьего этапа?

11. Основные законы электротехники, открытые в третьем этапе развития.

12. Начало и окончание четвёртого этапа развития электротехники.

13. Какие учёные работали во время четвёртого этапа?

14. Основные законы электротехники, открытые в четвёртом этапе развития.

15. Начало и окончание пятого этапа развития электротехники.

16. Какие учёные работали во время пятого этапа?

17. Основные события в области электротехники, произошедшие на пятом этапе развития.

18. Начало и окончание шестого этапа развития электротехники.

19. Какие учёные работали во время шестого этапа?

20. Основные события электротехники, произошедшие в шестом этапе.

21. Начало и окончание седьмого этапа развития электротехники.

22. Какая наука зародилась во время седьмого этапа?

23. Начало восьмого этапа развития электротехники.

Лекция 2.

Основные понятия и определения в электротехнике.

Электрическая цепь – совокупность источников электрической энергии, линий электропередач и электроприемников. Для анализа и синтеза электрических цепей вводят понятия: электродвижущей силы (ЭДС), обозначается Е; напряжения, обозначается U (Е и U измеряются в Вольтах [B]); тока (I) измеряется в Амперах [A]; сопротивления R, [Ом]; величины, обратной сопротивлению - проводимости (G) измеряется в Сименсах [См] (R=1/G); индуктивности L , единица измерения Генри [Гн]; емкости С, единица измерения Фарада [Ф]. На схемах вышеперечисленные элементы обозначаются следующим образом:

активные сопротивление и проводимость - , ,

индуктивность - ,

емкость - ,

источник ЭДС - ,

источник тока - .

Положительным направлением тока называется направление, в котором перемещают положительно заряженные частицы или направление, противоположное движению электронов.

Источники электроэнергии.

Реальный источник электроэнергии обладает внутренним сопротивлением больше нуля и в электротехнике представляется в виде двух вариантов – источник ЭДС и источник тока.

У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление равно нулю. У идеального источника тока R_ВН = ∞, т.е. чем выше R_ВН , тем ближе источник тока к идеальному (рис. 2.1).

Реальный источник обладает внутренним сопротивлением.

а), б).

Рис. 2.1. Эквивалентная схема реального источника ЭДС - (а) и его вольтамперная характеристика (ВАХ) - (б).

а), б).

Рис. 2.2. Эквивалентная схема реального источника тока - (а), и его вольтамперная характеристика (ВАХ) - (б).

Источник тока можно получить из источника ЭДС, если параллельно источнику тока включить сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника ЭДС. Соответственно значение тока источника тока определяют по формуле I=E/ R_ВН (рис. 2.2).

Узел электрической цепи - это точка, в которой соединены 3 или более ветвей (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Обозначение узла электрической цепи.

Ветвь электрической цепи – участок цепи, расположенный между двумя узлами, состоящий из одного или нескольких последовательно соединенных электрических элементов. По ветви течет один и тот же ток (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Обозначение ветви электрической цепи.

Замкнутым контур электрической цепи называют путь, проходящий через несколько ветвей и узлов разветвленной электрической цепи (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Обозначение контура электрической цепи.

Основные законы электротехники.

Закон Ома для участка цепи, несодержащего ЭДС.

R

Под напряжением на зажимах цепи понимают разность потенциалов между крайними точками ветви. Ток течет от большего потенциала к меньшему.

φ₁ > φ₂ U₁₂ = φ₁- φ₂

I = U₁₂/R = (φ₁- φ₂)/R

Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС.

R

3

I = U₁₂/R = (φ₁- φ₂)/R

φ₂ = φ₃ - E

φ₁ – φ₃ = U+E

Из этого следует: I = ( φ₁ – φ₃ –E)/R = (U₁₃-E)/R.