Введение

Человечество получает от природы энергию различных видов, а необходимость транспортировки ее на большие расстояния в виде тепла, света и других видов приводит к большим материальным затратам. Только электрическая энергия наиболее легко получается из других видов энергии, передается на значительные расстояния, преобразуется в другие виды энергии.

Указанные преимущества обеспечили широкое развитие и применение электротехники.

Электрическая энергия – это энергия электромагнитного поля. Единство электрического и магнитного полей, как и связь между электрическими и магнитными явлениями, установлены Ампером и Эрстедом, показавшими, что электрический ток сопровождается возникновением магнитного поля.

Наука про электромагнитные явления появилась с работы Гильберта, в которой он еще в 1600 г. связи между электрическими и магнитными явлениями не находил. Только в 1758 г. Эпинус сделал научный доклад о единстве электрической силы и магнетизма, а в 1785 г. Кулон получил опытным путем соотношения, которые характеризуют механические взаимодействия электрически заряженных тел и такие же взаимодействия магнитных масс полюсов магнитов.

Явление электромагнитной индукции было выявлено Фарадеем в 1831 г. Таким образом было доказано, что электрические явления могут возникать как следствие процессов, которые принадлежат к области магнитных явлений. Первым научным обобщением на уровне теории электромагнитного поля в 1873 г. стал «Трактат про электричество и магнетизм» Максвелла.

Электротехника и ее теоретические основы непрерывно развиваются, так как увеличивается длина линий электропередач; развивается радиотехника и телевидение; электроавтоматика; вычислительная техника; совершенствуется микроэлектронная техника и создание на ее основе устройств и аппаратов.

Теоретические основы электротехники (ТОЭ) подводят теоретическую базу под большое количество специальных электротехнических дисциплин и в значительной степени определяют качество подготовки инженера-электрика. Как дисциплина, ТОЭ построена на курсах физики и математики.

Содержание курсов ТОЭ определилось развитием лекций, прочитанных впервые в России академиком В.Ф. Миткевичем (Петербургский политехнический институт – 1904 г.) и членом корреспондентом Академии наук К.А. Кругом (Московское высшее техническое училище – 1905 г.). В 1916 г. вышел в свет первый учебник К.А. Круга «Основы электротехники». Предметом курса ТОЭ является изучение электромагнитных процессов, происходящих в электрических и магнитных цепях и полях. Строгий анализ этих процессов, описываемый системами уравнений в частных производных (уравнениями Максвелла), оказывается весьма трудоемким. Для инженерных расчетов возможен приближенный анализ на основе теории электрических и магнитных цепей. Описывают электромагнитные процессы интегральными скалярными величинами; ток и напряжение являются в общем случае функциями времени.

В теории цепей для учета процессов преобразования энергии вводятся идеальные элементы с двумя полюсами – выводами: индуктивность, учитывающая накопление энергии в магнитном поле; емкость, учитывающая запасание энергии в электрическом поле; активное сопротивление, учитывающее необратимое преобразование электромагнитной энергии в другие виды энергии; преобразование неэлектрической энергии в электромагнитную учитывается введением источников. Определенным образом соединенные элементы образуют электрическую цепь, которая приближенно отображает электромагнитные процессы в реальном устройстве.

Разумеется, не все электромагнитные процессы могут быть исследованы с помощью теории цепей. В частности анализ процессов при очень высоких частотах, определение параметров элементов цепей и т. п. могут производиться на основе методов теории поля.

Столетний опыт преподавания курса ТОЭ показывает, что первоначальная ориентация курса на первичность понимания особенностей электромагнитных процессов в рассматриваемом устройстве над формально-расчетными методами приобретает более важное значение. Развитие возможностей ЭВМ и их программного обеспечения в настоящее время и в перспективе таковы, что изучение расчетных методов для их развития перестает быть приоритетным. На первом плане – необходимость понимания сути изучаемых явлений и методических основ стандартных программных средств для оценки надежности полученных численных данных.

При изучении курса ТОЭ необходимо: вникнуть в суть физических явлений, происходящих в изучаемой системе или устройстве; хорошо усвоить методы анализа электрических и магнитных полей; научиться применять их для решения практических задач.

Поэтому необходима систематическая регулярная самостоятельная работа над курсом, обязательный разбор материала дома с решением задач как в виде специальных домашних расчетно-графических работ, так и задач из учебных пособий и задачников.

В настоящее время сложилась классическая дисциплина «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ), которая состоит из четырех частей:

1. Основные явления электромагнитного поля, применяемые в теории электрических цепей.

Здесь изложены общие понятия, явления и законы электромагнитных полей на основе программы курса физики.

2. Теория линейных электрических цепей.

Этот раздел посвящен особенностям линейных цепей постоянного и переменного токов и методам их расчета. Все элементы в этих цепях (резистор, индуктивность, емкость) имеют постоянный характер параметров и не зависят от величины тока, напряжения или магнитного потока. Режимы работы таких цепей описываются системой линейных алгебраических уравнений.

3. Теория нелинейных электрических и магнитных цепей.

Величины элементов в этих цепях (сопротивление, индуктивность, емкость) не постоянные и зависят от величины тока, напряжения или магнитного потока. Режимы работы таких цепей описываются нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Величины характеристик нелинейных элементов зависят от физических явлений, изучаемых в «Физике твердого тела».

4. Теория электромагнитного поля.

В этой части решаются задачи, которые не могут быть полностью рассмотрены при помощи теории цепей. Прежде всего, для расчета параметров электрических и магнитных цепей необходимо знать электрические и магнитные поля, связанные с этими цепями. Далее для решения задач по излучению электромагнитных волн антенной и распространению их в пространстве необходимо применять уравнения математической физики, содержащие операторы пространственного дифференцирования.

В этом учебном пособии рассматриваются вопросы первой и второй частей.

Первая часть пособия посвящена основным явлениям электромагнитного поля, применяемым в теории электрических цепей, что позволяет глубже освоить столь необходимые понятия для дальнейшего изучения курса «Теоретические основы электротехники».

Вторая часть пособия посвящена изучению основных понятий и законов теории электрических цепей, которые можно изучать на основе моделей электротехнических устройств, содержащих идеальные элементы. Пособие содержит иллюстрации и примеры расчетов величин идеальных индуктивностей, емкостей и взаимных индуктивностей.

Изучение теории линейных электрических цепей постоянного тока с сосредоточенными параметрами выполнено на основе общих явлений и законов электрических цепей, рассмотренных в предыдущих параграфах, содержащих большое количество примеров решения задач, вопросов и тестов для самопроверки и контроля усвоения знаний по каждой рассмотренной теме.

При составлении пособия обобщен опыт изложения данных тем в различных библиографических источниках и многолетний опыт преподавания дисциплины « Теоретические основы электротехники» на кафедре электрификации промышленных предприятий Приазовского государственного технического университета.

Содержание разделов пособия полностью соответствует программе курса «Теоретические основы электротехники».