Общая электротехника и электроника

Д.В.Озёркин

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация

транспортного радиооборудования»

ТОМСК 2012

2

Рецензент: заведующий кафедрой «Конструирования и производства радиоаппаратуры», д.т.н. Татаринов В.Н.

Технический редактор: доцент кафедры КИПР ТУСУР, к.т.н. Озёркин Д.В.

Озёркин Д.В.

Общая электротехника и электроника. Компонент кафедры КИПР. Учебное пособие для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 187 с.

Структура учебного пособия состоит из двух глав: «Основы теории электромагнитного поля» и «Основы электроники». Глубина рассмотрения учебного материала в этих двух главах неравнозначная. В первой главе «Основы теории электромагнитного поля», учитывая ее фундаментальный характер, дана более глубокая проработка вопросов с привлечением математического аппарата матриц, дифференциального и интегрального исчисления.

Во второй главе «Основы электроники» в изложении материала намеренно отсутствуют сложные математические модели, выводы формул, доказательства теорем и т.д. Изложение тем второй главы носит, как правило, качественный характер: определения, классификации, краткое рассмотрение наиболее распространенных видов элементной базы электронных устройств, анализ структурных схем, словесно-описательный анализ электрических схем. Глубокая проработка тем второй главы предусмотрена учебным планом в дисциплине «Схемотехника» в 5…7 семестрах.

Озёркин Д.В., 2012 Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники,

2012

1.5Численные методы расчета электромагнитных полей при

1.6Современные пакеты прикладных программ расчета

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 2001 году вступил в действие очередной Государственный образовательный стандарт ГОС ВПО 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования». В перечне общепрофессиональных дисциплин указанного образовательного стандарта «Электротехника и электроника» (ОПД.Ф.04) представлена в виде двух частей: «Теоретические основы электротехники» (ОПД.Ф.04.01) и «Общая электротехника и электроника» (ОПД.Ф.04.02). По согласованию заведующих кафедр ТОЭ и КИПР, преподаватели которых обеспечивают, соответственно, две части дисциплины «Электротехника и электроника», ряд дидактических единиц был перемещен по сравнению с исходным вариантом. Связано это с историческими традициями преподавания тех или иных разделов электротехники и электроники. В результате перечень дидактических единиц компонента ОПД.Ф.04.02, обеспечиваемый кафедрой КИПР, стал состоять из 19 наименований и включать следующие понятия:

-теория электромагнитного поля;

-цепи с распределенными параметрами (установившийся и переходный режимы);

-поверхностный эффект и эффект близости;

-электромагнитное экранирование;

-численные методы расчета электромагнитных полей при сложных граничных условиях;

-современные пакеты прикладных программ расчета электромагнитных полей на ЭВМ;

-элементная база современных электронных устройств;

-электровакуумные и газоразрядные приборы;

-полупроводниковые элементы;

-источники вторичного электропитания;

-устройства питания электронной аппаратуры;

-усилители электрических сигналов;

-электронные усилители и генераторы;

-элементы импульсной техники;

-импульсные и автогенераторные устройства;

-цифровые (дискретные) цепи и их характеристики;

-основы цифровой схемотехники и микроэлектроники;

-микропроцессорные средства;

-электрические измерения и приборы.

Как видно из приведенного перечня «Общая электротехника и электроника» охватывает чрезвычайно широкий круг вопросов, которые студенту необходимо освоить в ограниченное время – общая трудоемкость дисциплины 130 часов.

5

Для решения противоречия «широкий круг вопросов – ограниченное время изучения» автор при написании настоящего учебного пособия использовал несколько положений, которые следует пояснить.

Содержание учебного пособия практически полностью повторяет приведенный выше перечень дидактических единиц. Добавлен небольшой раздел об уравнениях Максвелла в проводящей среде для того, чтобы организовать логический переход к темам «Поверхностный эффект» и «Эффект близости».

Вообще структура учебного пособия состоит из двух глав: «Основы теории электромагнитного поля» и «Основы электроники». Следует заметить, что глубина рассмотрения учебного материала в этих двух главах намеренно неравнозначная. В первой главе «Основы теории электромагнитного поля», учитывая ее фундаментальный характер, дана более глубокая проработка вопросов с привлечением математического аппарата матриц, дифференциального и интегрального исчисления. В идеале для изучения тем первой главы можно воспользоваться учебниками [1-3]. Последний раздел первой главы носит информационно-ознакомительный характер и отражает состояние вопроса на момент написания учебного пособия (лето 2007 года).

Во второй главе «Основы электроники» автор постарался в изложении материала избегать сложных математических моделей, выводов формул, доказательств теорем и т.д. Сделано это по двум причинам. Во-первых, как уже было сказано выше, объем учебных часов по дисциплине лимитирован. Вовторых, глубокая проработка тем второй главы предусмотрена учебным планом в дисциплине «Схемотехника» в 5…7 семестрах.

Таким образом, изложение тем второй главы носит, как правило, качественный характер: определения, классификации, краткое рассмотрение наиболее распространенных видов элементной базы электронных устройств, анализ структурных схем, словесно-описательный анализ электрических схем. Для глубокого рассмотрения тем второй главы можно рекомендовать

[10, 19].

В тексте учебного пособия встречается большое количество аббревиатур. Несмотря на то, что первое появление аббревиатуры в тексте расшифровывается, студентам бывает затруднительно сразу запомнить их. Специально для этого в конце учебного пособия приведен список принятых сокращений.

6

1ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

1.1Основные положения теории электромагнитного поля

Под электромагнитным полем понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимосвязанных и взаимообусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле может существовать при отсутствии другого вида материи – вещества, характеризуется непрерывным распределением в пространстве (электромагнитная волна в вакууме) и может проявлять дискретную структуру (фотоны). В вакууме поле распространяется со скоростью света, полю присущи характерные для него электрические и магнитные свойства, доступные наблюдению.

Электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды. Силовое воздействие положено в основу определения двух векторных величин, описывающих поле: напряженности электрического поля E (В/м) и индукции магнитного поля B (В с/м2). На заряд q (Кл), движущийся со скоростью v в электрическом поле напряженности E и магнитном поле индукции B , действует сила Лоренца:

F qE q vB .

Электромагнитное поле обладает энергией, массой и количеством движения, т.е. такими же атрибутами, что и вещество. Энергия в единице объема, занятого полем в вакууме, равна сумме энергий электрической и магнитной компонент поля и равна:

магнитная постоянная, Гн/м. Масса электромагнитного поля в единице объема равна частному от деления энергии поля WЭМ на квадрат скорости распространения электромагнитной волны в вакууме, равной скорости света. Несмотря на малое значение массы поля по сравнению с массой вещества, наличие массы поля указывает на то, что процессы в поле являются процессами инерционными. Количество движения единицы объема электромагнитного поля определяется произведением массы единицы объема поля на скорость распространения электромагнитной волны в вакууме.

Электрическое и магнитное поля могут быть изменяющимися и неизменными во времени. Неизменным в макроскопическом смысле электрическим полем является электростатическое поле, созданное совокупностью зарядов, неподвижных в пространстве и неизменных во времени. В этом случае существует электрическое поле, а магнитное отсутствует. При протекании

7

постоянных токов по проводящим телам внутри и вне их существует электрическое и магнитное поля, не влияющие друг на друга, поэтому их можно рассматривать раздельно. В изменяющемся во времени поле электрическое и магнитное поля взаимосвязаны и обусловливают друг друга, поэтому их нельзя рассматривать раздельно.

Электромагнитные поля могут быть описаны интегральными или дифференциальными соотношениями. Интегральные соотношения относятся к объему (длине, площади) участка поля конечных размеров, а дифференциальные – к участку поля физически бесконечно малых размеров. Они выражаются операциями градиента, дивергенции, ротора (операции grad, div и rot в различных системах координат изучаются в курсе «Высшая математика»). В макроскопической теории поля описывают свойства поля, усредненные по бесконечно малому физическому объему и во времени. Этот объем в отличие от математически бесконечно малого объема может содержать большое число атомов вещества. Дифференциальные уравнения макроскопической теории поля не описывают поля внутри атомов, для чего служат уравнения квантовой теории поля.

В электростатическом поле поток вектора напряженности электрического поля E через замкнутую поверхность (рисунок 1.1) равен свободному заряду , находящемуся внутри этой поверхности, деленному на 0 r (теорема Гаусса):

0 r

где dS – элемент поверхности, направленный в сторону внешней нормали к объему; r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Рисунок 1.1 – Поток вектора напряженности электрического поля

В дифференциальной форме теорема Гаусса записывается так:

0 r

где – объемная плотность свободного заряда, Кл/м3.

Переход от (1.1) к (1.2) осуществляют делением обеих частей (1.1) на объем V, находящийся внутри поверхности S, и стремлении объема V к нулю.

Физически div E означает исток вектора в данной точке.

где а = 0 r – абсолютная диэлектрическая проницаемость; r = 1 + .

В стационарном неизменном во времени электрическом поле в проводящей среде в смежные моменты времени распределение зарядов одинаково, поэтому для этого поля справедливо определение разности потенциалов по формуле:

EСТОР разделяет заряды внутри источника, она обусловлена химическими, электрохимическими, тепловыми и другими процессами не электростатического происхождения и направлена встречно EПОТ . В электромагнитном

поле могут протекать электрические токи. Под электрическим током понимают направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов. Ток в

некоторой точке поля характеризуется своей плотностью j (А/м2). Известны три вида тока: ток проводимости (плотность его jПР ), ток смещения (плотностью jСМ ) и ток переноса (плотностью jПЕР ). Ток проводимости протекает в проводящих телах под действием электрического поля, плотность его пропорциональна E :