Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Учебное пособие.pdf
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ИМЕНИ В. Р. ФИЛИППОВА
Высшее образование
К.К. Бахрунов, М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Допущено Методическим советом Бурятской ГСХА в качестве
учебного пособия для обучающихся по направлениям подготовки
«Агроинженерия» направленность «Электрооборудование
и электротехнологии», «Тeплoэнeргeтикa и тeплoтeхникa»
направленность «Энeргooбeспeчeниe прeдприятий»
(уровень бакалавриата)
Улан-Удэ
Бурятская ГСХА
2024
УДК 621.3(07)
Б 306
Протокол методического совета ФГБОУ ВО «Бурятская государ-
ственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова»
№ 4 от 20 декабря 2023 г.
Авторы:
К.К. Бахрунов – кандидат технических наук, доцент кафедры
«Естественнонаучные дисциплины» ФГБОУ ВО Бурятская ГСХА;
М.Б. Балданов – кандидат технических наук, доцент кафедры
«Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» ФГБОУ
ВО Бурятская ГСХА;
Л.П. Шкедова – старший преподаватель кафедры «Электрифика-
ция и автоматизация сельского хозяйства» ФГБОУ ВО Бурятская
ГСХА.
Рецензенты:
Т.В. Еремина – доктор технических наук, профессор кафедры
«Экология, недропользование и безопасность жизнедеятельности»
ФГБОУ ВО ВСГУТУ;
Н.С. Хусаев – кандидат технических наук, доцент кафедры
«Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» ФГБОУ
ВО Бурятская ГСХА.
Бахрунов К.К.
Б 306 Электротехника и электроника: учебное пособие / К. К. Бахрунов,
М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова; ФГБОУ ВО «БГСХА имени В.Р.
Филиппова». – Улан-Удэ: Бурятская ГСХА, 2024. – 96 с. – (Высшее
образование).
Для эффективного усвоения курса обязательны базовые знания по
общей физике, математике в пределах вузовского уровня.
Учебное пособие подготовлено в соответствии с требованиями ФГОС
ВО по направлениям подготовки 35.03.06 Агроинженерия, направленность
«Электрооборудование и электротехнологии», 13.03.01 Теплоэнергетика и
теплотехника, направленность «Энергообеспечение предприятий». Может
быть рекомендовано для специальностей всех форм обучения, специализирующихся в смежных отраслях знаний.
УДК 621.3(07)
© К.К. Бахрунов, М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова, 2024
© ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная
академия имени В.Р. Филиппова», 2024
Введение
Качество подготовка специалистов определяется уровнем их
образования в области фундаментальных наук – физики, химии,
высшей математики [1-11], а также прикладных наук, таких как
электротехника и электроника, сопротивление материалов, материаловедение, численные методы расчета и знание современных программных средств проектирования и расчета [8].
Проблему недостаточной подготовки и адаптации студента на
1 курсе помогает изучение курса «Введение в профессиональную
деятельность», где сглаживаются пробелы, имеющие место быть и
образовавшаяся пропасть между школой и вузом [11,12]. В данном
курсе дается тот материал, который прежде всего будет необходим
на начальном этапе адаптации студента и плавный переход из фундаментальных областей в прикладные аспекты техники и естествознания с последующим углублением умений, знаний и навыков для
своей профессиональной деятельности в процессе обучения.
Конечно, эти пробелы необходимо устранять на начальном
этапе обучения, при поступлении, а лучше начинать понимать себя
еще со школы (профориентационная работа, кружки, самостоятельные работа, чтение научно-популярной и специальной литературы, репетиторство) или предоставлять наиболее полную информацию о будущей приобретаемой специальности и методах обучения, поднимая тем самым ее престиж.
В настоящее время недостаточно студенту давать материал на
основе «механического заучивания», важно и необходимо, чтобы
студент задавал вопросы (сам себе или преподавателю: как и почему?), необходимо «зажечь» студента, заинтересовать, выявить его
талант или скрытые резервы, создать условия и методы, средства
для самореализации. Во многом это определяется преподаванием,
талантом, методами и средствами преподавания.
С бурным развитием наноматериалов, нанотехнологий происходит интеграция наук, требующая применения физических методов исследования и математического аппарата в электротехнике и
электронике. С другой стороны, отсутствие промежуточного звена
между изолированными наночастицами и свойствами объемных
(массивных) кристаллических веществ долгое время не представлялось возможным. Из-за отсутствия промежуточного звена – компактного твердого тела с манометровыми зернами, но с получением твердого тела манометрового диапазона, такое стало возмож-
3
ным. Конечно, поведение и получение такого материала с зернами
манометрового диапазона – большой шаг на пути к изучению таких
наноматериалов. С другой стороны, представляет определенную
трудность в изучении, так как классические законы физики и химии нарушаются. Конечно, это ни коем случае не противоречит
основным законам, принятым в химии или физике, а наоборот, дополняет и даже способствует открытию новых областей в науке и
технике применительно к таким областям физики, как неравновесная термодинамика, некоторые разделы квантовой физики и др.
В настоящее время человек имеет дело с различными областями исследования в своей деятельности. Бурное развитие и всеобщая электрификация, электронизация вычислительных систем
(компьютеров), требует сферу знаний основ электротехники и
электроники, проникающие все сферы человеческой деятельности.
Контроль качества продукции является важным технологическим циклом химического и фазового состава. Борьба с коррозией
материалов и изделий из них, явления внутреннего трения в металлах, образование фаз, флуктуаций, явление электропроводимости и
теплопроводности в металлах, эффекты памяти формы, причины
изменения формы и размеров при деформации металлов и другие
явления требуют от специалиста глубокого понимания сущности
физических процессов. Познание физической природы движения
материи и ее механизмов предопределяет успех поиска путей их
решения.
В частности, специалисты с техническим образованием в своей
практической деятельности сталкиваются с различными задачами,
связанными с разработкой и применением электронных средств в
области обоснования и разработки энерго- и ресурсосберегающих
технологий.
В проблеме решения прочности, надежности, долговечности
не последнюю роль играет материаловедческий принцип, который
ставит актуальную техническую задачу: «как рассчитать свойство
композиции в зависимости от состава, концентрации его компонентов, упругих характеристик (если они имеются) и других внешних факторов и условий работы». Научившись понимать более
глубокую физическую сущность процессов поведения материалов
в реальных условиях в зависимости от нагрузок (статических, динамических, ударных, термических), влияние внешней среды (соли,
щелочи, кислоты, газовая, сульфидная коррозии и т.д.) с учетом
4
физических процессов и явлений по силам становится решать любые задачи не только в своей предметной области металловедения,
но и обладать широтой знаний, умений и навыков.
Указанные проблемы по силам решать всесторонне грамотным
специалистам, способным наряду с другими задачами разбираться
и самостоятельно ориентироваться в физико-химических вопросах.
С одной стороны, студенты изучают вопросы прочности,
надежности, долговечности несущих конструкций деталей машин и
механизмов, и закладывается прочный фундамент знаний и умений
при изучении таких курсов, как «Сопротивлению материалов»,
«Теоретическая механика». С другой стороны, прикладные науки
закладывают прочный фундамент основных понятий на стыке физических процессов: это тепловые явления, процессы теплопроводности и электропроводимости в металлах и сплавах.
Курс «Электротехника и электроника» обобщает и закладывает прочный фундамент в понимании физических процессов, электропроводности, теплопроводности, причины нагрева в проводниках, внутреннего трения в металлах, явлении сверхпроводимости.
Предлагаемый курс направлен на подготовку специалистов,
которым предстоит решать проблемы в различных сферах народного хозяйства и отраслях производства, базирующихся на знаниях
фундаментальных законов. Поэтому применение аппарата электротехника и электроника требуют глубокого понимания физического
смысла понятий и принципов, которые имеют место быть в металлах и сплавах [13].
Построение материала способствует самостоятельной работе
студентов, где основное внимание уделено тем понятиям и закономерностям, которые имеют место быть в данной области и могут
быть объяснены с позиции прикладной физики.
Несмотря на относительную молодость курса, ее аппарат является одним из наиболее отточенных инструментов научного анализа, который охватывает всю область человеческой деятельности.
Изучение электротехники и электроники несомненно связано с физикой (электростатикой, электромагнетизмом), ее глубоких идей,
строгой логической структуры, универсального аппарата исследования. Овладения ее методом и математическими средствами –
оказывает большое влияние на мыслительный процесс студента и в
значительный степени определяет уровень научной культуры.
Целью изучения дисциплины является понимание взаимосвязи
5
физических свойств с процессами получения, передачи, преобразования электрической энергии. Формированию глубокого мышления будущих специалистов в области электротехники и электроники связано с изучением явлений, протекающих в проводниках, полупроводниках и диэлектриках, в частности металлов, понимание
ее влияния на механические свойства, причины короткого замыкания, перегрузок, поведение при различных нагрузках, понимание
физических процессов теплопроводности, электропроводности,
основных важных физических свойств материалов: плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность и сверхпроводимость.
Важный критерий подготовки любой специальности – это кри-
терий ее престижности, что, несомненно, должно быть связано с
востребованностью на рынке труда и высокой заработной платой
будущих выпускников [14].
6
Тема 1. Основные понятия и определения электрических
2
21
F
R
qq ⋅
=
κ
цепей. Электрические заряды. Закон Кулона.
Напряжённость электрического поля. Электрический ток.
Закон Ома. Сопротивление. Проводники, диэлектрики
и полупроводники
Перейдем к понятию электростатические заряды, которые
имеют место при наэлектризации тел. При взаимодействии шелк и
янтарь, стекло и шерсть в обыденной жизни имеет место скопление
зарядов на поверхности другое тела.
За направление силовых линий электрического поля условно
считают положительное направление от положительных зарядов к
отрицательным зарядам [3]. На рисунке 1.1 видно, что силовые линии начинаются на положительном заряде и уходят в пространство
(бесконечность) и наоборот, для отрицательного заряда начинаются с бесконечности и замыкаются на заряде. Для двух разноимённых зарядов характер силовых линий концентрируется между разноименными зарядами. Силовые линии характеризуются напряжённостью электрического поля, описание которого будет дано
ниже.
Рис. 1.1. Силовые линии электрического поля
Сформулируем закон Кулона, который установил, что сила
взаимодействия зависит от расстояния между телами и от величины их электрических зарядов.
, (1.1)
где F – сила взаимодействия;
k – множитель, зависит от выбора системы единиц измерения и от
свойств среды, в которой находятся взаимодействующие заряды.
Основными объектами исследования в курсе электротехни-
7
ки и электроники являются электрические цепи, которые состоят из
q
F
= E
dt
dq
= dI
R
U
= I
источников, проводников и потребителей.
Электрический ток представляет собой упорядоченное
движение (точнее колебание) свободных носителей зарядов.
Из курса физики [3] известно, что электрический ток можно
представить состоящим из двух составляющих:
i = i
+ iсм , (1.1а)
п
где i – полный ток; i
движением носителей заряда; i
– ток проводимости, обусловленный
п
– ток смещения, вызванный изме-
см
нениями электрического смещения D.
Электрическое смещение D характеризует способность ве-
ществ к поляризации и определяется напряженностью электрического поля Е.
Для большинства веществ
D = ε
Е,
а
где ε
– абсолютная диэлектрическая проницаемость.
а
Напряженность электрического поля Е есть величина, измеряемая
силой F, действующей в данной точке поля на единичный положительный заряд q:
(1.2)
Напряженность электрического поля измеряется в вольтах,
деленных на метр (В/м).
Ток проводимости определяется скоростью изменения
электрического заряда во времени
, (1.3)
где dI – ток проводимости, измеряется в амперах (А); dq –
перемещаемый заряд, измеряется в кулонах (К); dt – время, измеряется в секундах (сек.)
Сформулируем закон Ома. Ток на участке электрической
цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален его сопротивлению без ЭДС.
, (1.3а)
Из уравнения закона Ома видим, что напряжение равно
произведению силы тока на сопротивление. Однако это утвержде-
8
ние нуждается в уточнении. Применяя один и тот же источник то-
( )
rRI +⋅= Е
S
l
⋅=ρ R
ρ
ка, замыкая его полюсы различными сопротивлениями, сила тока
естественно при каждом опыте будет разной. Оказывается, что и
произведение силы тока на сопротивление I·R не остается одним и
тем же. При этом по мере увеличения сопротивления произведения
I·R стремится к некоторой постоянной величине.
Обозначая предел через Е, находим формулу, не совпадающую с той, которая был установлена прямыми измерениями силы
тока и напряжения. Формула (1.3а) принимает вид
(1.3б)
При измерении калориметрическим способом измерения
относилось только к проводнику, замыкающему аккумулятор. Дополнительно тепло ведь еще выделяется и в самом аккумуляторе
(достаточно дотронуться до аккумулятора, чтобы в этом убедиться).
В электрических цепях существуют оба вида токов. Ввиду
малости токов смещения в пространстве, окружающем соединительные проводники и элементы электрической цепи, этими токами
в большинстве случаев пренебрегают, считая, что все токи смещения сосредоточены в элементах цепи. Известно также [3], что ток
смещения в конденсаторе равен току проводимости проводника,
соединенного с этим конденсатором. Учитывая отмеченные выше
допущения, в дальнейшем изложении ток в электрической цепи
будем понимать, как ток проводимости.
Электрическим сопротивлением является соотношение
(1.4)
где
риала проводника, l – длина проводника, S – площадь поперечного
сечения проводника. Протекание тока в проводниках представляет
сложный процесс и связан с нагреванием проводника вследствие
возникновения теплоты и совершении работы, которую он выполняет в процессе преобразованием, передачей, более подробно ознакомимся с этим ниже.
– удельное электрическое сопротивление и зависит от мате-
Преобразуя закон Ома, можно записать его в таком виде
9
⋅
=ρ I
l
U
⋅=
ρ
1
Ј
dq
d
ω
=u
q
ω
ϕ
=
(1.4а)
lSU⋅
На практике приходится часто иметь дело с отношением
силы тока к площади сечения проводника. Его называют плотностью тока и обозначают Ј. Тогда формула примет вид
Прохождение электрического тока в электрической цепи
связано с преобразованием или потреблением энергии. Количество
энергии, затрачиваемой на перемещение единицы заряда на участке цепи из одной точки проводника в другую, называется напряжением:
, (1.4б)
где u – напряжение, измеряемое в вольтах (В); ω – энергия, измеряемая в джоулях (Дж).
Напряжение на участке цепи можно рассматривать как разность электрических потенциалов на концах этого участка:
u
= φ1 – φ2, (1.5)
12
где ϕ
– потенциал первой точки участка цепи; ϕ2 – потен-
1
циал второй точки участка цепи.
Электрическим потенциалом называется величина, определяемая отношением потенциальной энергии заряда в данной точке
электрического поля к величине этого заряда [16]:
, (1.6)
где ω – потенциальная энергия заряда; q – величина этого заряда.
Используя выражение (1.6) можно получить выражение энергии,
затраченной на перемещение заряда q на участке цепи с напряжением u к моменту времени t:
10