- •Южно-Уральский государственный университет
- •Тема 1. Основные определения и законы
- •Электрический ток, электрическое напряжение, эдс, электрическое сопротивление, законы Ома и Джоуля-Ленца
- •Электрические цепи и их классификации
- •Вопросы к теме
- •Тема 2. Электрические цепи постоянного тока
- •2.1. Общие положения
- •2.2.Расчет сложной цепи постоянного тока
- •2.3.Последовательное и параллельное соединение сопротивлений
- •2.4.Электрическая энергия и работа. Мощность электрической цепи, баланс мощностей
- •2.5. Нелинейные цепи
- •Вопросы к теме
- •Тема 3. Однофазные электрические цепи синусоидального тока.
- •3.1. Синусоидальные ток, напряжение, эдс
- •3.2. Среднее и действующее значение переменного тока.
- •3.3.Векторные диаграммы.
- •3.4. Цепи с последовательным соединением элементов r l c.
- •3.5. Параллельное соединение, резонанс токов
- •3.5. Общий случай расчета
- •3.6. Мощность в цепи гармонического тока
- •3.7. Трехфазные линейные электрические цепи синусоидального тока
- •3.7.1 Трехфазный источник электрической энергии
- •3.7.2 Анализ электрических цепей при соединении трехфазного источника и приемника по схеме «звезда» с нулевым проводом
- •3.7.3 Соединение приемника по схеме «треугольник»
- •3.7. 4 Мощность трехфазной цепи
- •Контрольные вопросы к теме
- •Тема 4. Магнитное поле. Магнитные цепи
- •4.2. Свойства ферромагнитных материалов. Гистерезис
- •4.3. Две задачи расчета неразветвленных магнитных цепей с постоянными мдс
- •4.4. Катушка с ферромагнитным сердечником при гармонической намагничивающей силе
- •Контрольные вопросы к теме
- •Тема 5. Электрические машины переменного тока
- •5.1. Электрические трансформаторы
- •5.1.1. Общие сведения
- •5.1.2. Принцип действия электрического трансформатора
- •5.1.3 Работа электрического трансформатора в режиме холостого хода
- •5.1.4 Опыт короткого замыкания
- •5.1.5 Мощность потерь в трансформаторе, к.П.Д.
- •5.1.6. Автотрансформатор
- •5.2 Общие сведения об электрических машинах
- •5.2.1. Синхронная машина переменного тока
- •5.2.2. Асинхронный двигатель
- •Контрольные вопросы к теме
- •Тема 6. Машины постоянного тока
- •6.1 Общие понятия об устройстве машин постоянного тока и принципе их действия
- •6.2 Эдс обмотки якоря и электромагнитный момент
- •6.3.Реакция якоря машины постоянного тока
- •6.4. Искрообразование под щеткой
- •6.3. Классификация машин постоянного тока
- •6.4 Электрические двигатели постоянного тока
- •Из основного уравнения двигателя
- •6.5 Способы регулирования скорости двигателя постоянного тока
- •6.6 Пуск электродвигателей постоянного тока
- •Контрольные вопросы к теме
Министерство образования и науки Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Филиал в г. Кыштыме
Кафедра «Радиотехники»
621.3.я7
К176
Ю.Е. Калугин
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Тексты лекций (Базовая часть)
Кыштым
2012
Введение.
Цель курса "Электротехника и электроника" является овладение основами теоретических и практических знаний в области электротехники и электроники.
Без знания основных законов электротехники и электроники, принципов работы электротехнических устройств и электронных приборов невозможно овладеть избранной профессией и стать полноценным бакалавром. Помимо того, следует иметь в виду, что электротехника и электроника являются теоретической базой для ряда других дисциплин, а именно автоматики, вычислительной техники, технологического оборудования и т. п. Теоретические методы, которые разработаны в электротехнике и электронике с успехом применяются и в других инженерных дисциплинах.
Тема 1. Основные определения и законы
Электрический ток, электрическое напряжение, эдс, электрическое сопротивление, законы Ома и Джоуля-Ленца
Существует электрическое поле — это особый вид материи, возникающий вокруг заряженных тел или заряда. Поле проявляется по силовому действию на другие заряды. По характеру действия различаются положительные и отрицательные заряды. Заряд обозначается (q), измеряется в кулонах (Кл)
Для энергетической характеристики каждой точки электрического поля вводится понятие «потенциал». Обозначается потенциал буквой , измеряется в вольтах (В).
Электрический потенциал – работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1Кл) из данной точки в бесконечность или
Потенциал — скалярная величина.
Положительный заряд перемещается из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Между двумя точками с равными потенциалами заряд перемещаться не будет. Для перемещения заряда между двумя точками электрического поля должна быть разность потенциалов в этих точках.
Разность потенциалов между двумя точками – напряжение
.
Кроме того, напряжение между двумя точками электрического поля характеризуется энергией, затраченной на перемещение единицы положительного заряда между этими точками, т. е.
.
В природе существуют особые материалы – проводники, которые отличаются тем, что в своем составе имеют «свободные» заряды. Свободные в том смысле, что под действием поля они могут двигаться.
Такой проводник с сечением S изображен на рис. 1. Пусть на концах его появится разность потенциалов , тогда под действием поля заряды придут в направленное движение. При этом через сечение S за промежуток времени Δt сместится Δq. Отсюда имеем:
явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или вакууме называется электрическим током.
2)интенсивность этого процесса определяется силой тока ,измеряется в амперах (А)
Однако протекание тока быстро заканчивается, так как движущие заряды уравняют потенциалы и ток прекратится. Для того чтобы он существовал длительное время к проводнику подключают (снова с помощью проводников) источник тока. Этот источник тока за счет различных процессов (электрохимических, фотоэлектрических, вихревых) забирает заряды на концах проводника и переправляет навстречу электрическому полю. Такая работа источника квалифицируется как электродвижущая сила (ЭДС). За величину ЭДС принимается работа источника по перенесению единицы положительного заряда навстречу электрическому полю:
, измеряется в вольтах (В).
S
φ1 φφ φ2
Источник
тока
Рис. 1. Движение зарядов в проводнике и действие ЭДС
Рассмотрим еще один процесс.
Обычно проводники – металлы, имеющие кристаллическое строение. Узлы кристаллической решетки образуют положительные ионы, потерявшие электрон. При направленном движении электронов заряды испытывает взаимное притяжение (+ –), на это растрачивается часть энергии, то есть узлы кристаллической решетки отбирают часть энергии от движущихся электронов. Увеличение энергии ионов-узлов приводит к усилению их колебаний, что эквивалентно повышению температуры, следовательно, при протекании тока по проводнику, он нагревается.
Процесс рассевания энергии движущихся электронов на узлах кристаллической решетки называют электрическим сопротивлением. Обозначается R и измеряется в омах (Ом).
Приведем формулу электрического сопротивления длинного проводника
,
где l– длина проводника (м), S – сечение проводника (м2), ρ – удельное электрическое сопротивление (сопротивление проводника 1 м, сечением 1м2), значения удельного сопротивления для различных металлов можно найти в специальных справочных таблицах.
C сопротивлением связан и нагрев проводника при протекании по нему тока Количество выделенного тепла определяется законом Джоуля-Ленца: количества тепла, выделившееся в проводнике при протекании по нему тока, равно квадрату тока, сопротивлению и времени протекания, то есть в общем случае .
В свою очередь, данный закон обуславливает правило: если в какой либо части электромагнитного устройства выделяется тепло, то его можно отнести за счет существования электрического сопротивления.
Кроме того, электрическое сопротивление линейно связывает напряжение на концах проводника и ток по нему. Эту связь отражает закон Ома: ток в проводнике прямо пропорционален напряжению .