Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

С.М. Огінська

Конспект лекцій ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА МАГНІТНИХ КІЛ Кола постійного струму

для студентів інституту комп 'ютерних систем з базової підготовки за напрямком 0915 - Комп'ютерна інженерія

Одеса 2013

Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

С.М. Огінська

Конспект лекцій ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА МАГНІТНИХ КІЛ Кола постійного струму

для студентів інституту комп 'ютерних систем з базової підготовки за напрямком 0915 - Комп'ютерна інженерія

Затверджено на засіданні Кафедри ТОЗЕ

Протокол @5 від 8 лютого 2013р.

Одеса 2013

Конспект лекцій з дисципліни “Теорія електричних та магнітних кіл” для студентів інституту комп'ютерних систем з базової підготовки за напрямком 0915 - Комп'ютерна інженерія. - Одеса: ОНПУ, 2013. - 49с.

Укладач: Огінська С.М.

Рецензенти: Яковлев О.В., канд.техн.наук, доц.,

Маєвський Д.А., канд.техн.наук,доц.

У даному конспекті лекцій наведено основні формулювання, визна-чення, поняття і закони теорії електричних кіл. Розглянуто властивості електричних кіл, а також методи їхньго розрахунку при дії джерел постійного, змінного струмів та напруг. Проаналізовано найважливіші для практичного застосування явищ резонансу і взаємоіндукції. В лекціях наведені приклади розв’язання задач та питання для самоперевірки засвоєння матеріалу. Рекомендовані підручники для поглибленого вивчення матеріалу лекцій.

Конспект лекцій призначений для студентів з базової підготовки за напрямком 0915 - комп'ютерна інженерія, 0914 - комп’ютеризовані системи та автоматичне управління.

Зміст

Стор

Є = ф ЄНІ. 7

С) 30

5і 54

и 56

я, + я4 63

Зміст лекції - призначення та місце дисципліни ТЕК; зміст дисципліни; визначення законів фізики, які використовуют ься в дисципліні ТЕК.

Мета лекції - визначити навчал ьні задачі та обсяг матеріалу, який необхідно вивчити.

Енергія - головна цінність суспільства, яка необхідна для його існування. Чим більший рівень використання енергії, тим краще живе його народ.

Зараз ми вже не мислимо своє життя без використання електричної енергії. Електрика стала основою прогресу, невід’ємною частиною технічних досягнень та наукових теорій, що роз’яснюють як побудований світ. Більшість явищ, що відбуваються в нашому світі, керуються магнітними та електричними силами.

Крім них, наука знає лише сили інерції, сили всесвітнього тяжіння (гравітаційні сили) та сили, що діють в середині атомного ядра.

Ядерні сили мають малий радіус дії - їхній вплив не розповсюджується за межі ядра. Гравітаційні сили на атом діють слабо - він дуже легкий, щоб відчувати тяжіння Землі. Лише електромагнітні сили успішно беруть участь у взаємодії атомів та молекул. Від них залежить побудова молекул та атомів, їхній взаємний вплив, хід усіх хімічних перетворень, структура кристалів, властивості різних фізичних тіл.

Вік електрики - це не тільки потужні мотори та генератори, комп’ютери, найточніші вимірювальні прилади, але ще й новий світогляд на природу багатьох явищ, що зумовлені взаємодією електромагнітних полів.

А почалося все з янтарної паличці. Навіть сама назва - електрика - виникла від грецької назви янтарю - “electrone”. Наскільки вузьким вважалося спочатку поняття “електрика”. Зате потім ці рамки так розширилися, що в них вмістився весь світ.

1. Призначення, місце та зміст дисципліни тек

Використання нових приладів, зв’ язаних з електронною технікою, вимагає від бакалаврів, спеціалістів та магістрів серйозної електротехнічної підготовки, фундаментом якої є теорія електричних та магнітних кіл (ТЕК).

Основне завдання електротехніки - виробництво і передача електричної енергії, перетворення її в інші види енергії.

В електроніці розв’язується велике коло задач, які пов’язані з використанням електричних та магнітних явищ для передачі та обробки інформації.

Після вивчення дисципліни ТЕК студенти повинні

знати: методи аналізу усталених і перехідних процесів у лінійних електричних колах з зосередженими та з розподіленими параметрами; енергетичні процеси в електричних колах; особливості перебігу електромагнітних процесів у нелінійних електричних та магнітних колах і методи їхнього розрахунку;

вміти: розраховувати усталений режим в лінійному електричному колі, в якому діють джерела постійних, синусоїдних або періодичних несинусоїдних сигналів; розраховувати перехідний процес в лінійному електричному колі; розраховувати нелінійне електричне та магнітне коло графічним або чисельним методом; застосовувати сучасну ЕОМ для розрахунку електричних та магнітних кіл; здійснювати науковий експеримент і узагальнювати його результати; використовувати електровимірювальну апаратуру.

Дисципліна ТЕК викладається протягом 2-х семестрів.	Лекції	Практичні заняття	Лабораторні заняття	РГР
3-й семестр	54 год	18 год	18 год	2 РГР
4-й семестр	54 год	18 год	18 год	2 РГР

Підсумкова форма рейтингового контролю в кожному семестрі - іспити.

При вивченні дисципліни будуть розглянуті такі питання:

• електричні кола, їхні параметри; топологічні поняття схем;

• методи розрахунку кіл при усталених постійних та синусоїдних струмах;

• резонансні явища та частотні характеристики;

• основи теорії чотириполюсників;

• розрахунок трифазних кіл;

• електричні кола несинусоїдного періодичного струму;

• перехідні процеси в електричних колах зі зосередженими параметрами і методи їхнього розрахунку;

• елементи теорії нелінійних електричних та магнітних кіл;

• розрахунок усталених синусоїдних режимів та перехідних процесів у колах з розподіленими параметрами.

2. Визначення законів фізики, які використовуються в дисципліні тек

Різноманітні електротехнічні і електронні пристрої являють собою системи заряджених тіл і контурів зі струмами, які взаємодіють один з одним. Електромагнітні явища, які діють в таких системах, визначаються як процесами в заряджених тілах і провідних контурах зі струмом, так і фізичними процесами в навколишніх середовищах, в яких розповсюджується електромагнітне поле, що характеризується векторами

електричної Е і магнітної н напруженості.

Процеси в електромагнітних полях описуються рівняннями Максвелла, які вивчаються в курсі фізики.

Електромагнітне поле є носієм енергії, яка для деякого об’єму V має значення:

W „ = |^ау+|

V ² у ²

де Є_а = Є Є₀, ос_а = ос х - абсолютна електрична та магнітна проникність середовища;

в ₀ = 8.854-10-¹²Р/ш; = 1.257 •10“⁶И/ш - електрична та магнітна

проникність пустоти;

Є = Є_а / Є₀; х= х / X - відносні електрична та магнітна проникність середовища.

У загальному випадку електромагнітні властивості середовища враховуються в рівняннях Максвелла.

Перше рівняння Максвелла

1| наі=І іст

і 8

встановлює зв’язок між магнітним полем і його джерелом - густиною і електричного струму.

Під електричним струмом розуміємо явище спрямованого руху носіїв електричних зарядів (струм вільних зарядів) та зміну електричного поля в часі (струм зміщення). Обидва ці явища супроводжуються появою магнітного поля. Додатним напрямом електричного струму прийнято вважати напрям руху носіїв позитивних зарядів.

Основні види електричного струму: струм провідності, струм переносу (конвекції) та струм зміщення.

Струмом провідності І _пр називають упорядкований рух заряджених частинок в

середині провідника під дією електричного поля.

Струм провідності може існувати при наявності повністю вільних електронів (у металах), іонів (в електролітах). Речовини з такою провідністю називаються провідниками.

Електричний струм І_пр визначається кількістю заряду Q, що проходить крізь поверхню за одиницю часу 1:

^І пр = & Я/^.

Якщо за однакові проміжки часу через поперечний переріз провідника проходить різна кількість заряду, струм вважається змінним, а якщо однакові кількості заряду, - то постійним.

Струм переносу І_пер - це явище перенесення зарядів зарядженими частинками чи

тілами, що рухаються у вільному просторі (рух заряджених елементарних частинок в пустоті, струм в електронних лампах, електричний струм у газах тощо)

^іпер

\ руа8,

8

де р - об’ємна густина

Струм зміщення І_зм існує за наявності змінного електричного поля в діелектрику чи в порожнині.

зм

=_Г

де Б - вектор електричного зміщення.

Якщо позначити повний електричний струм І = І _пр + І _пер + І_зм , то для будь-якої замкненої поверхні можна записати

І = ф ^

8

що є загальним виразом принципу неперервності електричного струму - повний струм крізь замкнену поверхню в будь-якому середовищі дорівнює нулю.

Одиниця струму - ампер - є однією з основних одиниць системи СІ:

[і] = Ю1 = = іл .

^{1 1} [І ] 15

На рис. і показана електрична схема, в якій діють всі види струмів.

Рис. і. Схема електричного кола Друге рівняння Максвелла

Н Ф

[ наї =

встановлює зв’язок між електричним полем і збуджуючим його змінним магнітним полем.

Воно є узагальненням закону електромагнітної індукції Фарадея

Н ¥

е = ’

де 8 - магнітне потокозчеплення; W - число витків, які зчіпляє потік Ф.

¥ = ЖФ

Якщо в замкненому контурі діє електрорушійна сила е, тоді

Є = ф ЄНІ.

Відношення роботи при переміщенні заряду до величини заряду є фізична величина, яку називають електричною напругою: д

и

Еаї

аЬ

Електричний потенціал точки а поля дорівнює роботі сил електричного поля при перенесенні одиничного додатного заряду з цієї точки до деякої вибраної точки, в якій потенціал прийнято нульовим. Найчастіше за нульовий потенціал приймають потенціал на поверхні землі або теоретично в нескінченності. Тоді

= ІЁШ

Для потенціальних електричних полів різниця потенціалів між двома точками дорівнює напрузі між цими точками: и_аь = ф_а - фь-

Третє рівняння Максвелла

'ра8=є

встановлює зв’язок між потоком вектора електричного зміщення и через замкнену поверхню Б та сумарним зарядом Q, який знаходиться всередині цієї замкненої поверхні. е рівняння є узагальненням закону Гаусса.

Для поглибленого вивчення цієї теми використовуйте літературу [1, с.9-20]

.Лекція 2. Основні закони електричних кіл постійного струму

Зміст лекції - основні визначення, які використовуються при вивченні електричних кіл; основні закони електричних кіл постійного струму.

Мета лекції - вивчити основні терміни та закони електричних кіл.