Экзамен по дисциплине «Общая электротехника и электроника»

Фамилия, имя, отчество студента

____.__.______ шифр группы _____

дата экзамена

Билет №1

1. Электрические и магнитные цепи. Электрические и магнитные величины. Основные понятия и определения.

Общие сведения о полупроводниках. Дрейфовое и диффузионное движение носителей заряда. Время жизни носителей заряда.

1. Основные определения

1. Определение электрической и магнитной цепей

Комплекс электротехнических устройств, предназначенный для производства, передачи и использования электрической энергии, называется электрической системой. Электрическая система в целом и составляющие ее электротехнические устройства представляют собой совокупность электрических и магнитных цепей.

Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть записаны с помощью электрических величин – электродвижущей силы, тока и напряжения.

Магнитной цепью называют совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела и среды, образующие путь вдоль которого замыкаются линии магнитного потока, а электромагнитные процессы в которой могут быть записаны с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока, магнитной индукции и разности магнитных потенциалов, называемых магнитными величинами.

Для анализа процессов и расчета электрических и магнитных цепей используют их эквивалентные схемы замещения, (далее просто схемы цепей) представляющие собой идеализированные модели реальных цепей. Чем точнее элементы схемы замещения отражают реальную цепь, тем точнее ее расчет и анализ процессов в цепи.

2. Электрические и магнитные величины

Электрический ток

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов в проводящей среде под воздействием электрического поля. Электрический ток, обусловленный движением свободных электронов может существовать в твердых телах (проводниках и полупроводниках). Электрический ток, обусловленный движением положительных и отрицательных ионов может существовать в жидкостях (электролитах). Электрический ток, обусловленный как движением свободных электронов, так и движением положительных и отрицательных ионов, может существовать в газах.

За положительное направление тока принимают направление, в котором перемещаются положительные заряды, т. е. направление, противоположное движению электронов.

Электрический ток, неизменный во времени по величине и направлению называют постоянным. Ток, мгновенные значения которого изменяются во времени, называют переменным. Электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные промежутки времени, называют периодическим переменным. Ток, изменяющийся во времени по синусоидальному закону, называют синусоидальным.

Д ля обозначения электрического тока используют символы: – для обозначения постоянного тока и – для обозначения мгновенных значений тока. Для количественной оценки электрического тока служит величина, называемая силой тока. Сила тока численно равна количеству электричества (заряду) проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени:

, где – заряд, – время.

Единицей силы тока в международной системе единиц (СИ) является ампер (А). Сила тока равна 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд в 1 Кл. :

[ I ] = 1 А = 1 Кл / 1 с.

В настоящее время для количественной оценки электрического тока наряду с термином «Сила тока» используют термин «Ток».

Электродвижущая сила и напряжение

Рассмотрим простейшую электрическую цепь, приведенную на рисунке 1.1 и состоящую из источника энергии Е и резистора (резистивного элемента) R.

Рис.1.1

В источнике энергии Е за счет так называемых сторонних (не электрических) сил происходит разделение зарядов и на зажимах источника (полюсах) возникает разность потенциалов, которую называют напряжением. Для обозначения напряжения используют символы: – для обозначения напряжения на элементе или участке цепи постоянного тока и – для обозначения мгновенных напряжений на элементе или участке цепи.

Напряжение между полюсами 1 и 2 схемы (рис.1.1):

, где и – потенциалы полюсов 1 и 2, соответственно. Напряжение U численно равно работе A, которую совершает источник энергии проводя заряд в 1 Кл по внешнему участку цепи. Единицей напряжения является вольт (В).

[ U ] = 1 В = 1 Дж / 1 Кл.

Источник энергии характеризуется электродвижущей силой (ЭДС), которую обозначают Е. ЭДС Е численно равна работе A сторонних сил по переводу заряда в 1 Кл внутри источника ЭДС от одного полюса к другому. Единицей ЭДС также является вольт (В). Исходя из вышеизложенного можно считать, что напряжение U на полюсах источника ЭДС равно его ЭДС Е , т.е. .

Поскольку цепь замкнута через резистор, то под действием электрического поля заряды стремятся объединиться, образуя электрический ток I.

Магнитные величины

В пространстве, окружающем проводник с током существует магнитное поле, которое представляется в виде магнитного потока, линии которого всегда замкнуты (рис. 1.2). Направление магнитного потока определяется по правилу буравчика (правого винта). При ввинчивании буравчика по направлению тока направление его вращения указывает направление магнитного потока. Магнитный поток обозначают символом Ф. Единицей магнитного потока является вебер (Вб). 1 Вб = 1 В•с.

Интенсивность магнитного потока характеризуется вектором магнитной индукции, который обозначается символом и по направлению совпадает с направлением магнитного потока. Единицей магнитной индукции является тесла (Тл). 1 Тл = 1 Вб/м², т.е. магнитная индукция в 1 Тл возникает при магнитном потоке в 1 Вб проходящем через площадь в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку.

Способность источника магнитного поля (электрического тока) создавать магнитное поле характеризуется напряженностью магнитного поля, которая обозначается символом и измеряется в А/м. В вакууме направление векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции совпадают и связаны соотношением: , где Гн/м – магнитная постоянная. Закон полного тока определяет напряженность магнитного поля в любой точке пространства около проводника с током: , где – длина контура, охватывающего проводник и проходящего через точку пространства в которой определяется напряженность (рис. 1.2).

Напряженность магнитного поля однослойной катушки (рис. 1.3) для случая, когда , определяется: , где – число витков катушки, а l – длина катушки. Произведение называют магнитодвижущей силой.

Произведение числа витков на значение магнитного потока называют потокосцеплением катушки: . Выражение справедливо в случае если магнитный поток одинаков через все витки катушки.

Рис. 1.2 Рис.1.3