Лекция № 1
Электротехника является областью науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.
Электротехника является теоретической и практической базой для автоматики, электроснабжения, электропривода, электроники, технологического оборудования, сварки и других.
Одним из основных объектов электротехники является электрическая энергия.
Трудно найти область современного производства или отрасль народного хозяйства, где бы не использовалась электрическая энергия.
Огромное значение электрической энергии объясняется рядом её преимуществ перед другими видами энергии:
Сравнительно просто получается из других видов энергии (механической, тепловой, лучистой).
Относительно просто передается на значительные расстояния с небольшими потерями.
В местах потребления сравнительно легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую).
Легко распределяется между различными потребителями.
Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.
При изучении электротехники мы будем использовать Международную систему единиц СИ.
Очень часто в электротехнике применяют кратные и дольные значения основных величин.
Электрическая цепь и ее элементы
Электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии, процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и Э.Д.С.
В состав электрических цепей входит также коммутационная и защитная аппаратура. В состав электрических цепей могут включаться электрические приборы для измерения силы тока, напряжения и мощности.
При описании электрических цепей используют следующие понятия:
Ветвь электрической цепи - это участок, элементы которого соединены последовательно. Ток во всех элементах один и тот же.
Узел электрической цепи - это точка соединения трех и более ветвей.
Контур - это любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.
Двухполюсник - это часть электрической цепи с двумя выделенными выводами.
Четырехполюсник - часть электрической цепи с двумя парами выводов.
Физические процессы в электрической цепи и величины их характеризующие.
В источнике электрической энергии в результате действия сил неэлектромагнитной природы - химических, механических, тепловых, атомных, называемых сторонними силами, создается электрическое поле, которое характеризуется напряженностью электрического поля.
Под действием сил стороннего поля положительные и отрицательные заряды внутри источника разделяются.
На электроде источника, обозначенного знаком «+», накапливается избыток положительных зарядов, на электроде, обозначаемом знаком «-» - избыток отрицательных зарядов. Заряды внутри источника создают свое поле, которое при отключении источника уравновешивает стороннее поле. При подключении к выводам источника внешней части электрической цепи в ней также создается электрическое поле, направленное от положительного электрода источника к отрицательному. Под действием сил этого поля носители отрицательных зарядов - электроны перемещаются вдоль внешней части цепи от отрицательного электрода к положительному электроду, нейтрализуя недостаток отрицательных зарядов на положительном электроде. В цепи наступает динамическое равновесие: в источнике непрерывно происходит разделение зарядов, а через внешнюю часть цепи - их соединение.
Физические процессы в электрической цепи описываются следующими величинами.
Электрический ток. Электрический ток - это явление направленного движения свободных носителей электрического заряда. Такими заряда носителями в металлах являются электроны, в плазме и электролитах - ионы.
Значение электрического тока сквозь некоторую поверхность в данный момент времени равно пределу отношения электрического заряда q, переносимого заряженными частицами сквозь эту поверхность в течение промежутка времени, к длительности этого промежутка, когда последний стремится к нулю, то есть
I = lim q/t = dq/dt
В случае постоянного тока, когда в течение каждого одинакового промежутка времени переносится одинаковый заряд, сила тока определяется:
I = q/t ,
q - заряд, переносимый за время t.
Сила тока измеряется в Амперах: [ I ] = А.
Условно за направление тока во внешней цепи принято направление, обратное направлению движения носителей заряда - электронов, то есть от положительно заряженного электрода к отрицательно заряженному, а внутри источника от отрицательного к положительному.
Ток возникает под влиянием электрического поля, которое, действуя на электроны, приводит их в движение. Электрическое поле обладает свойством распространяться вдоль провода с огромной скоростью, близкой к скорости света, то есть 300.000 км/с. Поэтому такое же большое значение имеет скорость распространения тока в проводе. Когда на одном конце провода под действием электрического поля возникнет ток, то почти мгновенно на другом конце провода также пойдет ток. Но электроны, которые пришли в движение у начала провода, очень не скоро достигнут его конца. Скорость перемещения электронов в проводнике весьма мала и измеряется лишь долями миллиметра в секунду.
Ток в проводнике напоминает движение воды в длинной трубе, наполненной водой, к одному концу которой присоединен насос. Если накачивать насосом воду в трубу, то давление весьма быстро передается вдоль трубы от одних частиц воды к другим и из открытого конца трубы потечет вода. Однако вода, добавленная насосом, двигается гораздо медленнее, чем передается давление, и дойдет до конца трубы через значительный промежуток времени.
Электродвижущая сила (Э.Д.С.). Характеризует способность стороннего поля вызывать электрический ток и численно равна работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда во всей замкнутой цепи. Измеряется она в Вольтах: [] = В.
Напряжение. Часть Э.Д.С., которая расходуется на преодоление сопротивления внешней части цепи, называется падением напряжения или просто напряжением во внешней цепи. Часть Э.Д.С., которая расходуется на преодоление сопротивления источника тока, называется падением напряжения внутри источника тока. За положительное направление напряжения принято направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока. Напряжение, как и Э.Д.С. измеряется в Вольтах: [U] = В.
Электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление проводника объясняется соударениями электронов проводимости с атомами проводника. При этих соударениях часть энергии электронов переходит к атомам проводника. Вследствие этого интенсивность колебаний атомов возрастает. Повышение температуры проводника указывает на усиление колебаний атомов.
Величина, характеризующая противодействие атомов проводника движению электронов, то есть электрическому току, называется электрическим сопротивлением.
Сопротивление внешнего участка цепи равно отношению постоянного напряжения на участке к току в нем:
R = U/I.
Элемент электрической цепи, предназначенный для ограничения тока в цепи, параметром которого является его электрическое сопротивление, называется резистором.
Сопротивление измеряется в Ом.
Для сопротивления проводников известна формула:
R = l/S.