Введение

Начало изучения электромагнитных явлений следует отнести к XVIII веку, когда впервые была сформулирована унитарная теория электричества, введены понятия двух видов электричества (+ и - ), от­крыт закон взаимодействия зарядов (Б. Франклин, Ш. Дюфе, Ш. Кулон, А. Вольт). Открытие фундаментальных законов электромагне­тизма пришлось на XIX век (А. Ампер, Г. Ом, Х. Эрстед, М. Фарадей, Э. Х. Ленц, Д. Генри, Д. Джоуль, Г. Кирхгоф, Д. Максвелл, Г. Герц и др.) и привело к созданию разнообразных электротехнических уст­ройств, так или иначе используемых в практических условиях.

Электрические источники света (П. Яблочков), электрическая дуга ( В. Пестров), первые электродвигатели и электрогенераторы ( З. Грамм, Г. Феррарие, Н. Тесла) и затем трехфазовые генераторы и дви­гатели (М. Доливо-Добровольский) достаточно быстро получили практическое применение и уже к концу XIX века появились первые электростанции и электрические системы, предназначенные для пере­дачи электроэнергии на расстоянии.

Столь быстрое развитие электротехники объясняется тем, что ее средствами относительно просто и экономично получают электромаг­нитную энергию, передают к потребителям, где она преобразуется в другие виды - преимущественно в механическую, тепловую и лучи­стую. Использование электромагнитной энергии способствовало тех­ническому прогрессу и позволило значительно улучшить комфорт­ность жизни людей.

Потребление электромагнитной энергии постоянно возрастает как в производственной, так и в социально-бытовой сферах. Вводят в действие все новые и новые электростанции, на которых получают электроэнергию из других видов. Наиболее распространенными явля­ются гидроэлектростанции, тепловые, атомные электростанции.

В Волгодонске - Цимлянская ГЭС - 209МВт, ТЭЦ - 470 МВт, АЭМ (два блока - 2000 МВт). Потребление энергии в нашем городе составляет чуть больше 100 МВт, остальное по линиям электропере­дач передается в районные и региональные электрические системы. Передача электроэнергии осуществляется на напряжении 110, 220, 500 кВ. В географической близости от потребителей на трансформаторных подстанциях напряжение снижается каскадно до 10 - 0,4 кВ, которое и подается непосредственно к электроприемникам.

Большое значение электротехники в строительстве определяется применением механизмов и машин с электрическим приводом (подъ­емные краны, лебедки и т.д) и использованием электротехнологий (сварка и др.). Любые строительные объекты должны иметь систему электроснабжения, электроэнергией осветительные и силовые элек­троустановки.

Следует отметить существенное удобство электрической энер­гии при автоматизации производственных процессов, благодаря точности и быстродействию электрических методов контроля и управления защиты.

Цель нашего курса - обеспечить такую подготовку инженеров-строителей, при которой они будут располагать системой знаний, уме­ний и навыков в актуальных для них областях электротехники.

1 Линейные цепи постоянного тока

1.1 Основные понятия теории электричества

Первоначальным понятием электричества является заряд. Мель­чайшими носителями электричества являются элементарные частицы, которые могут иметь два разноименных заряда («+» - протон, «-» - электрон), некоторые частицы электрически нейтральны (нейтрон).

Главными носителями зарядов в металлах являются свободные электроны и ионы кристаллической решетки. Концентрация их ~ 10²⁸ в м³, это объясняет их хорошую электрическую проводимость.

Материалы, у которых имеется много легкоподвижных носите­лей зарядов, называют проводниками. Материалы, не имеющие электронов проводимости, называют диэлектриками. Промежуточный широкий класс веществ составляют полупроводники.

Электрическим током называют направленное движение заря­женных частиц.

Напряжением тока условились считать направление движения положительных частиц. В проводнике возникает постоянный ток, если заряды могут совершать постоянную циркуляцию. Для возникновения тока необходима электрическая цепь - замкнутый путь для тока, со­стоящий из проводников и различных электротехнических устройств. Непременно в электрической цепи должен быть источник и потреби­тель электроэнергии. В источнике какой-либо сторонний вид энергии (химический, механический и т. д.) преобразуется в электрическую. В потребителях происходит процесс преобразования электрической энергии преимущественно в лучистую, тепловую или механическую. По проводам энергия передается от источника к потребителю.

В электрическую цепь могут быть включены также измеритель­ные приборы, преобразователи, регуляторы, коммутационные, защит­ные устройства и т. д.

рис. 1.1

Источниками электроэнергии являются турбо и гидрогенера­торы электростанции, аккумуляторы, батарейки и т. д. Приемники - это электрические лампы, электродвигатели, термоустановки.

Одной из важнейших категорий электротехники является сила тока I, равная величине заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(1.1)

где - заряд, проходящий через сечение проводника за время .

Сила тока - скалярная величина, единицей измерения служит Ампер (А). Один Ампер - это такой электрический ток, при котором за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кл или 6*10¹⁸ электронов. Прибор для измерения тока называется амперметром.

Сила тока:

- в лампочках до 1 А;

- в утюге до 8 А;

- в подъемном кране ~ до 100 А;

- в обмотках турбогенератора АЭС до 15000 А;

- опасно для жизни 0,05 А.

Если за любые два равных промежутка времени через сечение проводника проходит одно и то же количество электричества, то электрический ток является постоянным. Заряженные частицы движутся поступательно по всему контуру электрической цепи.

Направленное движение зарядов в проводнике происходит под действием электрических сил. Причиной возникновения тока в проводнике является электрическое поле. Электрическое поле - это особый вид материи, порождаемый зарядами и действующий с силой на заряды.

Характеристиками электрического поля являются напряженность и напряжение. Напряженность электрического поля Ē - силовая характеристика. Это векторная величина, равная отношению силы, действующей на заряд, к величине этого заряда:

(1.2)

Измеряется в или В∙м.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд со стороны поля.

Напряжение U - энергетическая характеристика двух точек поля или электрической цепи. Это скалярная величина, равная отношению энергии, затраченной на перемещение положительного заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда:

(1.3)

Единица измерения напряжения - Вольт (В).

Если при перемещении единичного заряда из одной точки в другую затрачивается энергия в 1 Дж, то напряжение между двумя точками - 1В.

Напряжение:

- гальванического элемента / батарейки - 1,5 В;

- автомобильного аккумулятора - 12 В;

- квартирных осветительных сетей - 220 В;

- городских кабельных сетей - 6-10 кВ;

- высоковольтных линий электропередачи 110-1150 кВ.

В замкнутой цепи положительные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Но внутри источника они должны двигаться к точке с более высоким потенциалом, то есть против сил электрического поля. Это перемещение зарядов внутри источника происходит за счет не электрических, а сторонних сил. При этом затрачивается сторонняя энергия.

Работу сторонних сил по перемещению единичного заряда внутри источника называют электродвижущей силой (ЭДС). Измеряется ЭДС в Вольтах (В). Как правило, источники энергии имеют внутреннее сопротивление, тогда напряжение на его зажимах:

Зависимость напряжения на зажимах источника от тока нагрузки называют внешней характеристикой источника (рис. 1.3 - прямая 1). Источники, внутреннее падение напряжения которых мало, т.е. R₀ →0, ∆U→0 называют источником напряжения (рис. 1.3 - прямая 2).

рис. 1.2 рис. 1.3

1.2 Сопротивление проводников. Закон Ома

В металлах электроны находятся в состоянии хаотического движения, интенсивность которого пропорциональна температуре проводника и зависит от структуры кристаллической решетки. Если к проводнику приложено напряжение, то движение электрических зарядов становится упорядоченным, но величина тока зависит в конечном итоге от длины свободного пробега электрона, определяющей сопротивление проводника R.

Разные материалы при одинаковой температуре имеют разные проводимости. Каждый материал характеризуется удельным сопротивлением ρ - сопротивлением проводника единичной длины и единичной площади. Тогда сопротивление проводника: ,

где R - сопротивление проводника

ρ - удельное сопротивление

- длина проводника

S - площадь поперечного сечения

Связь между током и напряжением на участке цепи с сопротивлением R установил Георг Ом в 1826 году:

(1.4)

Измеряется сопротивление в Омах. 1 Ом - это сопротивление участка цепи, по которому течет ток 1 А, при напряжении на его концах 1 В. Удельным сопротивлением считают сопротивление между гранями куба с ребром 1 м, изготовленного из данного материала. Единица измерения удельного сопротивления Ом ·м.

Элементы цепи, обладающие сопротивлением, называют резисторами. Сопротивление проводников зависит от температуры, т.к. с увеличением температуры увеличивается тепловое движение ионов, мешающее дрейфу электронов. Эта зависимость для каждого материала описывается формулой: ρ = ρ₀(1+αt^º),

где ρ₀ - удельное сопротивление при t = 0^ºC

α - температурный коэффициент

Сопротивления, определяющие его изменения при изменении температуры на 1^ºC.

Таблица 1.1 - Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления проводников.

Материал	Удельное сопротивление, ρ (Ом ·м) · 10 - 9	Температурный коэффициент сопротивления α (1/град)
Серебро	1,6	0,0035
Медь	1,8	0,0041
Алюминий	2,95	0,0040
Сталь	14,6	0,0057
Вольфрам	5,3	0,0058

1.3 Работа и мощность электрического тока. Энергетический баланс

Энергия, затрачиваемая на перемещение заряда q между двумя точками неразветвленной электрической цепи: W = q·U.

При постоянном токе величина перенесенного заряда: q = I·t, следовательно:

W = U·I·t. (1.5)

Энергия измеряется в Джоулях (1 Дж = 1В·А·с)

Скорость изменения энергии характеризуется мощностью P, таким образом:

(1.6)

Мощность измеряется в Ватах (1 Вт = 1 ). Используя закон Ома (1.4), выражения (1.5) и (1.6) можем записать в виде:

(1.7)

(1.8)

Из закона сохранения энергии следует, что энергия, выдаваемая в цепи источниками, должна быть потреблена приемниками. Или сумма мощностей всех источников энергии в цепи равна сумме мощностей всех потребителей:

(1.9)

Для цепи (рис.1.2) уравнение баланса мощности:

Знак «−» в левой части равенства ставится в том случае, если источник ЭДС работает в режиме потребления энергии.

На рис.1.4 E₁ > E₂. Ток в цепи: .

Уравнение баланса мощности:

Рис.1.4