Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники (2005)

А.С. Касаткин М.В, Нем ов КУРС ЭПЕКТРОТЕХНИКИ Издание восьмое, стереотипное Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов иезлектротехнических специальностей высших учебных заведений ф Ъ.,оФ Москва «Высшая школа» 2005 УДК 621.3 ББК 31.2 К 28 рецензент — кафедра электротехннкн, электроннкн н автоматики Московского государстаенного технологнческого уанаерснтета «Станкнна (заа, кафедрой проф. В.

А. Кузовкин) Касаткин, А. С. К 28 Курс электротехники: Учеб. для вузов1А. С. Касаткин, М. В. Немцов.— 8-е изд., стер.— Мл Высш. шк., 2005.— 542 с.: ил. 18ВХ 5-06-005276-1 Излонены основные полоненна теории электрнческах цепей, основ промышленной электротехннкн, электрнческнх измерений. Дано описание устройства н рабочих свойств электрнческнх машин. Прнаедеаы саедеана об электропрнаоде.

Длл студентов иеэлектротекнических слеииальностей вузов. УДК 621.3 ББК 31.2 ПРЕДИСЛОВИЕ К ВОСЬМОМУ ИЗДАНИЮ Наетоюцвв учебнвк предназначен для юучснвя курса «Электротехника» студеатамв вузов, осувпссталзкицах подготовку бакалавров по везлектротсхвичссквм направлениям и вииснероз по и«электротехническим спсцвальностам. Бго содсриавис соотзстстзуст действующей таловой программе по электротехнике и злехтроинкс для нсэлектротехннчссках спсцаальвостей зухоз а соотзстстаующвх направлений подготовки бакалавров.

В заавеамости от состава спецвальвостей, принятой методвкв юлоиснва и рабочих программ различных вузов послсдозательвость юло~кеввз тем а степень ах дсталвзацвв могут зарьарозатьсз. Курс «Электротехника» слупит длл общевииенервой подготовка студентов н со»далил теорстачсской базы длз юучсвнз поеледующвх спецнзльвых днсцвплва, сзюанвых с азтоматвхацисй техвологвчесхих процессов, злсктроснабисвисм и электрооборудованием еоотастстзующвх отраслей. В учсбюпс сохранена последовательность юлоисназ тем, приизтаз з предыдущем юдавин, прв нх более тесной узюке с прахтичсекамн пралоиснвзми, трсбозанвзми ГОСТа и современными методами математаческого опвсаваз процессов а электротехнических устройствах и злсхтрвчсекнх цепях.

Отзывы и поиелавня просьба направлять по адресу: 12ц994, Москва, ул. Неглинная, д. 29/14, юдательстзо «Высшаз школа». Пр«4еееор ов'. В. Немцов ГЛАВА ПЕРВАЯ ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПОСТОЯННОГО ТОКА Систематическое исследование электрических явлений и их практических приложений исторически началось с изучения свойств не изменяющегося во времени тока — постоянного тока на рубеже ХЧП1— Х1Х вв. Этому способствовали наличие и доступность источников элект. рической энергии постоянного тока — сначала гальванических элементов 1А.

Вольта, 1745 — 1827), позднее аккумуляторов, а также первые успехи применения электричества дпя освещения (П. Н. Яблочков, 1847— 1894), электролиза и гальванопластики (Б, С. Якоби, 1801 — 1874), Экспериментальное исследование свойств постоянного тока позволило вьиявить и обосновать ряд закономерностей и понятий (А. М. Ампер, 1775 — 1836; Г.

С. Ом, 1787 — 1854; Ш. О. Кулон, 1736-1806 и др.) . Дальнейшие исследования (М. Фарадей, 1791 — 1867; Э. Х. Ленц, 1804— 1865; Д. Генри, 1797 — !878; В. Сименс, 1816 — 1892; Д. П. Джоуль, 1818-1889; В. Э. Вебер, 1804-1891; Д. К. Максвелл, 1831-1879; Г. Р, Герц, 1857 †18 и др.) показали, что большинство закономерностей, первоначально полученных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами электротехники. Термином электротехническое устройство принято называть промышленное изделие, предназначенное для определенной функции при решении комплексной проблемы производства, распределейия, контроля, преобразования и использования электрической энергии. Электротехнические устройства постоянного тока весьма разнообразны, например аккумулятор, линия передачи энергии, амперметр, реостат.

Постоянный ток применяется при злектрохимическом получении алюминия, на городском и железнодорожном электротранспортере, в электронике, медицине и других областях науки и техники. Быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные типы источников электрической энергии постоянного тока. Так, солнечные батареи и фотоэлементы служат основными источниками энергии космических аппаратов в автономном полете. Разрабатываются новые источники электрической энергии постоянного тока — МГД- генераторы.

Их освоение позволит в перспективе существенно повысить КПД электрических станций. 4 1,2. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Электрическая цепь, илн, короче, цепь, постоянного тока в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода. В источниках злектрическои энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энергии в термопреобразователях на основе термопар, В приемниках электрической энергии электрическая энергия преобразуется, например, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую (электрические печи), химическую (электролизные ванны) .

Коммутационная аппаратура, линии н измерительные приборы служат дпя передачи электрической энергии от источников, распределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств. Графическое изображение электрической цепи называется схемой. Различают несколько способов изображения цепи. На рис. 1.1 в качестве примера приведено эскизное изображение электротехнических устройств и атособа их соединения в простейшей цепи постоянного тока.

При замыкании рубильника 1 к лампе накаливания 2 — приемнику электрической энергии — подключается источник электрической энергии постоянного тока — аккумуляторная батарея 3. Для контроля режима приемника энергии включены амперметр 4 н вольтметр 5. Но натурное изображение электротехнических устройств и их соединений приводит к громоздким и трудоемким чертежам. Изображение цепи можно упростить, если каждое электротехническое устройство заменить (по Ря .1Л правилам ГОСТ) его условным обозначением (рис.

1.2). Такие графические иэображения цепей называются ярияиилиааьяыми схемами. Принципиальная схема показывает назначение электротехнических устройств и их взаимодействие, но неудобна при расчетах режима работы цепи. Для того побы выполнить расчет, необходимо каждое из электротехнических устройств представить его схемой замещения. Схема замеи1аяия электрической цепи состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы в цепи. Конфигурация схемы замещения цепи определяется следующими геометрическими (топологическими) понятиями: ветвь, узел, контур. Ветвь схемы состоит из одного или нескольких последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеет два вывода (начало н коан), причем к концу каждого предыдущего элемента присоединяется начало следующего В узле схемы соединяются три нли большее число ветвей.

Контур — замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза. Схема замещения (рис. 1.3) цепи, показанной на рис. 1.1, содержит три ветви, причем две состоят из одного элемента каждая, а третья— нз трех элементов. На рисунке указаны параметры элементов: г сопротивление цепи лампы, г — сопротивление цепи вольтметра, г Р сопротивление цепи амперметра, Š— ЭДС аккумулятора н г его внутреннее сопротивление. Три ветви соединены в двух узлах а и Ь. Если значения параметров всех элементов схемы замещения цепи известны, то, пользуясь законами электротехники, можно рассчитать режим работы всех ее элементов, т. е, определить электрическое состояние всех электротехнических устройств.

В дальнейшем вместо термина сгема эаме1иения электрической цели будем пользоваться сокращенными; схема цепи и, еще короче, схема. 1.3. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЯ Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристалличе. скую рещетку с пространственной периодичностью. Свободные элект.

роны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними. Под действием продольного электрического поля напряженностью А, создаваемого в проводнике длиной ! источником электрической энергии, свободнью электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рис. 1.4) .