Электротехника_и_электроника_книга_1_электрические_и_магнитные_цепи_Герасимов_В.Г._ Кузнецов_Э.В.,_Николаева_О.В. (Хорошая книга по элтеху), страница 2

около 8 млн. кВт мощностей. Новые перспективы в развитии электротехнического оборудования намечаются прн использовании явления сверхпроводимости в устройствах криогенной техники. Одно из важнейших направлений развития народного хозяйства страны — обеспечение на основе электрификации комплексной механизации и автоматизации производства, включая использование электрических машин, электрооборудования н электронных приборов и устройств с применением микропроцессорных средств и микро-ЭВМ.

Эти проблемы невозможно решать без глубокого знания электротехники и электроники. Овладение этими знаниями позволит будущему инженеру наиболее эффективно применять разнообразные электротехнические и электронные устройства в различных отраслях народного хозяйства. Глава первая ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Первопричиной всех электрических явлений в природе является э л е к т ри ч е с к и й з вряд.

Простейшимиэлектрическимизарядами можно считать электроны, которые содержатся в каждом атоме любого вещества. Электрическим зарядом обладает и протон — ядро атома. Причем электроны и протоны имеют заряды разного знака: протоны — положительные, а электроны — отрицательные. В соответствии с законом Кулона положительные и отрицательные заряды притягиваются другк другу с определенной силой. Помимо протонов и электронов, электрическими зарядами могут обладать ионы, соответственно положительные и отрицательные.

Носителями зарядов в полупроводниковых приборах являются электроны и дырки. т. е. вакаетные валентные уровни атомов полупроводника. Носители зарядов т. е. заряженные частицы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, создают электрическое поле. Так, два заряда разных знаков, размещенные на расстоянии 1 друг от друга, создают электрическое поле (рис. 1.1), основной характеристикой каждой точки которого является векторная величина — на и ря женин о с т ь электрического поля Е,равнаяснлег,действующей на единичный заряд е1, расположенный в произвольной точке; Е = Р'/д. ияяяее яияии яяяя Рнс, 1Л. Электрическое поле двух зарядов е" Единицей электрического заряда является кулон (К), а напряженности электрического поля вольт на метр (В/м) .

Другой характеристикой электрического поля является скалярная величина — п о т е н ц и а л у данной точки. Он определяется значением заряда и расстоянием г до него от рассматриваемой точки поля: и = йй/г. (1.2) Поскольку такие поля однозначно определяются значениями потенциала в различных точках, они называются потенциальными. В электротехнике важное значение имеет р а з н о с т ь п о т е н ц и а л о в, например, между двумяточками а и Ь; р — ~р .

Единицей потенциала и разности потенциалов является вольт (В). Он численно равен работе в 1 джоуль, произведенной при перемешении заряда в 1 кулон против сил поля из данной точки, имеющий потенциал 1 вольт, в бесконечность. Если в электрическое поле поместить образец из проводящего материала (проводника), например, из металла, то в нем под действием поля будут перемешаться свободные заряды — электроны. Движение электрических зарядов создает з л ектрический ток, называемый током проводимости, который равен скорости переноса электрического заряда через выделенную площадку: (1.3) Единицей электрического тока является ампер (А), он соответствует перемещению заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Ток проводимости в каждой точке проводника характеризуется и л о т н о с т ь ю тока У= ОЕ, (1.4) где о — удельная электрическая проводимость материала. Если электрическое поле создается в диэлектрике, то в нем возникают процессы поляризации, вызывающие ток смещения 1 . Полный см' ток при наличии проводника и диэлектрика (1.5) 1 =1+1 ЙОлн см' Если электрическое поле не изменяется во времени, то 1О =О. Причиной длительного существования тока является з л е к т р од в н ж у щ а я с и л а (ЭДС), которая возникает в результате преобразования в электрическую энергию неэлектрической; химической, тепловой, световой или механической, В процессе преобразования энер- гии происходит разделение зарядов разных знаков под действием сил неэлектрического происхождения, которые называются с т о р о н н им и.

Для количественного описания сторонних сил вводят понятие напряженности стороннего электрического поля Е, которая численно ст' равна сторонней силе, действующей на единичный положительный заряд. В этом случае ЭДС е определяется линейным интегралом от напряженности стороннего электрического поля; =1" Е,Л. (1.6) 1 пф и -+ -+ е = — — = — — 1 ВЫЛ. Лг 1т,а (1.7) Н а п р я ж е н и е между точками а и Ь рассматриваемой среды рав. но линейному интегралу от напряженности электрического поля; ь + иаь = Г Ет11 У (Ест+ ЕкулМ1 а а (1В) I где Š— кулоновская (безвихревая, потенциальная) составляющая куа + напряженности электрического поля, которая, в отличие от Е, удовлест' творяет условию (1.9) Электрическое поле, не удовлетворяющее этому условию, называется вихревым.

В безвихревом (потенциальном) поле работа по переносу заряда из точки а в точку Ь не зависит от формы пути и равна разности потенциалов: Ь -+ 1 — 1аь 1' (1.10) Таким образом, для поля, характеризуемого напряженностью Е = Е куа' электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов. 10 ЭДС может возникать и вследствие явления электромагнитной индукции, вызванного изменением магнитного потока Ф через площадку Я контура. При этом безразлично, связано ли это изменение с движением контура или с изменением магнитной индукции В. Из закона электромагнитной индукции следует, что Единицей ЭДС и напряжения, так же, как и разности потенциалов, является волы.

Вопрос 1.1. Чему равно напряжение на зажимах разомкнутого аккумулятора с ЭДС Е = 12 В? Варианты ответа; 1.1.1. 0=24 В. 1.1.2. Н=О. 1.1.3. Н= 12 В. Во многих практических случаях электрическое поле можно учитывать лишь в отдельных элементах; в генерирующих, приемных н вспомогательных устройствах. При этом представляют интерес интегральные скалярные величины: ЭдС, разность потенциалов, напряжение и ток. Векторные же величины, характеризующие электрическое поле в каждой его точке; напряженность электрического ловя, электрическое смещение, плотность тока Лдя расчета и анализа электрических процессов, происходящих в этих элементах, обычно не имеют значения. 1.2.

электРическАя цепь и ее элементы Электрической цепью называют совокупность устройств и обьектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий ЭгтС, тока и напряжения, Понятия об ЭдС, токе н напряжении были даны в предыдущем параграфе. Перейдем к рассмотрению устройств, образующих путь для электрического тока. Ге н е р и ру ющ не устройства преобразуют химическую механическую, тепловую и световую энергии в электрическую. Это и с т о ч н и к и электрической энергии.

На зажимах источников в процессе преобразования неэлектрической энергии в электрическую за счет действия сторонних снл создается ЭДС Е. На рис. 1.2 приве- йены условные обозначения гальванического элемента (а), генератора постоянного тока (б), термопары (в) н фотоэлемента (г), преобразующих указанные виды энергии в электрическую. Не менее разнообразны типы п р и е м н и к о в электрической энергии. В приемниках происходят необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии.

Например, аккумулятор становится приемником в процессе его зарядки, когда электрическая энергия преобразуется в химическую (рис. 1,3, а). В электрической машине, работающей в режиме двигателя, электрическая энергия превращается в механическую (см. Рис. 1.3, б); в электрической печи (см. Рис. 1.3, в) нли резисторе (см.

Рис. 1.3, г) — в тепловую; в лампе накаливания (см. Рис. 1.3, д) — в световую. 11 , ~~/ )'/ 7 7 ~~ Д4' 6' б/ е/ а/ б/ а/ у/ а/ г/ г/ Рис, 1 2, Обозначении источников по- столнного тока на схемах. Рис. 1.3. Обозначения приемникон на схемах. а —. гальванический элемент и аккумулятор; б — генератор постоянного тока; е — тсрмопаре; г фотоэлемент а — аккумулятор при зарядке; б — двигатель постоннного тока; е — электрическая печь; г — резистор; д — лампа накаливании В электрической цепи источники и приемники соединяются проводами, которые обеспечивают передачу электрической энергии от источников к приемникам.

В электрические цепи часто включают вспомогательные и измерительные устройства. Вспомогательные элементы служат для управления режимом электрической цепи (например, коммутаторы), защиты от перенапряжений или недопустимого значения тока 1реле, предохранители). На рис. 1.4 приведены условные обозначения некоторых вспомогательных элементов: выключателя (а), переключателя 16), штеп.

сельного разъема (в), предохранителя (г). Рассмотрим простейшую электрическую цепь рис. 1.5, а, состоящую из аккумулятора, лампы накаливания, выключателя, амперметра и Рис, 1.4, Обозначения вспомогательных элементов. а — выключатель; б — переключатель; е — штепсельный разьем; г — плавкий предо- хранитель а/ б/ б/ я/ Рис.

1.5. Просгейшая электрическая цепь постоянного тока (а) и схема электрической пепи (б) 12 соединительных проводов. Аккумулятор служит источником электрической энергии, лампа накаливания — приемником, выключатель предназначен для замыкания и размыкання цепи, а амперметр — для измерения тока. Изображение реальных цепей сложно, громоздко и трудоемко, и поэтому его применяют в случае, когда необходима максимальная наглядность. Для удобства описания электрической цепи используют ее графическое изображение, составленное из условных обозначений элементов цепи и показывающее соединение этих элементов.

Такое графическое изображение называют с х е мо й эл е к т р и ч е с к о й ц е п и. На рис. 1.5, б приведена схема рассматриваемой электрической цепи. Вопрос 1.2. В строительных работах для подогрева бетонного раствора иногда применяют электрическую энергию, которая передается с помогцью системы электродов. Можно ли отнести систему, состоящую из источника электрической энергии, соединительных проводов, электродов и злектропроводящей массы бетона, к электрической цепи? Варианты ответа; 1.2.1.

Можно. 1.2.2. Нельзя. 1.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ И ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Основными характеристиками элементов электрических цепей являются зависимости их напряжения от тока. Такие зависимости называют в о л ь т - а м п е р н ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и (ВАХ). Элементы электрической цепи делятся на а к т ив н ые и па се и в н ы е. Все источники электрической энергии являются активными элементами, они характеризуются определенным значением ЭДС Е, Приемники электрической энергии могут быль как пассивными, так и активными.

Пассивными' называются приемники, в которых не возникает ЭДС. ВАХ пассивных элементов проходят через начало координат — в отсутствие напряжения ток этих элементов равен нулю. Пассивные элементы характеризуются зле к т р и чески м сопротивлением !т, которое у одних приемников зависит от приложенного напряжения, а у других не зависит. В первом случае приемники имеют нелинейные ВАХ (рнс.