Электротехника Касаткин (Электротехника (Касаткин))

УДК б2)З ББК 31.2 К 2В Репепзепт — каФедра электротааики, злектрое" кв в авгоматвкл Московского государствевпого текиологлческого версдгета «Стаккипв (звл. ке4пдрой проФ. В А, Кузовкии) 1БВХ 5-Об-003595-б © ГУП вздательство «Выапак школав, 2000 Оригииал-макет давнего издаиик авлкетск собствеппосгью юдательства еВысшек выслав, и его репродупировавие (воспроизведение) любым способом без согласив юдательсгва запрещаетск. ПРЕДИСЛОВИЕ К ШЕСТОМУ ИЗДАНИЮ Настожцвй учебник предназначен для научения курса с<Электротехника» студентами вузов, осуществляющих подготовку бакалавров по неэлектротехвическвм направлениям н инженеров по иеэлектротехническим специальностям.

Его содержание соответствует действующей типовой программе по электротехнике и электронвхе для неэлектротехивческвх специальностей вузов и соответствующих направлений подготовв1< бакалавров. В зависимости от состава специальностей, принатой методвки изложения и рабочвх программ различныя вузов последовательность изложения тем и степень вх детализации могут варьироваться.

Курс «Электротехника» служит для общеивженерной подготовки студентов и создания теоретической базы для изучения последующвх специальных дисциплвн, связанных с автоматизацией технологических процессов, электроснабжением и электрооборудованием соответствующвх отраслей. В учебвихе сохранена последовательность наложения тем, принятая в предыдущем издании, при их более тесной увязке с практическими приложениями, требованиями ГОСТа и современными методами математического описания процессов в электротехнических устройствах и электрических цепях. Отзывы и пожелания просьба направлять по адресу: 101430, Москва, ул. Неглавная, д.

29Д4, издательство «Высшая школа». врофессор»е. В. Немцов ГЛАВА ПЕРВАЯ ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЯСТВА ПОСТОЯННОГО ТОКА Систематическое исследование электрических явлений и их практических приложений исторически началось с изучения свойств не изменяющегося во времени тока — постоянного тока на рубеже ХТШ— Х(Х вв.

Этому способствовали наличие и доступность источников электрической энергии постоянного тока — сначала гальванических элементов (А. Вольта, 1745 — 1827), позднее аккумуляторов, а также первые успехи применения электричества дпя освещения (П. П. Яблочков, 1847— 1894), электролиза и гальванопластики (Б. С, Якоби, 1801 — 1874], Экспериментальное исследование свойств постоянного тока позволило выявить 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, 1797-1878; 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 получбнных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами электротехники, Терминоы электротехническое усзройсгво принято называть' промышленное изделие, предназначенное для определенной функции при реивнии комплексной проблемы производства, распределейия, конт.

роля, преобразования и использования электрической энергии. Электротехнические устройства постоянного тока весьма разнообразны, наприьюр аккумулятор, линия передачи энергии, амперметр, реостат. Постоянный ток применяется прн 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 !,а. элементы электРическОЙ цепи ПОСТОЯННОГО ТОКА Электрическая цель, нли, короче, цепь, постоянного тока в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода. В источниках электрической 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 нриемниках электрической энергии электрическая энерпи преобразуется, например, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую (электрические печи), химическую (злектролизные ванны). Коммутационная аппаратура, линии и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения ее ьюжду приемниками н контроля режима работы всех электротехнических устройств. Графическое иэображение электрической цепи называется схемой. Различают несколько способов изображения цепи. На рис.

! Э в качестве примера приведено эскизное изображение электротехнических устройств и способа их соединения в простейшей цепи постоянного тока. Прн 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 и вольтметр 5. Но натурное изображение электротехнических устройств и нх соединений приводит к громоздким и трудоемким чертежам. Изображение цепи можно упростить„если каждое электротехническое устройство заменить (по Рис. !.! Рлс.

1.2 Рнс. 1.3 правилам ГОСТ) его условным обозначением (рис. 1.2), Такие графические изображения цепей называются прилиияиаяьлыми схемами. Прилцнщсальзюл схема показывает назначение электротехнических устройств н нх вэаньюдействие, но неудобна при расчетах режима работы цепи. Дпл того чтобы выполнить расчет, необходимо каждое из электротехняческих устройств представить его схемой замещения. Схема эамеиселия электрической цепи состоит иэ совокупности различных идеализировенных элементов„выбраннмх так, чтобы можно бьюо с заданным илн необходимым приближением описать процессы в цепи.

Конфигурация схемы замещения цепи определяется следующими геометрнческиьщ (топологическимн) поиятяями: ветвь, узел, контур. Ветвь схемы состоит нэ одного нли нескольких последовательно соеллсюнньсх злеьюитов, каждьй из которых имеет два вывода (начало и вонец), причем к концу каждого предыдущего элемента присоединяется начало следующего. В узле схемы соединяются три нли большее число ветвей. ТГоизур — замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что нн одна ветвь и нн один узел не встречается больше одного раза.

Схема замепюния (рнс. 1.3) цепи, показанной на рнс. 1.1, содержит три ветви, прячем две состоят нз одного элемента каждая, а третья— из трех зпементов. На рисунке указаны параметры элементов: г л сопротивление цепи лампы, гк — сопротивление цепи вольтметра, г сопротявяение цепи амперметра, Š— ЭдС аккумулятора и г вт его внутреннее сопротявленне. Три ветви соединены в двух узлах а н Ь.

Если значения параметров всех элементов схемы замещения цепи известяы, то, пользуясь законами злектротеиппсн, можно рассчитать режим работы всех ее элементов, т. е. определить электрическое состояние всех электротехнических устройств. В дальнейшем вместо германа схема замесиелия электрической июш будем пользоваться сокращенными; схема цепи и, еще короче, схема. КЗ. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИИ ТОКОВ И НАПРЙЖЕНИЙ Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами.

Ионы образуют в твердом теле кристалличе. скую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними, Под действием продольного электрического поля напряженностью й„ создаваемого в проводнике длиной 1 источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) н дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рнс.

1.4) . В общем случае иостояилый гок в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицательными зарядами. Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо договориться о том, движение какИх зарядов следует считать направлением тока.

Принято считать направлением тока 1 направление движения положительных зарядов, т. е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля (рис; 1.4) . Зто направление показано стрелкой. Постоянный пж 1 = 191/г, где г — время равномерного перемещения суммарного заряда 191 через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи. Основная единица тока в международной системе единиц (СИ)— ампер (А)е, заряда — кулон (Кл). Наей>лжеиием называется скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля, Разность логелциалов— напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования. (Электрическое поле цепи постоянного тока — безвихревое.) Она вычисляется вдоль любых учаспсов цепи, не содержащих ЗДС источников.

Постоянное напряжение для участка проводника (рис. 1.4) е При постоянном токе 1 А и двух пареллельлых лрямолииейиых проводниках бесконечной длииы и иичлихио малой площади поперечного кругового сечеиия, распопокеииых ие расетояиии 1 м один от другого и вакууме, силе их аэеимодейстеия равна 2 ° 10 Н)м (иьютои ие метр.) и -"-» — с Ь 1 Рис. 1.4 или Ь 1 Ь Л У» /' В41 = — ) Рб) = —, а а а а где 1' = лй — сила, которая действовала бы на положительный заряд а в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью Ф; Ь А = )' Г б1 — работа электрического поля при перемещении положи- а тельного заряда вдоль участка проводника; у и Фь — потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и Ь участкалроводника. Основная единица напряжения в системе СИ вЂ” вольт (В), напряженности электрического поля — волы на метр (В/м) .

При расчете лепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо цредварительно выбрать условные положительные нлн, короче, положительные направления токов во всех элементах цепи. Полакитальное направление тока в элементе (с сопротивлением г на рис. 1.5) нли в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи ток в данном элементе получится положительным, т.