Основные понятия, определения и законы электротехники

Основные понятия, определения и законы электротехники

Электротехника - это область науки и техники, изучающая теорию и практическое применение электричества. Электроника – это наука, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами.

Электрическая цепь - это совокупность элементов, через которые замыкается электрический ток.

Простейшую электрическую  цепь можно представить в виде источника, потребителя и линии, соединяющей источник и потребитель электрического тока.

Рис.1. Простейшая цепь электрического тока

Все сложные электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы:

- источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы);
- приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электронагреватели и т.д.);
- проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и др.)

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные. Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным.

Рекомендуемые материалы

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Электрическим током  I называют направленное движение зарядов, возникающее в замкнутой цепи под действием электродвижущей силы (ЭДС) Е источника (генератора).

Электрические заряды создаются смещением электронов. Когда имеет место избыток электронов в одной точке и дефицит электронов в другой, между этими точками существует разность потенциалов. При наличии проводника между точками возникает поток  электронов, называемый током. За положительное направление тока принято считать направление противоположное направлению потока (дрейфа) электронов и совпадающее с направлением положительных зарядов – дырок (см. раздел Основы электроники).

Если величина электрического тока во времени не меняется, то ее можно определить как количество электрических зарядов q, проходящих через проводник в единицу времени t , т. е.:

I =q/t ,

(1 ампер = 1 кулон/сек; кулон ≈6,28 ∙10¹⁸ электронов). Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и он может быть обозначен прописной буквой I. Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i, мгновенное значение тока i =dq/ dt.

При перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, электрическое поле совершает работу. Отношение этой работы А к значению заряда q называется напряжением межу этими точками:

U=A/q .

Единица измерения напряжения - Вольт [В]. Можно вывести понятие напряжения и из количественной характеристики электрического поля - потенциала j. Напряжением между двумя точками электрического поля называется разность потенциалов в этих точках (j₁ и j₂): .

      Электрическая схема - это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 2 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии – активного элемента и пассивных элементов: электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.

Рис. 2

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.

Схема замещения - это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.

На рисунке 3 показана схема замещения рис. 2.

        
Рис. 3

Пассивные элементы схем замещения

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость. В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле

где l - длина проводника; S - сечение; ρ - удельное сопротивление материала проводника.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью.

Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость - в сименсах (См).

Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:

Индуктивностью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи часто пренебрегают.

На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.

Индуктивность может быть представлена как коэффициент пропорциональности между напряжением на катушке и скоростью изменения тока в ней

 .

Индуктивность катушки, измеряемая в генри [Гн], может определяется по формуле

где W - число витков катушки; Ф - магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

Емкостью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи обычно пренебрегают.

На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения.

Емкость может быть представлена как коэффициент пропорциональности между током, проходящим через цепь конденсатора и скоростью изменения напряжения на нем

    i = C.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), может определяться по формуле:

 где q - заряд на обкладках конденсатора; Uс - напряжение на конденсаторе.

Основные законы

Закон Ома: 

I=U/R,

т.е. ток I, протекающий по участку цепи, будет равен напряжению на этом участке U (или разности потенциалов на концах рассматриваемого участка с учетом знака) деленному на сопротивление участка R. Закон можно записать и как U=I×R. Найденную из этого равенства величину U называют падением напряжения на участке цепи с сопротивлением R, через который протекает ток I.

            В общем случае (при наличии источников ЭДС)

например, для участка цепи

.

Для получения данного выражения можно использовать либо соотношения между потенциалами отдельных точек участка, либо второй закон Кирхгофа (см. далее).                                

            Закон Джоуля-Ленца:       

W = I²×R×t,

т.е. работа или энергия электрического тока W, преобразуемая в тепловую энергию за время t, рассчитывается по приведенной формуле. С учетом закона Ома можно записать

W =I×U×t.

По определению мощность это работа в единицу времени (т.е. деленная на t) . Тогда мощность электрического тока:

P= I²×R = U×I.

Закон электромагнитной индукции

            Раскрывает физическую природу происхождения электродвижущих сил. В самом общем виде формулируется следующим образом. В проводнике возникает ЭДС при любом изменении магнитного поля вокруг него.

            Учитывая принцип относительности, существуют следующие способы индуцирования ЭДС:

− магнитное поле неизменно, но проводник перемещается в нем (Закон Фарадея-Ленца):

,

здесь v - скорость перемещения проводника длиной l, движущемся в магнитном поле с индукцией В;

 a - угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции;

эта формулировка закона лежит в основе работы электрических генераторов;

- проводник неподвижен, но меняется магнитное поле вокруг него (ЭДС самоиндукции е):

,

где- число витков в обмотке (если проводник выполнен в виде обмотки);

В лекции "49 Покрытие пластмассами" также много полезной информации.

dФ/dt - скорость изменения магнитного потока Ф.

            Этот принцип лежит в основе работы трансформаторов.

            При протекании тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. При изменении тока в проводнике одновременно изменяется магнитное поле вокруг него. Следовательно, проводник оказывается в переменном поле и в нем, согласно закону электромагнитной индукции, будет индуцироваться ЭДС. Эта ЭДС носит название ЭДС самоиндукции, поскольку она возникает в следствие изменения тока в самом проводнике. Ее значение:

,

где L - индуктивность проводника; di/dt - скорость изменения тока в проводнике.

            Знак минус означает, что индуцированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей возникновение ЭДС. Это правило носит название правила Ленца или принципа электромагнитной инерции.