Материал: Вв. Гл1,2_1

Министерство образования российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

Кафедра теоретической радиотехники и электроники

Д.В. ПОГОДИН

Электротехника и электроника

Учебное пособие по дисциплине

“Электротехника и электроника”.

Часть 1 - Электротехника

Для студентов заочного и дневного отделения

Казань 2003

УДК 621.38/39(075) Составитель: Погодин Д.В.

Электротехника и электроника. Учебное пособие по дисциплине “Электротехника и электроника”. Часть 1- Электротехника. / авт. - сост. Д.В. Погодин, - Казань; КГТУ им. Туполева, 2003 - 39с.

Учебное пособие написано в соответствие с типовой программой дисциплины “Электротехника и электроника”, которая принята для студентов обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 654600 - ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА специальности: 2201, 2202, 0719.

Табл. 4. Ил.6. Библиогр: 2 назв.

Рецензенты: кафедра Электротехники и электропривода Казанского государственного технологического университета.

Зав. кафедрой д.т.н., профессор Миляшов Н.Ф.;

к.т.н., доцент Кропачев Г.Ф. (Казанский государственный технологический университет).

Введение

Процессы, протекающие в электротехнических устройствах, в общем случае подчиняются общим законам электромагнитного поля. Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, сопровождаются взаимным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды, и аналитически описываются уравнениями в частных производных (уравнениями Максвелла). Их общее решение затруднительно даже в простейших случаях. В теории электромагнитного поля оперируют с векторными величинами, такими, как плотности токов, напряженности электрического и магнитного полей.

Для исследования широкого круга устройств можно применять упрощенные методы. Их используют в электротехнике и теории электрических цепей. Они основаны на замене реального устройства некоторой упрощенной моделью, процессы в которой описываются скалярными величинами – токами, напряжениями. Отдельные элементы устройства также, заменяются моделями приближенно отражающими свойства реального элемента. Таким образом, электротехника занимается упрощенными методами исследования и расчета электромагнитных явлений и устройств на их основе, процессы в которых описываются электрическими токами и напряжениями.

Электротехника имеет два направления. Они имеют общую физическую основу, но направлены на решение различных технических задач. Силовая электротехника – это производство и передача электрической энергии и преобразование ее в другие виды: механическую, тепловую, световую. Информационная электротехника - направлена на использование электрических явлений для передачи и обработки информации. Второе направление называют радиоэлектроникой, информационной электроникой, оно изучается в курсе теория электрических цепей и рассмотрено в настоящем пособие.

Глава 1 Основные понятия, определения и законы в теории электрических цепей

1.1 Схема обобщенной электрической цепи

Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, достаточно сложны. Но во многих случаях, их основные характеристики можно описать с помощью таких интегральных понятий, как: напряжение и ток. При таком подходе электрическую цепью рассматривают как совокупность электротехнических устройств, состоящую из соответствующим образом соединенных источников и приемников электрической энергии, предназначенных для генерации, передачи, распределения и преобразования электрической энергии и (или) информации. Электрическая цепь состоит из отдельных частей, выполняющих определенные функции и называемых элементами электрической цепи.

Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов).

Источники электрической энергии предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую.

Приёмники электрической энергии (потребители) – служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии.

Обобщённая электрическая цепь представлена на рис. 1.1. в виде схемы. В ее состав входят:

.

Линия связи - служит средством передачи сигнала (энергии) от источника к приемнику.

Каждый из элементов этой схемы можно рассматривать как электрическую цепь. Чаще всего под электрической цепью в информационной технике понимают линию связи. Сигнал x(t) на входе линии связи называют входным сигналом или воздействием, а сигнал y(t) на выходе называют выходным, откликом или реакцией цепи.

Графически электрическая цепь изображается схемой.

Схема (модель) электрической цепи – представляет собой условное графическое изображение электрической цепи. Различают различные типы схем:

Структурная схема – это условное графическое изображение реальной цепи в виде прямоугольников или условно-графических обозначений (УГО), отражающих только, важнейшие функциональные части цепи и основные связи между ними.

Принципиальная схема – показывает в виде УГО все элементы цепи и порядок соединения между ними.

Схема замещения или эквивалентная схема - составляется из УГО идеализированных элементов, которые заменяют исследуемую реальную цепь в рамках решаемой задачи.

1.2. Основные понятия электрической цепи

Электрические процессы, протекающие в электрической цепи, характеризуются следующими понятиями.

Электрический ток - есть упорядоченное, направленное движение свободных носителей зарядов. Ток характеризуется величиной и направлением. За положительное направление тока принято движение положительных зарядов. Ток неизменный во времени обозначается - I, а переменный - i(t). Единица измерения - Ампер [A]. Также применяют и его производные:

мА = 10^-3 А, где м – милли; мкА = 10^-6 А, мк – микро;

нА = 10^-9 А, н – нано; рА = 10^-12 А, р – пико.

Электрический заряд. При протекании электрического тока через поперечное сечение проводника площадью S за время t переносится определенное количество электричества, то есть электрического заряда. Заряд обозначается - q, или Q= It,. Единица измерения заряда – Кулон [Кл]. Т.о. электрический ток, есть заряд прошедший через заданное сечение проводника за единицу времени:

I=Q/t, .

Электрический потенциал – энергия, которая затрачивается на перемещение положительного единичного электрического заряда из бесконечности в заданную точку электрической цепи. Он обозначается - φ, единица измерения - Вольт [В].

Н апряжение на участке цепи - есть разность потенциалов, на выводах этого участка: U₁₂ = φ₁ - φ₂. Напряжение рассматривается как физическая причина, обуславливающая возникновение тока в цепи. При протекании по участку цепи (рис. 1.2.) электрического тока, на нем возникает падение напряжения. За положительное направление напряжения принято направление в сторону уменьшения потенциала (φ₁> φ₂), т.е. напряжение совпадает с направлением тока. Напряжение указывают стрелкой или знаками «+» и «-». Если φ₁ < φ_2, то напряжение имеет отрицательный знак U₂₁ = -U₁₂ . Напряжению можно дать и другое определение. Напряжение – это энергия, которую необходимо затратить на перемещение положительного единичного заряда из одной точки цепи в другую, т.е. оно определяется как отношение энергии W (dW), необходимой для перемещения положительного заряда q (dq) из одной точки цепи в другую, к величине этого заряда:

U = , или u = .

ЭДС (электродвижущая сила)– это напряжение, которое создается между двумя точками электрической цепи за счет действия некоторых сторонних сил. Эти силы обычно имеют неэлектрическую природу. За положительное направление ЭДС принимают направление в сторону возрастания потенциалов. Элементы создающие ЭДС называют источниками ЭДС. Условное обозначение показано на рис. 1.3. Стрелка в окружности показывает направление возрастание потенциала; напряжение на источнике ЭДС направлено встречно направлению ЭДС, но, учитывая его положительное направление, имеем:

U = E.

Это позволят задавать величину ЭДС через напряжение.

Энергию, выделяемую или поглощаемую, на участке электрической цепи обычно выражают через основные электрические характеристики – напряжение и ток. Учитывая, что dw=u dq и dq=i dt после интегрирования dw получим

w(t) = .

Единица измерения энергии джоуль - [Дж].

Мощность – есть скорость изменения энергии. Единица измерения мощности - Ватт [Bт]

р(t) = = ui.

Если р(t) = ui > 0, то на данном участке происходит поглощение мощности, его энергии увеличивается. Данный участок является потребителем энергии и называется пассивным.

Если ui < 0, то происходит выделение мощности, энергии на данном участке уменьшается. Данный участок содержит источники энергии и называется активным.

Информация – это сведения о поведении интересующего нас события, объекта или явления. Информация не материальна.

Сигнал – это физический процесс, который предназначен для передачи информации на расстояние. Это физический процесс способный распространяться в пространстве.

1.3. Основные законы электрических цепей

Электрические процессы, протекающие в электрических цепях, подчиняются следующим законам.

З акон Ома. Он устанавливает связь между напряжением u= φ₁-φ₂ и током i на участке цепи (рис. 1.4.) i=F(u). Например, для проводника в цепи постоянного тока (i=I), он записывается так:

где G - проводимость участка цепи, единица измерения проводимости - Сименс [См]. R =1/G- сопротивление участка цепи, единица измерения - Ом [Ом].

Так как простейший участок цепи состоит из одного элемента, то закон Ома для элемента является уравнением элемента.

Первый закон Кирхгофа. Он устанавливает связь между токами ветвей в узле электрической цепи. Узел – это точка соединения трех и более элементов. Ветвь - это участок цепи, который включен между двумя узлами, по которому протекает общий для всех элементов ток.

Для узла выполняется закон сохранения заряда – сколько заряда переносится к узлу втекающими токами, столько же заряда выходит из узла, т.е. в узле заряды не накапливаются и не исчезают.

О бобщая сказанное, можно сформулировать первый закон Кирхгофа следующим образом: алгебраическая сумма токов ветвей в узле электрической цепи, в любой момент времени, равна нулю.

,

где n – номер ветви в узле.

Слагаемые суммы берут: со знаком «+» - если токи втекают в узел, и со знаком « - » - если токи вытекают.

Для схемы на рис.1.5 первый закон Кирхгофа записывается следующим образом:

I₁+I₂+I₃- I₄=0.

Второй закон Кирхгофа. Он устанавливает связь между напряжениями на элементах контура (рис. 1.6). Контур состоит из ветвей, образующих замкнутый путь для протекания электрического тока. Для замкнутого контура, также выполняется закон сохранения энергии. Каждый узел или точка электрической цепи обладает собственным потенциалом и, перемещая заряд вдоль замкнутого контура, мы совершаем работу, которая при возврате зарядка в исходную точку будет равна нулю. Это свойство потенциального электрического поля и описывает второй закон Кирхгофа в применении к электрической цепи:

алгебраическая сумма падений напряжений на элементах контура, в любой момент времени равна нулю

,

где k – номер элемента контура.

Для записи 2^-го закона Кирхгофа необходимо:

1. Выбрать условно - положительное направление обходов элементов контура (обычно, почасовой стрелке).

2. Указать положительное направление напряжения на элементах контура.

3. Записать алгебраическую сумму напряжений, в которой со знаком «+» берут те напряжения, которые совпадают с направлением обхода контура, и со знаком «-», те напряжения, которые не совпадают.

Для схемы на рис. 1.6 второй закон Кирхгофа записывается следующим образом: