Файл: Т_1.doc

Кафедра электротехники и электрических машин

Лекция № 1

по дисциплине «Теоретические основы электротехники, ч.1»

для студентов направления подготовки:

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Тема № 1. Электрические цепи постоянного тока

Краснодар 2015 г.

Цели: 1. Формирование следующих компетенций:

1. ОПК-2 способность применять соответствующий физико-математический аппарат, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач

2. ОПК-3 способность использовать методы анализа и моделирования электрических цепей

2. Формирование уровня обученности:

должны знать – методы анализа и моделирования электрических цепей и электромагнитного поля при решении профессиональных задач.

Материальное обеспечение:

Проектор, ПК, комплект слайдов «ТОЭ, тема 1».

Учебные вопросы

Вводная часть.

Основная часть:

1.1. Основные электрические величины.

1.2. Электрическая цепь и ее элементы.

1.3. Схема замещения электрической цепи.

1.4. Законы электрических цепей.

Заключение.

Литература

1.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи.: учебник для бакалавров – 11-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2012. – 701 с.: ил.

---

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника – область науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для практических целей.

Электрические и магнитные явления были предметом наблюдений, а затем изучения и применения с древнейших времен (электризация трением, грозовые разряды, отклонение магнитной стрелки).

Первое обстоятельное научное сочинение о магнитных и электрических явлениях, положившее начало исследованиям в области электричества и магнетизма, написано врачом английской королевы Елизаветы Уильямом Гильбертом (1540-1603) в 1600 г.

В 18-м веке были изучены основные явления электростатики – извлечение трением и накопление статического электричества, его измерение (Рихман), разделение на положительные и отрицательные заряды (Франклин), изучение атмосферного электричества (Ломоносов, Рихман, Франклин), открытие явления электростатической индукции (Эпинус), закон взаимодействия электрически заряженных тел (французский военный инженер Шарль Огюст Кулон, 1785 г.).

В 19-м веке были изучены фундаментальные электрические и магнитные явления.

Итальянский врач Луиджи Гальвани в 1791 г. открыл физиологическое действие тока – животное электричество.

В 1800 г. французский физик Алессандро Вольта создал первый искусственный генератор электрического тока – «вольтов столб» (серебряно-цинковый гальванический элемент).

После известия о гальвани-вольтовских опытах в 1803 г. русским физиком Василием Владимировичем Петровым была написана первая монография о новом источнике электричества, создана самая мощная по тем временам батарея из 2100 медно-цинковых элементов и проведены с ней опыты. В результате этих опытов (короткое замыкание батареи) была открыта электрическая дуга.

Эрстед в 1820 г. открыл явление электромагнетизма. Он обнаружил вокруг проволоки с током магнитное поле, действующее на ток.

В 1826г. Ампер издает основы электродинамики – учения о движении и взаимодействии электрических зарядов «теория электродинамических явлений».

Фарадей в 1831 г. сформулировал закон электромагнитной индукции.

Устанавливаются фундаментальные законы теории электрических и магнитных цепей – закон Ома (1827 г.), Кирхгофа (1847 г.).

Максвеллу принадлежит создание теории электромагнитного поля («Трактат об электричестве и магнетизме», 1873 г.).

В 1886-1889 гг. Герцу и в 1895 г. Попову принадлежит открытие и изучение явления распространения электромагнитных волн.

Изучение электрических и магнитных явлений создало теоретическую и практическую базу для овладения человечеством новым видом энергии – электрической.

1. Электрические и магнитные явления обусловлены существованием, движением и взаимодействием заряженных частиц и окружающих их электромагнитных полей (из которых состоят все тела в природе).

2. Заряженные частицы и окружающие их электромагнитные поля обладают энергией (электрической энергией).

3. Задача электротехники заключается в получении (высвобождении, выделении) электрической энергии, ее передаче и преобразовании в другие необходимые потребителю виды энергии.

---

Достоинства электрической энергии.

1. Универсальность преобразования в любой вид энергии и наоборот.

2. Передача на огромные расстояния с малыми потерями и исключительно быстро.

3. Простота дробления.

4. Простота управления.

5. Постоянная готовность к работе.

6. Отсутствие загрязнения среды.

Электрическая энергия широко используется во всех трех сферах деятельности человека:

• переработка энергии (генераторы, двигатели, энергосистемы), преобразование и передача первичной энергии, запасенной в природе, потребителю;

• переработка информации (радиотехника, электроника, измерительная техника, системы автоматического контроля, компьютерная и телекоммуникационная техника и технологии);

– переработка материалов (электрофизические методы обработки материалов).

С конца 19 века и по настоящее время человечество переживает процесс сплошной электрификации всех отраслей материального производства.

В промышленно развитых странах каждые 10 лет потребление энергии удваивается. В слаборазвитых странах удвоение происходит каждые 4 года. Для сравнения: потребление всех видов энергии в мире удваивается каждые 15 лет).

К 2000 году доля потребления электрической энергии в мире составила 40% от общего потребления энергии (15% в 1975г.).

Курс ТОЭ является фундаментальным для подготовки инженеров-электриков.

Основная задача изучения курса ТОЭ – изучение одной из форм материи, электромагнитного поля и его использования в различных устройствах техники, изучение методов анализа, синтеза и расчета электрических и магнитных полей для понимания и успешного решения проблем электроэнергетики.

Литература

1. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники т. 1-Л.: Энергоиздат, 1981. -536 с.

2. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники т. 2-Л.: Энергоиздат, 1981. -416 с.

3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. -8-е изд- М.: Высш. Школа, 1984. -559 с.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. -8-е изд- М.: Высш. Школа, 1986. –263 с.

5. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. - М.: Высш. Школа, 1981. -333 с.

6. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи. - М.: Высш. Школа, 1986. –352 с.

7. Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники. Под ред. П.А. Конкина. - М.: Энергоиздат, 1982. -760 с.

8. Сборник задач по теоретическим основам электротехники Под ред. Бессонова Л.А. -2-е изд. - М.: Высш. Школа, 1980. -472 с.

9. Сборник задач по теории электрических цепей. Под редакцией П.Н. Матханова и Л.В. Данилова. -М.: Высш.школа, 1980. -224с

10. Понятия и термины, КПИ, 1988.

11. Задачи по 1 части, КПИ, 1984. Задачи по 2 части, КПИ, 1984.

---

1.1. Основные электрические величины

Электромагнитные процессы в электрических цепях характеризуются следующими основными электрическими величинами:

• э.д.с.,

• электрический потенциал,

• электрическое напряжение,

• электрический ток,

а также энергетическими величинами:

• электрическая энергия,

• электрическая мощность.

Потенциал  некоторой точки электрической цепи – величина, равная потенциальной энергии W, которой обладает единичный положительный заряд, находящийся в данной точке.

[Дж]/[Кл]=[В].

Если соединить данную точку электрической цепи с точкой с нулевым потенциалом (заземленной точкой), то энергия по перемещению заряда из данной точки в нулевую равна W (независимо от пути !).

Разность потенциалов двух точек электрической цепи (₁–₂) равна работе по перемещению единичного положительного заряда из одной данной точки в другую.

.

В источнике за счет внешних сил неэлектрического происхождения (сторонних сил), действующих навстречу электростатическим силам взаимодействия заряженных частиц внутри источника, происходит разделение зарядов, создается и поддерживается разность потенциалов на зажимах источника – электродвижущая сила (э.д.с.).

Э.д.с. e(t), E – энергия, которую приобретает единичный положительный заряд, перемещаясь под действием сторонних сил внутри источника (работа, совершаемая сторонними силами при переносе единичного положительного заряда между зажимами источника). Э.д.с. равна разности потенциалов на зажимах источника.

.

Под действием э.д.с. источника (разности потенциалов на зажимах источника, электрического поля источника) в электрической цепи, составленной из проводников, начнется направленное, упорядоченное движения электрических зарядов – потечет электрический ток.

Электрический ток – направленное, упорядоченное перемещение электрических зарядов в электрической цепи.

Мгновенное значение тока – величина переменного тока в каждый момент времени:

.

Постоянный ток:

[Кл]/[с]=[А].

Под направлением тока понимают направление перемещения положительных зарядов.

Величина тока (сила тока) определяется количеством электричества (зарядом), перемещающимся через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Плотность тока – сила тока через единицу площади поперечного сечения проводника.

Для равномерно распределенного тока по сечению:

[А/м²].

Напряжение (падение напряжения на участке цепи, разность потенциалов на зажимах приемника) u(t), U – работа, совершаемая силами электрического поля источника по перемещению единичного положительного заряда по этому участку цепи.

.

Понятие напряжения имеет смысл для двух точек электрической цепи.

Диапазоны напряжений:

• аккумуляторные батареи 1 – 12 В;

• коммунальная сеть 127 – 380 В;

• кабельные сети 6 – 11 кВ;

• воздушные линии 110 – 1000 кВ;

• молния 100 000 кВ.

---

Диапазоны токов:

• электроника – мкА, мА;

• лампы накаливания до 1 А;

• нагревательные приборы до 10 А;

• электродвигатели – десятки, сотни А, кА.

Электрическое сопротивление – препятствие упорядоченному движению электрических зарядов.

Природа сопротивления и энергетические процессы в нем могут быть различны. Наличие сопротивления связано с расходом энергии источником и преобразовании на элементе, обладающем сопротивлением, электромагнитной энергии источника в другие виды энергии.

Энергия, израсходованная в цепи к моменту времени t при прохождении тока i(t) под действием напряжения u(t):

[Дж],

где p(t) – мгновенная мощность – интенсивность энергетического процесса в каждый момент времени;

p(t)=u(t)i(t).

Для постоянного тока:

P=UI [Вт].

---