Электротехника 3

Введение

      Электротехника-область науки и техники, которая занимается изучение5м электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.

      Эл. энергия широко применяется во всех областях промышленности, с/х, связи, транспорта, автоматики, вычислительной техники, электроники, радиотехники и в быту.

     Преимущества эл. энергии:

Легко преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую, химическую, ядерную и др.)

 Легко дробится

 Передается на большие расстояния, легко регулируется (реостаты) и контролируется (счетчики и др. измерит. приборы)

 Экологически чистая

 Дешевая

     Электроника-область науки, техники и производства, в которой разрабатываются принципы производства и совершенствования электронных приборов, методы инженерного расчета и технологического обеспечения, способы создания электронных систем для нужд.

Формы существования материи



			       вещество	  поля

				молекулы	эл.поле           м.поле

			   атомы                    материя, существующая вокруг заряда

		                                                                              электростат.                  электрич.

		                                                                         (неподвижные q)          (подвижные q)            Эл. заряд-это физ.величина, определяющая интенсивность э/м взаимодействий.

		Электризация-сообщение телу эл.заряда (трение, влияние, прикосновение).

		При электризации выполняется закон эл.заряда: 

		В замкнутой системе алгебраическая сумма эл.зарядов всех частиц остается неизменной

		                                            q1+q2+…+qn=const

		Виды взаимодействия:

		Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются

		Взаимодействие точечных заряженных тел описывается законом Кулона:

		                                               F=k

		R-расстояние между зарядами

		    - в среде         - в вакууме

		ℰ0 – эл.постоянная; 8,85*10-12

		ℰ - относительная диэл. Проницаемость среды

		ℰабс = ℰ0 * ℰ -абсолютная проницаемость среды

		

		

		

		

		

		

		Электрический ток. Параметры тока.

		                            Эл. ток - упорядоченное движение эл. зарядов.

		

		В металлах – упорядоченное                                                В электролитах - упорядоч.

		 движение свободных эл.                                                        движение ионов.

		                                                      В газах – упорядоченное 

		                                                    движение ионов и электр.

		За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

		Действие тока.

		тепловое;    2) магнитное;  3) химическое

		Условие существования постоянного тока

		напряженность эл. поля в проводнике должна быть отлична от нуля и не должна изменяться с течением времени;

		 цепь пост. Тока проводимости должна быть замкнутой;

		На свободные эл. заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать неэлектростат. Силы, называемые сторонними силами.

		Интенсивность направленного перемещения зарядов характеризует величину тока.

		Сила тока - заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника в единицу времени.

		                                                    

		     Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S. Заряд каждой частицы                равен q0 

		Сила тока в метал. проводнике:

		 q0nυS

		  n-число носителей зарядов в единице объема  

		  υ-ср. скорость упорядоченного движения электронов

		               [I]= А

		Силу тока измеряют амперметром.

		Сопротивление – способность проводника изменять силу тока в цепи.

		Зависит:

		от длины проводника                     

		от материала проводника                     

		от S поперечного сечения

		      [R]= Ом

		     – уд. электропроводность           Измеряется:    

		от температуры

		R=R0(1+αt0)

		     R- сопротивление при любой температуре

		     R0 – сопротивление при t=0°

		     α – температурный коэф-т сопротивления

		                           [α]= °C-1

		

		Закон Ома для участка цепи: Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.

		

                                     

		



Электрическое поле

Эл. поле – это  особый вид материи, который существует вокруг любого проводника с током и действует с силой на другой проводник или заряженную частицу, внесенную в него.

Обнаружить эл. поле можно пробным зарядом.

Пробный заряд – это заряд, внесение которого в исследуемое поле не приводит к перераспределению сил в нем.

Основные характеристики электрического поля



Напряженность – величина хар-ая                 Потенциал – это величина, равная        

силу, с которой эл. поле действует                 отношению работе, совершаемой

на заряд, помещенную в данную                     эл.полем при переносе заряда из

		точку эл. поля.                                                         бесконечности в данную точку поля

			             	                                                                   

			Си:[E]= 	                                           Си: [=    = =В  

			Вектор напряженности есть                                - среда

			касательная к силовой линии                             - вакуум

						эл.поля.                   				разность потенциалов	

			                                                                           - = -  = = U(B)

			E=- среда                                                         U- напряжение – разность потенци-

			E=– вакуум                                                       алов, численно ровное работе, 

			                                                                                           Совершаемой эл.полем при пере-

			                                                                                           мещении заряда из одной точки в 

		E=const (поле однородное)	другую.

			E≠const (неоднородное)

			

Sa)

	      Е	Е*S=N-поток

		вектора

	

S⊥E- напряженности

[E]=В*м

б) поток через сферическую поверхность определяется отношением суммы                          зарядов, расположенных внутри этой поверхности к абсолютной      диэлектрической проницаемости среды.            

		 		=



N= - вакуум             N= - среда ⇒ теорема Гаусса

Связь между напряженностью и напряжением  E= – расстояние.



Электропроводность.

Проводники, диэлектрики и полупроводники.

	Электропроводность – способность вещества пропускать электрический ток.

	Проводники

	(обладают высокой электропроводностью)

	

	                                      1 рода                                                          2 род

	           Металлы, среды, электролиты,                              электролиты

		                газы, плазма, вакуум.                                    носителями эл.заряда являются

	         Ток образуется свободными ē,                        ионы – заряженные атомы и 

	     электронная электропроводимость                                молекулы.

	Полупроводники  - материалы, которые по своим эл. свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

	Относятся: германий, кремний, селен, оксиды металлов, соединения металлов с серой. Электропроводность и концентрация носителей зарядов в них зависит от температуры, освещенности, примесей.

	Обладают проводимостью

	                             Электронной(-)                                        дырочной(+)

	Если на п/п действует эл. поле, движение дырок и электронов становится упорядоченным и в п/п возникает эл. ток.

	Применение: выпрямители, усилители, "строительный" материал диодов, трансляторов, микропроцессоров и др.  электронной техники.

	Диэлектрики – ряд веществ, у которых отсутствуют свободные электроны.

	Диэлектрики

	                            полярные                                                                неполярные

	  1)  центры распределения "+"                                      1) центры распределения  

	и  "-" зарядов не совпадают                                  "+" и "-" зарядов совпадают

	   2 ) "поле ориентирует готовые диполи"                 2) поле растягивает молекулы

	                                                                                                           в диполи, оси которых 

	                                                                                                        направлены вдоль поля.

	Эл. диполь – пара разноименных точечных зарядов, связанных между собой и находящихся на малом расстоянии.

	Явление направленного движения свободных носителей эл. зарядов в веществе или в вакууме наз. эл. током проводимости.

	Величина тока проводимости определяется эл. зарядом всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Общий заряд частиц, прошедших через сечение за это время.  

	Q=e*n                 

	I=               [I]=A

	Постоянный ток – эл. ток, длительно не изменяющийся по величине и направлению.

	Переменный ток – эл. ток, изменяющийся в теч.времени.

	Плотность тока – отношение величины тока в проводимости к площади поперечного сечения этого проводника. j= ⇒j определяет интенсивность(способность) проводника определ. Сечение выдерживать ту или иную токовую нагрузку. 

	[j]=

	

	

	

	Понятия активных и пассивных элементов.

	Активные элементы эл. цепи считаются те элементы, в которых эл. энергия переходит в тепловую энергию.

	Цепи, содержащие активные элементы – эл. цепи.

	Виды соединения проводников.

	                       последовательное                                параллельное

				

    1)I=const

           Iоб=I1=I2

	2)Uоб=U1+U2	1)U=const

3) Rоб=R1+R2                                                                                                        Uоб=U1=U2

	4) падение напряжения                                            2)Iоб=I1+I2

	на проводниках прямо                                              3)

	пропорционально их	

сопротивлениям:                                           4) сила тока в участках цепи

		обратно пропорциональны их

		сопротивлениям: 

		 

	                                                                    Смешанное



		

Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью. ;  Си:[g]=сименс  ( сим)

Закон Джоуля – Ленца: кол-во теплоты, выделяемое в проводнике прямо пропорционально приложенному напряжению, силе тока, протекающей в проводнике и времени, в течение которого этот ток протекает.

                                  [Q ]= Дж

Методы расчета эл. цепей.

Метод свертывания.

а) на схеме обозначаются все токи и условные точки

б) заменяются эквивалентными группы резисторов, с явно выраженным последовательным и параллельным соединением и определяются их сопротивления

в) замена ведется до получения простейшей схемы, для которой элементарно определяется общее (эквивалентное) сопротивление всей цепи

г) по заданному напряжению источника и вычисленному общему сопротивлению всей цепи определяется ток  в неразветвленной части цепи

д) определяются падения напряжения на участках цепи и ток каждого резистора.











Электроемкость. Конденсаторы. Виды соединения конденсаторов.

                                                          

			Конденсатор – это устройство, состоящее из двух проводников	(пластин), разделенных диэлектриком, толщина которого мала

		                                        по сравнению с размерами проводников.

		Типы конденсаторов.

		                             

		                     искусственные:                                                          естественные:

		     бумажные, электролитические,                                   электропроводка, две жилы

		      слюденные, воздушные.                                                 кабеля, жила кабеля и броня.

		Цепи, содержащие конденсатор – электростатические цепи.                             Основной параметр – емкость – физ.величина, характеризующая зарядом, который нужно сообщить одной из пластин конденсатора, чтобы напряжение между пластинами изменилось на единицу.

		Обозначение: С              

		Си: [С]= Ф (фарад);         1мкФ=10-6 Ф         1нФ=10-9 Ф       1пФ=10-12 Ф

		Емкость плоского конденсатора

		 – вакуум                                                       - среда

	S –площадь пластин

	D – расстояние между пластинами.

	Емкость конденсатора можно увеличить за счет уменьшения расстояния между пластинами, однако это приведет к уменьшению толщины диэлектрика, т.е уменьшению его электрической прочности. Увеличение емкости конденсатора с опред. диэлектриком можно добиться увеличением площади пластин, но это приведет к увеличению габарита конденсатора.

	Виды соединения конденсаторов

	

	     параллельное                                                                   последовательное

	

	

		U



В один узел соединяется                                           в один узел соединяются конец

начало проводников, др.                                          1-го проводника и начало другого

	узел концы проводников	1) q=q1=q2=const

U=U1=U2=const                                                  2)Uоб=U1+U2+…

Qоб=q1+q2+…                    Смешанное            3)…

Соб= С1+С2                                                             Соб=







Электрические цепи-

Совокупность устройств, предназначенных для прохождения тока.

       Основные элементы                                                     неосновные элементы



ГИсточник тока                                                       1) аппаратура элемента

					; 	; 	; 	E                           2) измерительная аппарат.

				Провода                                                                  3) аппаратура защиты

				Потребитель

		    ⊗	; 		;   

	Два участка цепи

	                            внутренний                                                              внешний

			            источник                                                                 все ост. Части

		Эл. цепи

		                   Активные- цепи, в которых 	пассивные- цепи, в которых 

		                   источниках тока явл-ся                            источник тока явл. двигателем

		                   генератором (направление тока          (направление тока внутри 

		                   внутри источника совпадает с               источника не совпадает с направ-

		                   направлением тока в цепи)                    лением тока в цепи).

		  ЭДС(ℰ)-работа, совершаемая при переносе эл. заряда внутри источника тока.

		                                                                [ℰ]=В

		Основные части эл. цепи

		Узел –точка соединения нескольких проводников

		                   

 Точки, входящие в узел -  приходящие (+)

Точки, выходящие из узла – исходящие(-)

1 закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в ветвях, соединенных в один узел, равна 0

⅀I=0        I1-I2-I3=0

Ветвь – часть цепи между двух узлов

Контур – замкнутый путь, по которому протекает ток.







2 закон Кирхгофа: Суммы ЭДС в контуре равна сумме падения напряжений в этом же контуре   ⅀ℰ=⅀IR

IR-падение напряжения

Для определения законов в алгебраической сумме произвольно задаются направлением обхода контура: по часовой или против часовой стрелки.

Закон Ома для ветвей цепи:

Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.  

R - внешнее сопротивление

r – внутреннее сопротивление ист. тока