Электротехника как понятие

Электротехника и электроника  изучает процессы, которые происходят в электрических цепях постоянного и переменного тока; принцип действия и основные свойства электромашин; электроизмерительные приборы; методы изменения тока, напряжения и сопротивления.

 

Конденсаторы.

 

Конденсатор – накопитель энергии.

Состоит: из двух близко расположенных металлических пластин (обкладки), между которыми находится диэлектрик (не проводит электрический ток) – воздух, слюда, фарфор и др.

На этих пластинах может накапливаться большое количество электричества, поэтому одна из этих пластин заряжается положительно, а другая отрицательно. Чем меньше расстояние между ними, тем большее количество электричества может накапливать конденсатор.

 

- конденсатор

 

С – емкость- «фарады» (Ф)

1Ф = 10 ^-3 млФ

 

Виды соединения конденсаторов:

1. Последовательное соединение

Это такое соединение когда пластина С₁ соединяется с «+» С₂ и т.д.

 

2. Параллельное соединение

Это такое соединение, когда все  «+» пластины конденсаторов соединяются в одну общую точку А, а отрицательные в точку В.

 

С = С₁ + С₂ + С₃ + …+ С_n

 

При таком соединении общая сумма всегда больше данных.

 

 

 

3. Смешанное соединение

Это такое соединение, которое включат  в себя параллельное и последовательные соединения конденсаторов.

 

Емкость конденсаторов можно  вычислить так:

 

– относительная электрическая проницаемость диэлектрика (табл.)

 относительная электрическая  проницаемость вакуума

S  - поверхность одной из пластин конденсатора (м²)

d  - расстояние между пластинами (м)

 

Виды конденсаторов:

В радиотехнике применяются  конденсаторы:

• Постоянной емкости (емкость в процессе работы не меняется)
• С переменной емкостью (емкость можно изменять)

Конденсатор переменной емкости  состоит:

• Статор – неподвижные пластины
• Ротор – подвижные пластины

Превращение подвижных  пластин площадь перекрытия их неподвижными пластинами изменяется, а значит меняется их емкость.

 

Типы конденсаторов:

1. Подстоечные (емкость до 10ов пФ). Емкость изменяется только при регулировке аппаратуры.
2. В зависимости от того какой диэлектрик используется в конденсаторах, они бывают:

1. С воздушным диэлектриком
2. С твердым диэлектриком
3. Жидким диэлектриком

• Чаще применяют керамические конденсаторы. Их диэлектрик – керамика, обкладки – 2 слоя серебра, наносящиеся на керамику. Емкость их до 7000 пФ.

• Также применяют и слюдяные конденсаторы, где пластины разделены между собой слюдяными прокладками. С 10 пФ до 20 пФ.
• Применяют и бумажные конденсаторы, используемые как блокировочные С(450 пФ; 10 мФ)
• Самый простейший – электролитический конденсатор, состоящий из двух алюминиевых пластинок, одна из которых его корпус.

«+»:

 большая С ( при небольших размерах)

«-»:

 необходимость соблюдения  полярности при включении конденсатора  в цепь

низкие рабочие напряжения

зависимость конденсатора от температуры.

 

На всех типах конденсатора указывается величина рабочего напряжения, поэтому напряжение цепи, в которую  включается конденсатор, не должно превышать его рабочее (произойдет пробой диэлектрика, пластины замкнутся на коротко, и он выйдет из строя).

 

Выпускаются конденсаторы с напряжением:

• Керамические (до 20-25 тыс. В)
• Слюдяные (до 30 тыс. В)
• Бумажные (до 35 тыс. В)
• Электролитические (8-500 В)

 

 

Замкнутая электрическая цепь.

Эта цепь состоит из потребителя R, измерительных приборов (А, В и др.), источника питания (батарея или аккумулятор) и соединительные провода.

 

В электротехнике рассматривается  только замкнутая электроцепь, т.к. она обладает:

• Напряжением
• Током
• Сопротивлением

Эта цепь имеет 2 участка:

• Внешний – измерительные приборы, потребитель и соединительные провода
• Внутренний – сам источник питания

 

Закон Ома:

I (А) – ток – направленное движение электронов в проводнике

U (В) – напряжение – разность потенциалов на источнике питания

R (Ом) – сопротивление – способность материала препятствовать прохождению через него электрического тока

q (Сим) – проводимость – способность материала пропускать через себя электрический ток

 

Виды соединения сопротивлений:

1. Последовательное соединение

R = R₁+R₂+ … R_n

I = I₁ = I₂= … I_n

U = U₁ + U₂+ … U_n

2. Параллельное соединение

 

U = U₁ = U₂= … U_n

I = I₁ + I₂+ … I_n

3. Смешанное соединение

 

 
Закон Кирхгофа.

Чаще применяют эл. цепи, где токи от какого-либо пункта могут идти по разным путям и в этих  цепях есть точки, где сходятся несколько проводников – эти точки называются узлами, а участки цепи, которые ветвями.

Сумма токов, проходящих к  узлу равна сумме токов, уходящих из этого узла или алгебраическая сумма всех токов равна нулю.

 

 

Работа и мощность электрического тока.

Энергия - способность тела производить работы.  Энергия тем больше, чем большую работу может произвести тело при движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Электроэнергия превращена в механическую тепловую и химическую энергии, а механическая в электрическую.

Не вся  энергия является мощной, т.к. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов.

A=U·Q , Q=I·t → A= U· I·t (Н·м или Вт·с = Дж)

А –работа (Дж), U – напряжение (В), Q – количество электричества

Р – мощность – работа производимая в секунду

 

Для измерения малых  мощностей применяют млВт = 10^-3Вт

При очень малом внешнем сопротивлении ток в цепи имеет большое значение, а напряжене при этом мало.

При очень большом внешнем сопротивлении ток в цепи равен нулю, поэтому и мощность равно нулю.

Виды мощностей:

Р₂ – полезная мощность (отдается источником энергии во внешнюю цепь)

Р₁ – потребляемая мощность (получается из вне)

Для оценки свойств преобразователя энергии служит КПД: η=

Это выражение показывает что КПД источника тем выше, чем меньше в нем потери энергии.

 

Закон Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока, который выражает переход электроэнергии в тепловую.

 

При  прохождении  эл. тока по проводнику количество теплоты, выделяемой проводником прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени. 

 

Т.к.

Этот закон применяют  при расчете линии электрических  передач, электроосвещения, электронагревательных приборов и т.д.

 

В ЛЭП нагревание связано  с бесполезной затратой электроэнергии. И при больших токах может  создать опасность возникновения  пожаров, поэтому для электроаппаратуры  установили нормы максимального  значения токов.

 

Сечение провода. 

l – расстояние между источником и потребителем

q – удельное сопротивление провода

I – ток

∆U – потеря напряжения

∆U= U_н - U_к

 

 

_{Переменный  ток.}

Переменный ток - ток, который периодически меняется по величине и направлению.

Используется в быту/производстве.

 

Изменяется он по синусоидальному закону:

i = I_m∙sinωt

i – значение переменного тока в любой момент времени (мгновенное значение)

I_m – амплитуда переменного тока (наибольшее «+» или «-» значение переменного тока)

 

 

 

 

 

 

 

Переменный ток характеризуется:

• T – период (Время, в течении которого происходит полное изменение тока) (сек)
• I_m - амплитудой (А)
• f – частотой  f (колеб/сек)   f=50 Гц
• ωt – фазой (характеризует переменный ток с течением времени, выражается через угол, стоящий под знаком синуса) ω=2πf (рад/сек)

 

Цепи переменного  тока.

1. Цепь переменного тока с активным сопротивлением.

(А)       (Вт)

R – активное сопротивление (приборы быта, измерительные приборы)

Р - активная мощность. (Находят только там где есть активное сопротивление)

2. Цепь переменного тока с емкостью (С)

(Ом) ,  (А) ,  (Вар)

С – реактивное сопротивление

Х_с – реактивное сопротивление емкости

Q – реактивная мощность (Вар)

3. Цепь переменного тока с индуктивностью

(Ом),   (А), (Вар)

L – реактивное сопротивление (Гн) «генри»

4. Цепь переменного тока с R и C

, (Ом),   (А)

z – общее сопротивление цепи

т.к. в цепи имеются и активные , и реактивные сопротивления, то то такая цепь обладает тремя мощностями:

• Р – активная ,      
• Q – реактивная          ,      
• S – полная                  (В∙А)

5. Цепь переменного тока с R и L

По аналогии, только вместо X_C ставится X_L

6. Цепь переменного тока с 2R и 2L

,

Дальше как предыдущие

7. Цепь переменного тока с R, С и L

 ,

 

 

Трехфазные электрические  цепи переменного тока.

 

Трехфазная система – совокупность 3-х  электрических цепей, в которых действуют 3 ЭДС (электродвижущие силы) с одной и той же частотой, но сдвинутые по фазе.

Электрические цепи называются фазами 3-х фазной цепи.

Источником  энергии для 3-х фазной системы 3-х фазные генераторы.

В каждую фазу генератора подключается нагрузка, и она симметричная – если в каждую из фаз включены приемники, имеющие равные по величине и одинаковые по характеру сопротивления.

 

 

Способы соединения приемников в трехфазную цепь:

 

1. «Звездой» - (концы сходятся в одной точке)

А,В,С – начала фаз генератора

Линейные провода – провода, соединяющие начала фаз генератора с приемниками,

Ток, проходящий по линейным проводам – линейный, а ток, проходящий по фазной нагрузке – фазный.

Фазное напряжение –  разность потенциалов между началом  и концом фаз генератора, фазных нагрузок или между линейными и нулевым проводами.

Линейное напряжение - разность потенциалов между началами фаз  генератора, фазных нагрузок, а также между линейными проводами.

 

 

При решении  задач в каждую фазу трехфазной цепи могут быть включены как активные, так и реактивные сопротивления, потому если в каждой фазе они равны, то достаточно решить задачу для одной фазы, а результаты умножить 3.

Если же каждая фаза содержи  разные активные и реактивные сопротивления, то расчет ведется отдельно для каждой фазы и найденные мощности в дальнейшем складываются.

 

2. «треугольником» -  «∆»

Соединение, при котором  конец первой соединяется с началом  второй, конец второй с началом третьей и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Трансформаторы. (ТРФ)

 

ТРФ – статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в электроэнергию другого напряжения при той же частоте.

 

Состоит из двух частей:

• Магнитопровод – сердечник
• Обмотки

Для уменьшения потерь сердечник собирают из отдельных тонких пластин из спец. Стали. Толщина на 0,3/0,5 мм. Пластины изолируют друг от друга изолирующими пленками.

 

Схема простейшего  однофазного трансформатора:

Состоит из стального сердечника и двух обмоток: первичной и вторичной.

Работа характеризуется  коэффициентом трансформации (k)

 

ω₁ – число витков первичной обмотки

ω₂ – число витков вторичной обмотки

 

Преобразование электроэнергии в ТРФ сопровождается потерями. Он не имеет движущихся частей (как любая другая машина), поэтому механические потери при работе трансформатора отсутствуют.

 

Режимы работы ТРФ:

• Режим холостого хода (вторичная обмотка разомкнута →трансформатор работает без нагрузки)
• Рабочий режим (режим, при котором во вторичную обмотку включена нагрузка)

 

Каждый ТРФ характеризуется КПД:    η=

Р₂ – мощность отдаваемая нагрузке (Вт)

Р₁ – потребляемая из сети мощность (Вт)

 

Для практического  определения КПД ТРФ необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. КПД составляет 85-95%.

 

Виды ТРФ:

1. Трехфазный (применяют для преобразования тока трехфазной системы)