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:

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

2) Легко дробится

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

4) Экологически чистая

5) 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

ℰ_абс = 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.

1) тепловое; 2) магнитное; 3) химическое

Условие существования постоянного тока

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

2) цепь пост. Тока проводимости должна быть замкнутой;

3) 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)

a)

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

I_об=I₁=I₂

2)U_об=U₁+U₂ 1)U=const

3) R_об=R₁+R₂ U_об=U₁=U₂

4) падение напряжения 2)I_об=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.

1. 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

1) U=U₁=U₂=const 2)U_об=U₁+U₂+…

2) Q_об=q₁+q₂+… Смешанное 3)…

3) С_об= С₁+С₂ С_об=

Электрические цепи-

Совокупность устройств, предназначенных для прохождения тока.

Основные элементы неосновные элементы

1. Источник тока 1) аппаратура элемента

; ; ; E 2) измерительная аппарат.

2. Провода 3) аппаратура защиты

3. 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

1) 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

2) Ветвь – часть цепи между двух узлов

3) 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