Белов Н. В. Волков Ю. С.
Электротехника и основы электроники
Издательство Лань, Санкт-Петербург, 2012 год, 432 страницы.
Содержание
Введение
- Электрические цепи постоянного тока.
- Магнитные цепи и электромагнитные явления.
- Однофазные цепи переменного тока.
- Трехфазные цепи.
- Несинусоидальные токи. Переходные процессы в линейных электрических цепях.
- Электрические измерения и приборы.
- Электронные приборы.
- Преобразователи электрической энергии.
- Электронные усилители и генераторы.
- Импульсные и цифровые устройства.
- Общие сведения об электрооборудовании.
- Трансформаторы.
- Асинхронные двигатели.
- Синхронные машины.
- Машины постоянного тока.
- Электропривод и электроснабжение.
- Электромагнитное поле.
Основные понятия и термины.
Аннотация
Предметом дисциплины «Электротехника и электроника» является применение электромагнитных явлений для преобразования энергии, информации и вещества. Магнитные явления, известные с древности, первым начал изучать У. Гилберт (1600). Большой вклад в исследование электрических и магнитных явлений внесли М. В. Ломоносов и Б. Франклин. В конце ХVIII в. Ш. О. Кулон открыл законы взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов, А. Вольта изобрел гальванический элемент.
В первой половине XIX в. было изучено химическое, световое, тепловое и магнитное действие тока, а также силовое и индукционное действие магнитного поля. Г. Х. Эрстед в 1820 г. показал, что магнитное поле создается током, затем А. М. Ампер установил законы силового взаимодействия токов. Вращающееся магнитное поле наблюдал Д. Ф. Араго (Франция, 1824).
Электротехника как наука родилась в 1831 г., когда М. Фарадей открыл, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое, и выявил единство электромагнитных явлений. Дж. Генри (США) исследовал электромагниты, изучил явление самоиндукции. Работы Кулона, Эрстеда, Ампера, Фарадея и других ученых заложили ту экспериментальную основу, на которой была произведена последующая математизация электротехники и созданы математические модели явлений, процессов и устройств.
Г. С. Ом обнаружил линейную связь между напряжением и током для ряда материалов. В 1847 г. Г. Р. Кирхгоф установил законы цепей, носящие его имя. Теорию электромагнетизма в 1873 г. обобщил Дж. К. Максвелл. Немецкий физик В. Э. Вебер (1804–1891) разработал систему электрических и магнитных единиц. В 1886 г. Г. Герц открыл электромагнитные волны. С. Аррениус объяснил электропроводность раствора тем, что в нем молекулы растворимого вещества распадаются на заряженные ионы.
Практическое применение знаний об электромагнитных явлениях постоянно расширялось. Было установлено, что электрическая энергия способна производить работу, например нагревать материалы или перемещать объекты. Первыми источниками электрической энергии послужили химические батареи. В. В. Петров изучал пробой диэлектрической жидкости и электрическую дугу, предсказал большое будущее электронагреву. Э. Х. Ленц экспериментально обосновал тепловое действие тока, исследовал явление электромагнитной индукции, открыл обратимость электрических машин.
В 1838 г. Б. С. Якоби с помощью двигателя постоянного тока преобразовал электрическую энергию химической батареи в механическую работу гребного винта шлюпки и тогда же положил начало технологическому применению гальванотехники. З. Т. Грамм в 1870 г. разработал машинный генератор постоянного тока, преобразующий механическую энергию в электрическую.
Цепи переменного тока в 1876 г. были освоены П. Н. Яблочковым. В этих цепях производилась энергия переменного тока, которая трансформаторами распределялась между лампами.
Позднее трансформаторы были усовершенствованы О. Блати, М. Дерном и др. Изучение ферромагнитных материалов начал А. Г. Столетов. Заметный вклад в развитие средств электроснабжения внесли Ф. А. Пироцкий и Д. А. Лачинов.
В 1888 г. Н. Тесла дал научное описание вращающегося магнитного поля, получил патенты на электрические машины и системы передачи электроэнергии переменного тока. В том же году М. О. Доливо-Добровольский создал первый трехфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем, предложил асинхронный трехфазный двигатель с ротором из литого железа с насаженным медным цилиндром. В 1891 г. он построил трехфазную цепь, содержащую генератор, трансформатор, линию передачи и асинхронный двигатель.
Электромагнитные явления стали основой новых технологий. Известны работы П. Н. Яблочкова и А. Н. Лодыгина по осветительным приборам, Н. Н. Бенардоса и Н. Г. Славянова — по электросварке, А. С. Попова — по радиосвязи. По предложению В. Н. Чиколева в России с 1880 г. началось издание журнала «Электричество».
Профессор Санкт Петербургского технологического института Р. Э. Ленц в 1884 г. выделил электротехнику в самостоятельную дисциплину (до этого она преподавалась в курсе физики). В России преподавание электротехники в вузах началось в 1904–1905 гг. почти одновременно в Санкт-Петербурге (В. Ф. Миткевич) и в Москве (К. А. Круг). Первая отечественная книга по электротехнике — работа К. А. Круга «Основы электротехники» (1916). Имена великих ученых увековечены в названиях законов, единиц измерения, приборов и устройств.
В начале ХХ в. родилась электроника, в которой используются электромагнитные явления в различных средах. Производственные задачи стали решаться совместным использованием электрических и электронных устройств.
Электротехника изучает процессы и устройства для производства, передачи, преобразования и применения электрической энергии; представляет математическое описание (математические модели) процессов и устройств. Работа электротехнических устройств основана на процессах, сопровождающих токи в проводниках.
Электроника изучает применение электромагнитных процессов, протекающих в вакууме, газах, полупроводниках и на границах некоторых сред. Эти процессы отличаются быстродействием, высокой управляемостью и возможностью различных взаимных преобразований.
На рубеже ХIХ–ХХ вв. завершился начальный этап создания электрических устройств. Электрическая энергия стала одним из продуктов производства и товаром. Увеличивалась ее выработка, началась широкая электрификация развитых стран, возрастал выпуск электротехнических и электронных устройств различного назначения. Машинная и автоматическая технология производства потребовала большего количества энергии, которую считают движущей силой народного хозяйства, мерилом технического развития государства. Это объясняется тем, что электрическая энергия по сравнению с другими формами энергии обладает рядом достоинств. Ее передача на расстояние по проводам производится почти мгновенно и не сопровождается дорогостоящим переносом вещества. Устройства для прямого и обратного преобразования электрической энергии в иные формы (механическую, тепловую, лучистую и др.) отличаются простотой, управляемостью, высоким КПД. При потреблении электрической энергии окружающая среда не загрязняется.
Однако при производстве электроэнергии, особенно на тепловых станциях, природе наносится ущерб. Электрическую энергию нельзя накапливать в больших количествах, поэтому равны мощности ее производства и потребления. При использовании электроустановок требуется строго соблюдать технику безопасности. Электрические и электронные устройства создают электромагнитные помехи, осложняющие работу средств связи и управления.
В природе нет естественных источников электрической энергии. В электрическую форму преобразуется кинетическая энергия рабочих сред, в которую переходит химическая энергия топлива, потенциальная энергия воды в поле тяготения Земли, ядерная энергия. Соответственно электроэнергия вырабатывается на тепловых электростанциях, гидравлических и атомных.
Доля энергии, получаемой из возобновляемых источников (ветра, морских волн, подземного тепла, солнечного излучения), пока невелика.
Среди всех энергоресурсов электрическая энергия составляет около 30%. Примерно 70% этой энергии расходуется в промышленных отраслях, 30% — в коммунально-бытовых. Электрическая энергия потребляется во всем народном хозяйстве, но главным образом в металлургии, химической промышленности, машиностроении, на транспорте. Непрерывно растет энерговооруженность труда, без чего невозможно повысить производительность. В промышленности более 60% всей электроэнергии приходится на механическую работу, 15% — на нагрев, 10% — на освещение. Около 15% расходуется на технологические процессы, в ряде которых электромагнитные явления действуют непосредственно. Велико значение электромагнитных процессов в преобразовании и перемещении вещества, обработке информации, измерениях, управлении, охране природы…
Без электрификации невозможны механизация, автоматизация, роботизация, информатизация производства. Любая крупная авария в системе электроснабжения напоминает о том, что электрическая энергия — важнейшая из основ современной цивилизации. Электротехнические и электронные устройства просто согласуются друг с другом, причем первые обычно служат средствами преобразования энергии, а вторые — для управления и обработки информации. Применение таких устройств позволяет существенно улучшить условия труда, повысить качество продукции и показатели процессов производства.