Что нужно знать по электротехнике для экзамена

198

Преимущества электрической энергии. Основные электротехнические понятия. Электрический ток. Электрическая цепь. Сила тока. ЭДС. Напряжение. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон Джоуля-Ленца.

Ответ: Преимущества электрической энергии.

В настоящее время электрическая энергия – самый распространенный вид энергии и по сравнению с другими видами энергии обладает следующими преимуществами:

1.     Электрическая энергия – единственный вид энергии, который можно производить централизованно в больших количествах, что обеспечивает низкую её стоимость;

2.    быстро и экономично передается на большие расстояния;

3.    легко делится и распределяется между потребителями;

4.    легко преобразуется в другие виды энергии, что делает её универсальным энергоносителем;

5.     является единственным видом энергии, на использовании которой основана работа телекоммуникационных систем, электронно-вычислительной техники, современных систем управления и автоматики.

6.    Потребители электрической энергии отличаются высокой экономичностью и экологической чистотой.

 Несмотря на все эти достоинства электрической энергии свойственны и определенные недостатки:

1.     Электрическая энергия в промышленном масштабе не может быть запасена впрок в больших количествах;

2.     В природе нет естественных источников и запасов электрической энергии, пригодных для практического использования.

3.     специфические загрязнения окружающей среды: электромагнитные поля и электромагнитные излучения, действие которых на человека практически не исследованы.

 Электрическую энергию в промышленных масштабах получают в основном на тепловых электрических станциях за счет использования энергии первичных источников (уголь, газ, мазут).

1). Электрический ток. Сила тока

Упорядоченное направленное движение свободных электрических зарядов в пространстве под действием силы электрического поля называют электрическим током. Количественной мерой электрического тока является сила тока I [A]. Сила тока в электрической цепи определяется количеством электричества dQ [ Кл ], проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени (с): I = dQ /dt [ Кл/с ], [A]. При измерении количества электричества часто пользуются единицей измерения — Ампер-секунда (Q = 1 Кл = 1 А-с), а при измерении больших количеств – Ампер-час (1А-час = 3600 А-с ).

2). Электрическая цепь

Электрическая цепь – это совокупность соединённых между собой электротехнических устройств, обеспечивающих прохождение электрического тока и предназначенных для производства электрической энергии, а также её передачи, распределения и преобразования в требуемый вид энергии (работу).

 Чтобы по электрической цепи протекал электрический ток, эта цепь должна быть «замкнута». «Разрыв» электрической цепи в любом месте, т.е. появление в цепи непроводящего участка, приводит к прекращению электрического тока.

Простейшая электрическая цепь содержит следующие элементы:

1. Источник электрической энергии (генерирующее устройство) — преобразует какой-либо вид первичной энергии в электрическую;

2. Соединительные провода – соединяют зажимы источника электрической энергии и потребителя и служат для передачи электрической энергии;

3. Потребитель электрической энергии — служит для преобразования электрической энергии в требуемый вид энергии, т.е. в работу.

Кроме этих устройств электрическая цепь обычно содержит электроизмерительные приборы, различные сигнальные, регулирующие, коммутирующие, защитные и другие электротехнические устройства.

3.) Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение

При протекании электрического тока по электрической цепи совершается работа (механическая, тепловая и др.), на выполнение которой источник электрической энергии затрачивает некоторую энергию. Количественной мерой этой энергии источника является электродвижущая сила [Е] — ЭДС источника электрической [В] – это его полная энергия, которую он может израсходовать на получение работы, совершаемой при перемещении единицы количества электричества по замкнутому контуру электрической цепи (а — а): E аа = dW аа /dQ [B].

 Для характеристики работы, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке электрической цепи, используется понятие разность потенциалов или напряжение [U]. Напряжение [U] характеризуется работой, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке цепи (c — d): Ucd = dWcd /dQ [B].

4). Закон Ома

закон Ома : I = Y U ,здесь Y [1/ Ом ], [Сименс], [См] – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от свойств и параметров проводника и называется проводимостью.

 Для цепи постоянного тока закон Ома записывается в виде формулы: I = U/R , а для цепи переменного тока: I = U/Z , где Z — полное сопротивление электрической цепи переменного тока.

5). Работа и мощность в электрической цепи

При прохождении электрического тока по электрической цепи в ней происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, т.е. совершается работа [dW] [Дж] или [Н∙м]. Из выражения для напряжения: U = dW /dQ можно записать: dW = U dQ = U I dt [Дж], или : W = U I t [Дж].

  Для характеристики скорости энергетического процесса преобразования и обмена электрической энергией в электрических цепях переменного тока используют понятие — полная мощность [S] [ВА]: S = dW /dt = U I .

Скорость процесса преобразования электрической энергии в другие виды энергии – характеризуется понятием — активная мощность Р [Вт]. В случае, когда проводник, по которому течёт электрический ток не перемещается (отсутствует механическая работа) и в проводнике не происходит химических превращений, то вся энергия электрического тока преобразуется во внутреннюю энергию, которая выделяется в виде тепла. В случае такого полного преобразования электрической энергии в тепловую для определения активной мощности используется формула Джоуля-Ленца: P = I² R [Вт]. По этой же формуле обычно определяют тепловые потери («джоулевы» потери) в различных электротехнических устройствах, машинах, аппаратах и др.

 Скорость процесса обмена электрической энергией между электромагнитными полями в электрических цепях переменного тока вводится понятие — реактивная мощность Q=I²X, единица измерения Вольт-Ампер реактивный [ВАр]

2. Электрическая цепь постоянного тока. Основные элементы и их условно-графические обозначения. Методы расчета цепей постоянного тока (правила Кирхгофа, метод эквивалентных преобразований).

Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью электрических величин — электродвижущей силы (E), тока (I) и напряжения (U).

Для расчета и анализа режимов работы реальных устройств электрических цепей используют эквивалентные схемы замещения. Чем точнее элементы схемы замещения отражают реальную цепь, тем точнее ее расчет и анализ режимов работы.

Схемы замещения линейных электрических цепей постоянного тока можно составить с помощью двух типов идеальных элементов (Рис.1):

идеального источника Э.Д.С. с параметром Е (Рис.1а) и идеального резистора (сопротивления) с параметром R (Рис.1б).

Электрические провода, соединяющие такие элементы, изображаются на схемах в виде отрезков прямых линий, электрическим сопротивлением этих проводов при анализе и расчете пренебрегают.

Ветвью называют участок цепи вдоль которого протекает один и тот же ток и который состоит из последовательно соединенных элементов.

Узлом называется место соединения трех и более ветвей.

Контуром называется любой замкнутый путь цепи, который можно обойти, двигаясь по ее ветвям.

Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа.

Закон Ома для участка цепи

Соотношение между током I, напряжением U_R и сопротивлением R участка аb электрической цепи выражается законом Ома: или U_R = RI-падение напряжения на резисторе R

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:

Закон Ома для всей цепи

Этот закон определяет зависимость между ЭДС Е источника питания с внутренним сопротивлением r0 , током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R_Э = r₀ + R всей цепи:

Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.

Первый закон Кирхгофа

В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю: ,

где m-число ветвей подключенных к узлу.

При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус».

Второй закон Кирхгофа

В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках: , где n – число источников ЭДС в контуре; m – число элементов с сопротивлением Rк в контуре;

Uк = RкIк – напряжение или падение напряжения на к-м элементе контура.

Электротехника: вопросы к экзамену (с ответами)

1 Электрическое поле (эп) и его основные характеристики: напряженность поля, электрическое напряжение, потенциал точки поля. Графическое изображение эп.

Каждый
химический элемент (вещество) состоит
из совокуп­ности
мельчайших материальных частиц —
атомов. В
состав атомов любого вещества входят
элементарные частицы,
часть которых обладает электрическим
зарядом.

Атом
пред­оставляет
собой систему, состоящую из ядра, вокруг
которого вра­щаются
электроны.

Если
нарушается равенство числа электронов
и протонов, то из электрически
нейтрального атом становится заряженным.
Заря­женный атом называется ионом.

Если
в силу каких-либо причин атом потеряет
один или не­сколько
электронов, то в нем нарушится равенство
зарядов и та­кой
атом становится положительным ионом,
поскольку в нем преобладает
положительный заряд протонов ядра. Если
атом приобретает
один или несколько электронов, то он
становится отрицательным
ионом, так как в нем преобладает
отрицатель­ный
заряд.

Вещество
(твердое тело, жидкость, газ) считается
электрически нейтральным,
если количество положительных и
отрицательных зарядов
в нем одинаково. Если же в нем преобладают
положи­тельные или отрицательные
заряды, то оно считается соответст­венно
положительно или отрицательно заряженным.

Электрический
заряд или заряженное тело создают
электриче­ское
поле.

Электрическое
поле
—
это
пространство вокруг заряженного тела
или
заряда, в котором обнаруживается действие
сил на пробный за­ряд,
помещенный в это пространство.

Электрическое
поле, создаваемое неподвижными зарядами,
называется
электростатическим.

Напряженность
поля:

Обнаружить
электрическое поле можно пробным
зарядом, если поместить
его в это поле. Пробным называется
положительный заряд,
внесение которого в исследуемое поле
не приводит к его изменению.
То есть пробный заряд не влияет ни на
силу, ни на энергию,
ни на конфигурацию поля.

Если
в точку А
электрического
поля (рис. 1.2), созданного за­рядом Q,
расположенную
на расстоянии r
от
него, внести пробный
заряд q,
то
на него будет дейст­вовать
сила F,
причем
если заряды Q
и
q
имеют
одинаковые знаки, то они отталкиваются
(как это изобра­жено на рис. 1.2), а если
разные, то притягиваются.

Величина
силы F,
действующей
на пробный заряд q,
помещен­ный
в точку А
электрического
поля, пропорциональна величине заряда
q
и
интенсивности электрического поля,
созданного заря­дом
Q
в
точке
А

F=qE_A, (1.1)

где
Ё_А
— напряженность
электрического поля, характеризующая
интенсивность
поля в точке А.
Из
(1.1) видно, что

. (1.2)

То
есть напряженность каждой тонки
электрического поля харак­теризуется
силой, с которой поле действует на
единицу заряда, по­мещенного
в эту точку. Таким
образом, напряженность является силовой
характеристикой каждой точки электрического
поля.

Измеряется
напряженность электрического поля в
вольтах на метр
[Е] = В/м.

Напряженность
электрического поля — величина векторная.

Направление
вектора напряженности в любой точке
электриче­ского поля совпадает с
направлением силы, действующей на
поло­жительный
пробный заряд, помещенный в эту точку
поля (см.
рис.
1.2).

Поскольку в
дальнейшем будут учитываться только
значения силы
и напряженности, будем обозначать их F
и
Е соответственно.

Напряженность
является параметром каждой точки
электриче­ского поля и не зависит от
величины пробного заряда q.
Измене­ние
величины q
приводит
к пропорциональному изменению си­лы
F‘(1.1),
а отношение F/q
(1.2),
т.е. напряженность Е_А,
остает­ся
неизменной.

Для
наглядности электрическое
поле изображают электриче­скими
линиями,
которые иногда называют линиями
напряжен­ности
электрического поля, или силовыми
линиями. Электриче­ские
линии направлены от положительного
заряда к отрицательному.
Линия проводится так, чтобы вектор
напряженности поля в
данной точке являлся касательной к ней
(рис. 1.3в).

Электрическое
поле называется однородным, если
напряжен­ность
его во всех точках одинакова по величине
и направлению. Однородное
электрическое поле изображается
параллельными ли­ниями,
расположенными на одинаковом расстоянии
друг от друга.

Однородное поле,
например, существует между пластинами
плоского конденсатора (рис. 1.3г).

Потенциал
и напряжение в (ЭП):

Для
энергетической характеристики каждой
точки электриче­ского поля вводится
понятие «потенциал». Обозначается
потен­циал
буквой φ.

Потенциал
в каждой точке электрического поля
характеризуется энергией
W,
которая затрачивается (или может быть
затрачена) полем
на перемещение единицы положительного
заряда q
из данной точки
за пределы поля, если поле создано
положительным зарядом, или
из-за пределов поля в данную точку, если
поле создано отрица­тельным зарядом
(рис.
1.7а).

Из
приведенного выше определения
следует, что потенциал
в точке А
равен
φ_A=W_A/q;
потенциал
в точке В
—
φ_В=
W_B/q,
а
по­тенциал в точке С
—
φ_С=
W_c/q.

Измеряется
потенциал в
вольтах

Величина потенциала
в каждой точке электрического поля
определяется выражением

(1.12)

Потенциал
— скалярная величина. Если электрическое
поле со­здано
несколькими зарядами, то потенциал в
каждой точке поля определяется
алгебраической суммой потенциалов,
созданных в этой точке каждым зарядом.

Так
как (рис. 1.7а) r_A<r_B<r_c,
то
из (1.12) следует, что φ_А>φ_г>φ_С,
если поле создано положительным зарядом.

Если
в точку А
(рис.
1.7а) электрического поля поместить
по­ложительный
пробный заряд q,
то
под действием сил поля он будет
перемещаться из точки А
в
точку В,
а
затем в точку С, т. е. в направлении поля.
Таким образом, положительный пробный
заряд
перемещается из точки с большим
потенциалом в точку с
меньшим потенциалом. Между двумя точками
с равными по­тенциалами
заряд перемещаться не будет. Следовательно,
для перемещения
заряда между двумя точками электрического
поля должна
быть разность потенциалов в этих точках.

Разность потенциалов
двух точек электрического поля
характеризует
напряжение U
между
этими точками

Напряжение
между двумя точками электрического
поля харак­теризуется
энергией, затраченной на перемещение
единицы положи­тельного
заряда между этими точками, т. е. U_AB=
W_AB/q.
;
Измеряется напряжение в вольтах (В).

Между
напряжением и напряженностью в од­нородном
электрическом поле (рис. 1.8) сущест­вует
зависимость

откуда
следует

Из
(1.13) видно, что напряженность однородного
электричес­кого поля определяется
отношением напряжения между двумя
точками
поля к расстоянию между этими точками.

В
общем случае для неоднородного
электрического поля значе­ние
напряженности определяется отношением

(1.14)

где
dU
— напряжение
между двумя точками поля на одной
элект­рической
линии на расстоянии di
между
ними.

Единица
напряженности электрического поля
определяется из выражения
(1.13)

Потенциалы
в точках электрического поля могут
иметь различные значения. Однако в
электрическом
поле можно выделить ряд точек
с одинаковым потенциалом. Поверхность,
проходящая через эти точки, называется
равнопотенциальной, или эквипотенциальной.
Равнопотенциальная
поверхность любой конфигурации
перпендикулярна к линиям Рис.
1.9 электрического
поля. Обкладки цилиндри­ческого
конденсатора (рис. 1.76) и плоского
конденсатора (рис. 1.9)
имеют одинаковый потенциал по всей
площади
каждой обкладки и являются равнопотенциальными
поверхностями.

1. ЭП
   точечного заряда. Закон Кулона. Теорема
   Гаусса.

Точечным
считается заряд, размерами которого
можно прене­бречь по сравнению с
расстоянием, на котором рассматривается
его
действие.

Сила
взаимодействия F
двух
точечных зарядов Q
и
q
(рис.
1.2) определяется
по закону Кулона:

(1.3)

где
г
—
расстояние между зарядами; £_а
— абсолютная диэлектри­ческая
проницаемость среды, в которой
взаимодействуют заряды. Из
(1.3) следует, что напряженность
электрического поля заряда Q
в
точке А
(рис.
1.2) равна

(1.4)

Таким
образом, напряженность поля Е_л,
созданная
зарядом Q
в
точке А
электрического
поля, зависит от величины заряда Q,
создающего
поле, расстояния точки А
от
источника поля r
и от абсолютной
диэлектрической проницаемости среды
ε_a,
в которой создается
поле. Диэлектрическая проницаемость
характеризует электрические свойства
среды, т. е. интенсивность поляризации.

Единицей
измерения абсолютной диэлектрической
проницае­мости среды является фарад
на метр

так как Кл/В = Ф.

Различные
среды имеют разные значения абсолютной
диэлект­рической
проницаемости. Абсолютная
диэлектрическая проницаемость вакуума

(1.5)
называется
электрической постоянной.

Абсолютную
диэлектрическую проницаемость любой
среды s_a
удобно
выражать через электрическую постоянную
£о и диэлектри­ческую
проницаемость е_г—
табличную величину (Приложение 2).

Диэлектрическая
проницаемость е„
которую
иногда называют относительной, показывает,
во сколько раз абсолютная диэлект­рическая
проницаемость среды больше, чем
электрическая по­стоянная,
т.е.

(1-6)
Из
(1.6) следует (1.7)

Таким
образом, напряженность электрического
поля, созданно­го зарядом Q
на
расстоянии г от него, определяется
выражением

(1.8)

Напряженность
электрического по­ля,
созданного несколькими зарядами
в какой-либо точке А
этого
поля,
определяется геометрической cуммой
напряженностей, созданных в
этой точке каждым точечным зарядом:
Е_л
=
Е_м
+ Е_А2
+…+
Е_Ак
(см. Q₃
^Aй,рис.
1.4).

1. Проводники
   и диэлектрики в
   электрическом
   поле.

2. Поляризация
   диэлектрика. Диэлектрическая
   проницаемость.

3. Понятие
   об электроемкости. Конденсаторы.
   Последовательное, параллельное и
   смешанное соединение
   конденсаторов.

Электрическая
емкость

Если
проводник А
получит
какой-либо заряд Q,
то
этот провод­ник создает электрическое
поле. Электрическое поле, созданное
проводником А,
обладает
энергией, которая и характеризует
по­тенциал проводника ф. Очевидно,
изменение заряда проводника вызывает
аналогичное изменение его потенциала.
Таким обра­зом,
между зарядом проводника и его потенциалом
существует прямая
пропорциональность, которую можно
записать следую­щим
уравнением:

где
С
—
коэффициент пропорциональности, который
и называет­ся
электрической емкостью проводника. Из
(6.1) следует, что электрическая емкость
проводника

То
есть электрическая
емкость проводника характеризуется
заря­дом
Q,
который необходимо сообщить проводнику,
чтобы его потен­циал
изменился на единицу. Единицей
измерения емкости является фарад.

Фарад
— большая единица. Например, электрическая
емкость проводника под названием «земля»
не превышает 0,7 Ф. Поэтому на
практике емкость измеряется в микрофарадах,
нанофарадах и пикофарадах.

Электрическая
емкость проводника характеризует
способность проводника
накапливать электрический заряд,
изменяющий его потенциал
на единицу (на 1 В).

Емкость
проводника не зависит от заряда Q,
сообщенного
про­воднику, так как изменение заряда
Q
вызовет
пропорциональное изменение потенциала
проводника φ,
а
их отношение остается неизменным (6.2).
(Емкость 5-литрового баллона не зависит
от количества
жидкости, заполняющей баллон.)

Емкость
проводника не зависит также от материала
и массы проводника.

Емкость проводника
зависит от:

1)
площади
поверхности проводника, так как заряды
располага­йся
на поверхности проводника;

2)
среды, в которой находится проводник.
Например, если проводник
перенести из воздуха в минеральное
масло, его емкость увеличится
в 2,2 раза, так как диэлектрическая
проницаемость минерального
масла ε_r=2,2
(см. Приложение 2); 3)
близости других проводников. Если рядом
с проводником в определенной
среде расположен еще один проводник,
то емкость системы
этих двух проводников будет гораздо
больше, чем сумма емкостей
каждого из этих проводников в этой
среде. На этом принципе
устроены электрические конденсаторы.

Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины. Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих.

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.

Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:

• Нагревание проводника, по которому протекает ток.
• Изменение химического состава проводника под действием тока.
• Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

1. Сила тока: I = U/R (ампер).
2. Напряжение: U = I x R (вольт).
3. Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Энергия и мощность в электротехнике

В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.

Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.

Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.

Электрика для чайников: основы электроники

Если предстоит экзамен по электротехнике, а в голове ничего не укладывается, то необходимо взять на вооружение несколько деталей.

Во-первых, прежде чем с ужасом думать о билетах, необходимо всё же сдать все письменные работы, которые от вас требуются перед сдачей экзамена, а именно: контрольные, лабораторные, курсовые. Без их сдачи лучше не заморачиваться.
С лабами обычно проще. Как правило, на лабораторных сажают на опыты по два, а то и по три человека, дав им на всех одни и те же данные для экспериментов. Поэтому тут легче хотя бы просто списать.
С контрольными и курсовыми придется всё ж таки напрячься. Если не можете решить контрольную или курсовую, то самый легкий путь — это найти в группе, кто в этом соображает и договориться за вознаграждение или еще там как-то, чтоб вам эти работы решили и написали. И лучше заняться этим не в последнюю ночь перед сессией, а заранее. Потому как в последние дни понимающие в этом деле ваши одногруппники или с параллельного потока будут заняты честной подготовкой к своему предстоящему экзамену. В идеале, конечно, лучше, чтоб были преднамеренно допущены неточности и огрехи в контрольной или курсовой, которые были бы заметны преподавателю, чтоб он увидел, что вы как бы сами всё делали, но где-то там чего-то как бы недопоняли. Т.е. чтоб работа была допущена к защите с пометкой «Допущена к защите после доработки». Вариант без доработок, конечно, тоже подойдет, но тогда на защите вам придется краснеть, пытаяясь сделать умное лицо. А это уже залет. Преподаватель, поняв, что делали не сами, может замучить всякими там дополнительными доработками.И если вы не разрулите эти моменты, попросив помощи у знающих людей, то можете и вовсе оказаться недопущенным.
Если найти среди своих не получается, то придется, как ни жалко, раскошелиться на решение своих контрольных и курсовых, заказав их решение на соответствующих ресурсах, предоставляющих услуги по решению студенческих работ. Выйдет, это, конечно, дороже за счет всяких там комиссий и более дорогого времени решающего автора, чем студента вашего ВУЗа. Но,лучше уж так, чем никак. Ибо сдавать в любом случае придется.

Во-вторых, необходимо знать и помнить, что каждый преподаватель считает свой предмет наиболее важным. И если вы, к примеру, учитесь на медицинском направлении, то не стоит убеждать преподавателя, намекая любыми способами на тройку, что его предмет «Электротехника» не столь важен для вашей профессии. Заработаете этим к себе только предвзятое отношение, ненужные себе дополнительные вопросы и, как следствие, можете быть отправлены на пересдачу.

И, в-третьих, постарайтесь применить маленькую хитрость. Как правило, многие преподаватели не возражают против того, чтоб на экзамене на столе были учебники по предмету.Потому как, если вы предмет знаете слабо, то задачу вы вряд ли осилите и с учебником. А списав голую теорию, не факт что можно что-то понимающе рассказать да еще и то, что действительно относится к вопросу. Разумеется, если вы просто зачитаете преподавателю какой-то текст к билету, который он и так знает, это вызовет только желание у него задать наводящие или корректирующие вопросы. Тут лучше всего при подготовке не текст из учебника переписать, а что-то вроде конспекта составить и постараться согласно этого конспекта все-таки чего-то запомнить. Тогда вы будете просто опираясь на план что-то там рассказывать, а не просто зачитывать содранное из учебника. А это уже что-то. А если по ходу рассказа еще и сами графики ему начнете рисовать или напишите пару простых хотя бы формул, которые во время подготовки лучше постараться запомнить из книги, то это будет плюсом со стороны отношения от преподавателя. Это проверенный факт. Преподаватель заметит, что вы с уважением отнеслись к материалу и что-то сами запомнили. И даже если с задачей билета у вас, как говорится,будет «глухо», скорее, всего, троечка будет обеспечена. Удачи на экзаменах!

Понятие электричества

Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. У атома есть ядро и движущиеся вокруг него положительно и отрицательно заряженные частицы (протоны и электроны). При нахождении двух материалов рядом друг с другом между ними возникает разность потенциалов (у атомов одного вещества электронов всегда меньше, чем у другого), что приводит к появлению электрического заряда – электроны начинают перемещаться от одного материала к другому. Так возникает электричество. Другими словами, электричество – это энергия, возникающая в результате перемещения отрицательно заряженных частиц из одного вещества в другое.

Скорость перемещения может быть разной. Чтобы движение было в нужном направлении и с нужной скоростью, используются проводники. Если движение электронов по проводнику осуществляется только в одном направлении, такой ток называется постоянным. Если же направление перемещения с определенной частотой меняется, то ток будет переменным. Самым известным и простым источником постоянного тока является батарейка или автомобильный аккумулятор. Переменный ток активно используется в бытовом хозяйстве и в промышленности. На нем работают практически все устройства и оборудование.

К сведению. Движением электрической энергии можно управлять. Способы такого управления изучает курс «Основы электротехники», который необходим всем электрикам, чтобы правильно проложить проводку в доме, не допустить пожара или травм в период работ.

Постоянный ток

Так называется ток, не меняющий вектора движения на каком-либо временном отрезке и направленный строго от положительного полюса к отрицательному. Постоянный электроток отличается способностью к аккумуляции – на ней базируется принцип действия аккумуляторных источников питания.

Кроме того, такой ток может получаться в батарейках посредством химической реакции. Аккумуляторы и гальванические батарейки обеспечивают работу большого числа портативных приборов. На схемах данный вид тока показывают, обозначая плюсовой и минусовой полюса. Если какой-то электроприбор рассчитан на эксплуатацию только при постоянном токе, на корпус ставят соответствующую маркировку в виде одиночной черты или пары параллельных горизонтальных линий.

Электромагнетизм

Это явление входит в число основных понятий электротехники. Оно является продуктом взаимодействия магнитного эффекта и электротока. Первым его зафиксировал Х. Эрстед при приближении компаса к кабелю, по которому проходил ток: стрелка устройства в это время сместилась, что иллюстрировало присутствие магнитного поля поблизости от кабеля.

Электромагнитами называются материалы, в которых магнитные свойства обнаруживаются только при пропускании тока по намотке. Чтобы сила магнитного поля возросла, намотку делают состоящей из большого числа витков. Металлическая основа с магнитными свойствами, которую обматывают, называется сердечником. Вектор линий поля определяется направлением течения электротока в проводе обмотки. Если у магнита присущие ему свойства обнаруживаются константно, а не только при наличии тока и обмотки, его называют постоянным. Часто он имеет кольцевую или подковообразную форму.

Переменный ток

Это один из первых терминов, с которым знакомятся изучающие теорию электричества. Одновременно с этим узнают о его отличиях от постоянного тока.

Этот вид тока характеризуется тем, что циклически меняет свои величину и направление (в отличие от постоянного, у которого эти параметры неизменны на любом временном отрезке). При этом характер изменений можно отразить на графике в виде синусоиды. Когда лампа подключается в электросеть с таким током, минус и плюс на ее контактах будут периодически меняться места.

Применение такого тока дает возможность передачи электрической энергии на очень большие расстояния. Поскольку генераторы создают огромное напряжение, которое опасно подавать в жилые помещения, ток от них направляется в подстанции, где трансформируется.

К сведению. Из этого тока можно получать постоянный с помощью выпрямляющего устройства – диодного моста. Он распрямляет синусоидальную кривую, что заставляет электроны двигаться в одном векторе, не меняя его с течением времени.

Единицы измерения

Одной из основных характеристик такого тока является частота – величина, показывающая число инцидентов изменения параметров за единицу времени. Ее обозначают как f и измеряют в герцах (Гц). Чаще всего для бытовых и промышленных нужд используют частоту 50 Гц. Это означает, что на двух зажимах розетки полюса меняются позициями 50 раз в секунду.

Период – это время, за которое происходит одиночный инцидент изменения. Если в секунду их 50, то период будет равен 0,02 с.

Эффективное значение тока – создающее для некоторого сопротивления выделение тепла, равное определенному переменному току за заданное время.

Трансформаторы

Это приборы, преобразующие переменный электроток с заданными параметрами в ток с иным показателем напряжения, но идентичной исходному частотой. Их действие основано на принципе взаимоиндукции. Устройство является статичным, не снабжено подвижными элементами, потому не является машиной, но учащиеся знакомятся с его действием одновременно с принципами работы электрических машин.

В прибор вмонтированы две катушки с неодинаковым количеством витков (это сделано для обеспечения разницы напряжений). По магнитному полю электроэнергия передается между катушками.

Электрические машины (электродвигатели и генераторы)

Данные механизмы широко используются в автоматике, промышленности, являются главными элементами электроустановок. Два основных типа, различающиеся по назначению и способу действия, – генераторы и двигатели. Любая машина включает в себя устойчивую часть (статор) и подвижную (ротор).

Что изучает электротехника

Радиотехника для начинающих

Данная наука знает практически все об электричестве. Изучить ее необходимо всем, кто хочет получить диплом или квалификацию электрика. В большинстве учебных заведений курс, на котором изучают все, что связано с электроэнергией, называется «Теоретические основы электротехники» или, сокращенно ТОЭ.

Данная наука получила развитие в XIX веке, когда был изобретен источник постоянного тока, и появилась возможность строить электрические цепи. Дальнейшее развитие электротехника получила в процессе новых открытий в области физики электромагнитных излучений. Чтобы без проблем осваивать науку в настоящее время, необходимо иметь знания не только в области физики, но также химии и математики.

В первую очередь, на курсе ТОЭ изучаются основы электричества, дается определение тока, исследуются его свойства, характеристики и направления применения. Далее изучаются электромагнитные поля и возможности их практического использования. Завершается курс, как правило, изучением устройств, в которых используется электрическая энергия.

Предмет изучения электротехники

Чтобы разобраться с электричеством, не обязательно поступать в высшее или среднее учебное заведение, достаточно воспользоваться самоучителем или пройти видеоуроки «для чайников». Полученных знаний вполне хватит, чтобы разобраться с проводкой, заменить лампочку или повесить люстру дома. Но, если планируется профессионально работать с электричеством (например, в должности электромонтера или энергетика), то соответствующее образование будет обязательным. Оно позволяет получить специальный допуск на работу с приборами и устройствами, работающими от источника тока.

Системы автоматической защиты

Электросеть несет 2 вида угроз:

1. Мощность бытовой проводки достаточна для возгорания материалов, используемых при отделке помещений. Замыкание в сети приводит к неконтролируемому повышению силы тока и воспламенению. Свести вероятность возникновения такой ситуации к нулю невозможно, однако ее снижают путем введения в цепь автоматического выключателя. При повышении параметров тока пластина устройства деформируется, высвобождается пружина, которая размыкает контакты. Автомат не реагирует на импульсы пускового тока.
2. Нулевой провод связан с землей, фазовый находится под напряжением по отношению к ней. Между таким проводником и заземленными предметами возникает ток. Поражение человека электричеством, образующимся между 2 сетевыми кабелями, практически не опасно. Однако при некоторых условиях прохождения тока электротравма становится смертельной. Автоматические системы защиты следят, чтобы ток входил в один провод и уходил по другому. При появлении напряжения между фазой и заземленным предметом, например, телом человека, УЗО обесточивает сеть.

Основные понятия электротехники

Изучая электричество для начинающих, главное – разобраться с тремя основными терминами:

• Сила тока;
• Напряжение;
• Сопротивление.

Под силой тока понимается количество электрического заряда, протекающего через проводник с определенным сечением за единицу времени. Другими словами, количество электронов, которые переместились из одного конца проводника в другой за некоторое время. Сила тока является самой опасной для жизни и здоровья человека. Если взяться за оголенный провод (а человек – это тоже проводник), то электроны пройдут через него. Чем больше их пройдет, тем больше будут повреждения, поскольку в процессе своего движения они выделяют тепло и запускают различные химические реакции.

Однако чтобы ток шел по проводникам, между одним и другим концом проводника должно быть напряжение или разность потенциалов. Причем она должна быть постоянной, чтобы движение электронов не прекращалось. Для этого электрическую цепь обязательно замыкают, а на одном конце цепи обязательно ставят источник тока, который обеспечивает в цепи постоянное движение электронов.

Сопротивление – это физическая характеристика проводника, его способность к проведению электронов. Чем ниже сопротивление проводника, тем большее количество электронов по нему пройдет за единицу времени, тем выше сила тока. Высокое сопротивление, наоборот, уменьшает силу тока, но влечет за собой нагревание проводника (если напряжение достаточно высоко), что может привести к возгоранию.

Подбор оптимальных соотношений между напряжением, сопротивлением и силой тока в электрической цепи является одной из основных задач электротехники.

Понятия и свойства электрического тока

Электричество представляет собой движение частиц, переносящих заряд. При беспорядочном перемещении свободных электронов подобного не происходит. В перемещении заряда участвуют только упорядоченно движущиеся частицы. Ток всегда протекает направленно. О его присутствии свидетельствуют такие признаки:

• повышение температуры проводника;
• силовое воздействие на намагниченные тела;
• изменение химических свойств проводника.

Ток бывает переменным и постоянным. Во втором случае его параметры являются неизменными. Переменный ток периодически меняет полярность от отрицательной к положительной. Это значит, что направление потока частиц становится противоположным. Скорость изменений представляет собой частоту.

Сила тока

При появлении электричества в цепи заряд переносится через сечение проводника. Величина, прошедшая за единицу времени, называется силой тока и выражается в амперах.

Напряжение

Для поддержания движения частиц, переносящих заряд, требуется сила, действующая в нужном направлении. Она называется электрическим полем или напряженностью. Сила вызывает разность потенциалов и стимулирует движение частиц. Для измерения напряжения используется отдельная единица — вольт. Между основными параметрами тока существует зависимость, отраженная в законе Ома.

Сопротивление

Эта величина является характеристикой проводника, связанной с током. Сопротивление, выражаемое в омах, обозначает противодействие материала течению заряженных частиц. Параметр увеличивается по мере уменьшения сечения и роста длины проводника. Под влиянием сопротивления материал нагревается. Величина в 1 Ом возникает при силе тока в 1 А и напряжении 1 В.

Мощность тока

Электрический ток используется для выполнения работы — нагрева батарей, вращения мотора и т. д. Вычислить мощность в ваттах можно, умножив силу тока на напряжение. Например, нагреватель, работающий от сети 220 В, потребляет 2200 Вт. Значит, для его функционирования требуется сила в 10 А. Лампа накаливания 100 Вт потребляет 0,45 А.

Энергия и мощность

Начинающий электромонтер должен научиться разбираться в таких понятиях. Энергия бывает электрической, тепловой, механической или ядерной. Ее невозможно создать или уничтожить. Один вид энергии способен преобразовываться в другой. Например, в бытовых приборах электроэнергия превращается в тепло или звук. Любое устройство потребляет некоторое количество энергии за заданный отрезок времени.

Каждый прибор характеризуется своей величиной, представляющей собой мощность.

Пусковой ток

Нужно различать параметры потребляемого прибором тока при его работе и включении. В последнем случае наблюдается скачок, многократно превышающий эксплуатационные показатели. Поступающий в момент включения ток называется пусковым. Самым большим параметром обладают электродвигатели. Пусковой ток подается до момента набора валом нужной скорости вращения. Подобное характерно для большинства бытовых приборов. Блоки питания снабжаются устройствами, накапливающими энергию для запуска.

Пусковой ток не характерен для маломощных нагревательных элементов. Вычислить параметр, зная мощность прибора, не получится. Устройствам свойственны разные соотношения. Кроме того, современные приборы снабжаются ограничителями пускового тока.

Закон Ома

Сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Это — основное положение закона Ома. Он действует в отношении постоянного и переменного тока. Через провод сопротивлением 1 Ом под напряжением 1 В проходит ток силой 1 А. Из закона Ома вытекают 2 следствия:

1. При данных силе тока и сопротивлении можно рассчитать мощность, выделяемую цепью. Для этого квадрат первого параметра умножают на второй.
2. При данных напряжении и сопротивлении можно рассчитать мощность. При этом квадрат первой величины делят на значение второй.

Закон Кулона

Согласно короткому описанию, это физический закон, который говорит о взаимодействии между прямо стоящими точечными электрозарядами в зависимости от того, на каком расстоянии они находятся. Согласно полному определению, формулировка обозначает, что между двумя точками в виде электрических зарядов формируется вакуум. Там появляется конкретная сила, которая пропорциональна умножению их модульных частиц, поделенных на квадратный показатель расстояния.

Расстояние — длина, которая соединяет заряды. Сила взаимодействия направлена по отрезку. Кулоновская сила — сила, отталкивающая при зарядах минус-минус и плюс-плюс и притягательная при минус-плюс и плюс-минус.

Обратите внимание! Электрическая сила формула выглядит так: F=k⋅|q1|⋅|q2|/r2, где F — сила заряда, q — величина заряда, r — вектор или расстояние между зарядами, а k — коэффициент пропорциональности. Последний равен c2·10−7 Гн/м.

Закон Кулона

Решение задачи с законом Кулона. При наличии заряженных шариков, которые находятся на расстоянии 15 см и отталкиваются с силой 1 Н в поиске начального заряда, выявить неизвестное можно, переведя основные единицы в систему СИ и подставив величины в указанную формулу. Выйдет значение 2 * 5 * 10 (-8) = 10 (-7).

Теорема Гаусса

Основной закон в электродинамике, входящий в уравнения Максвелла. Это следствие из кулоновского умозаключения и принципа суперпозиции. По ней вектор напряжения поля движется сквозь произвольное значение замкнутой поверхности, окруженной зарядами. Он имеет пропорциональность сумме заряженных частиц, которые находятся внутри этого замкнутого пространства. Указанный вектор поделен на е0. Все это выражается формулой, указанной ниже.

Теорема Гаусса

Емкость плоского конденсатора

Емкостью называется проводниковая характеристика, по которой электрический заряд может накапливать энергию. Плоским конденсатором называются несколько противоположно заряженных пластин, разделенных диэлектрическим тонким слоем. Емкостью плоского конденсатора считается его характеристика, способность к накоплению электрической энергии.

Обратите внимание! Это физическая величина, которая равна делению заряда на разность потенциалов его обкладки. Зарядом при этом служит заряженная одна пластина.

Если в задаче требуется узнать емкость конденсатора из двух пластин с площадью в 10(-2) квадратных метров и в них находится 2*10(-3) метровый лист, ε0 электрическая постоянная с 8,85×10-12 фарад на метр и ε=6 — диэлектрическая проницаемость слюды. В таком случае нужно вставить значения в формулу C= ε* ε* S/d.

Емкость плоского конденсатора

Энергия плоского конденсатора

Поскольку любая частица конденсатора имеет способность запаса энергии, который сохранен на конденсаторной обкладке, вычислить эту самую Е просто, поскольку чтобы элемент зарядился, ему нужно совершить работу. Работа совершается полем. В результате была выведена следующая формула: Еp = А = qEd, где А является работой, d — расстоянием.

Энергия

Электротехника и электромеханика

Электромеханика является разделом электротехники. Она изучает принципы функционирования устройств и оборудования, которые работают от источника электрического тока. Изучив основы электромеханики, можно научиться ремонтировать различное оборудование или даже проектировать его.

В рамках уроков по электромеханике, как правило, изучаются правила преобразования электрической энергии в механическую (каким образом функционирует электродвигатель, принципы работы любого станка и так далее). Также исследуются и обратные процессы, в частности, принципы действия трансформаторов и генераторов тока.

Таким образом, без понимания того, как составляются электрические цепи, принципов их функционирования и других вопросов, которые изучает электротехника, осваивать электромеханику невозможно. С другой стороны, электромеханика является более сложной дисциплиной и носит прикладной характер, поскольку результаты ее изучения применяются непосредственно при конструировании и ремонте машин, оборудования и различных электрических устройств.

Безопасность и практика

Осваивая курс электротехники для начинающих, необходимо уделить особое внимание вопросам безопасности, поскольку несоблюдение определенных правил может привести к трагическим последствиям.

Первое правило, которому необходимо следовать, – обязательно знакомиться с инструкцией. У всех электроприборов в руководстве по эксплуатации всегда имеется раздел, который посвящен вопросам безопасности.

Важно! Выполнение рекомендаций позволит избежать травм и нанесения вреда имуществу.

Второе правило заключается в контроле состояния изоляции проводников. Все провода обязательно должны покрываться специальными материалами, не проводящими электричество (диэлектриками). Если изоляционный слой нарушен, в первую очередь, следует его восстановить, иначе возможно нанесение вреда здоровью. Кроме того, работу в целях безопасности с проводами и электрооборудованием следует производить только в специальной одежде, которая не проводит электричество (резиновые перчатки и диэлектрические боты).

Третье правило состоит в использовании для диагностики параметров электросети только специальных приборов. Ни в коем случае не стоит делать этого голыми руками или пробовать «на язык».

Обратите внимание! Пренебрежение данными элементарными правилами является основной причиной травм и несчастных случаев в работе электриков и электромонтеров.

Законы Кирхгофа

Электрика любого помещения выполняется в виде замкнутых, рабочих электрических цепей. Два главных закона, которые определяют процессы в электрических сетях, являются законы Кирхгофа. Их два. Оба из них применяются и для постоянных и для переменных токов.

Первый закон Кирхгофа утверждает:

Суммарная величина токов направленная к узлу электрической сети равна суммарной величине токов направленных от узла.

В практике на основе первого закона Кирхгофа основана работа Устройств защитного отключения (УЗО). Работа УЗО заключается в отключении электропитания сети при возникновении токов утечки. При нормальном режиме работы суммарное значение тока, втекающая в электрическую сеть равна значению тока утекающему из нее. Если равенство токов нарушается, значит, в сети есть утечка. УЗО сконструировано и подключено таким образом, что при утечке тока УЗО его обнаруживает и размыкает питание электросети.

Второй закон Кирхгофа гласит:

Любой замкнутый контур переменной электрической сети имеет равные значения комплексных напряжений и ЭДС (электродвижущих сил) на всех пассивных элементах сети.

Примечание: Комплексное напряжение это значение напряжение в сети переменного тока.

Практическое применение можно пояснить на любой квартирной группе электропитания. Для пояснения рассмотрим квартиру.

Сколько бы групп электропитания в квартире не было, на любой розетке или светильнике напряжение в сети (при рабочем режиме) будет 220 вольт.

Формулы для постоянного электрического тока

Постоянный электрический ток не изменяется в величине и направлении. Он используется для расчета замкнутой, однородной цепи, мощности и прочих параметров. Поэтому важно знать формулы для него и основные законы, связанные с ним.

Закон Ома для участка однородной цепи

Чтобы электрический ток существовал, нужно поле. Для его образования, нужны потенциалы или разность их, выраженная напряжением. Ток будет направлен на снижение потенциалов, а электроны начнут свое передвижение в обратном направлении. В 1826 г. Г. Ом провел исследование и сделал заключение: чем больше показатель напряжения, тем больше ток, который проходит через участок.

К сведению! Смежные проводники при этом проводят электричество по-разному. То есть каждый элемент имеет свою проводимость, электрическое сопротивление.

В результате, согласно теореме Ома, сила тока для участка однородной цепи будет иметь прямую пропорциональность показателю напряжения на нем и обратную пропорциональность проводниковому сопротивлению.

Закон Ома

По формуле I = U / R, где I считается силой тока, U — напряжением, а R — электрическим сопротивлением, последнее значение можно найти, если p * l / S, где p является удельным проводниковым сопротивлением, l — длиной проводника, а S — площадью поперечного проводникового сечения.

Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока

Ом сделал формулу и для замкнутой цепи. По ней ток на этом участке из токового источника, имеющего внутреннее и внешнее нагрузочное сопротивление, равен делению электродвижущей силы источника на сумму внутреннего и внешнего сопротивления. Она выглядит так: I = e / R + r, где I является токовой силой, е — ЭДС, R — сопротивлением, а r — внутренней сопротивляемостью источника напряжения.

Обратите внимание! В физическом смысле по этому закону, чем выше показатель ЭДС, тем выше источник энергии, больше скорость движения зарядов. Чем выше сопротивляемость, тем ниже величина тока.

Закон Ома для замкнутой цепи

Работа постоянного тока

Энергия, когда проходит через проводник, упорядоченно двигается в носитель. Во время движения она совершает работу. В результате работой постоянного тока называется деятельность поля, направленная на перенос электрических зарядов по проводнику. Она равна умножению I на совершаемое работой напряжение и время.

Закон Джоуля-Ленца

Когда электричество проходит через какой-то проводник с сопротивляемостью, всегда высвобождается теплота. Количество тепла, которое высвободилось за определенный промежуток времени, определяет закон Джоуля-Ленца. По формуле мощность тепла равняется умножению плотности электричества на напряжение — w =j * E = oE(2).

Обратите внимание! В практическом понимании закон имеет значение для снижения потери электроэнергии, выбора проводника для электроцепи, подбора электронагревательного прибора и использования плавкого предохранителя для защиты сети.

Закон Джоуля-Ленца

Советы начинающим

Чтобы получить начальное представление об электричестве и принципах работы устройств с его применением, рекомендуется пройти специальный курс или изучить пособие «Электротехника для начинающих». Подобные материалы разработаны специально для тех, кто пытается с нуля освоить данную науку и получить необходимые навыки для работы с электрооборудованием в быту.

Советы начинающим электрикам

В пособии и видеоуроках подробно рассказывается, как устроена электрическая цепь, что такое фаза, а что такое ноль, чем отличается сопротивление от напряжения и силы тока и так далее. Отдельное внимание уделяется технике безопасности, чтобы избежать травм при работе с электроприборами.

Конечно, изучение курсов или чтение пособий не позволит стать профессиональным электриком или электромонтером, но решить большинство бытовых вопросов по итогам освоения материала будет вполне по силам. Для профессиональной работы требуется уже получение специального допуска и наличие профильного образования. Без этого выполнять должностные обязанности запрещается различными инструкциями. Если же предприятие допустит человека без необходимого образования к работе с электрооборудованием, и он получит травму, руководитель понесет серьезное наказание, вплоть до уголовного.

Ответы на экзамен электроника электротехника

1.  
Основные элементы электрической цепи (активные,
пассивные). Обозначение тока, потенциалов и напряжения в  электрической цепи.

Электрическая цепь– совокупность
источников, приёмников электрической энергии и соединяющих их проводов. Кроме
этих элементов, в Э. ц. могут входить выключатели, переключатели,
предохранители и другие электрические аппараты защиты и коммутации, а также
измерит, и контрольные приборы.

 Активные
элементы
– источники электрической энергии, в которых неэлектрические виды энергии
преобразуются в электрическую.

Различают
два основных активных элемента: источник напряжения (ЭДС) и источник тока.

Пассивные
элементы
– приемники электромагнитной энергии. Электрическая энергия в них преобразуется
в неэлектрические виды энергии – активное сопротивление (проводимость), либо
накапливается в виде энергии электрического поля (емкость) или энергии
магнитного поля (индуктивность). Емкость и индуктивность являются реактивными
приемниками энергии или реактивными элементами.

Ток
обозначается
через I с направлением
течения.

На
схемах рядом с точкой более высокого потенциала ставится знак +, а рядом с
точкой более низкого – знак -. Разность потенциалов обозначается через U. Разность потенциалов
в двух точках a и b обозначается через U_ab.

Напряжение
обозначается
U.

2.  
Идеальные источники тока и ЭДС, обозначение и
основные характеристики.

 Идеальный 
 источник 
 тока
(I),
величина тока, протекающего через который, не зависит от напряжения на его
зажимах. Внутреннее сопротивление такого источника можно условно принять равным
бесконечности. Обозначение идеального 
 источника 
 тока  и его
вольт-амперная характеристика приведены на рис.

Идеальный 
 источник 
напряжения (E),
напряжение на зажимах которого не зависит от величины  протекающего через
него  тока .
Внутреннее сопротивление  идеального 
 источника 
напряжения можно условно принять равным нулю. Обозначение такого источника и
его вольт-амперная характеристика приведены на рис.

1.  
Закон Ома для участка цепи без источника ЭДС и закон
Ома для замкнутой цепи. Рисунок.  4. Закон Ома для участка цепи, содержащий
ЭДС. Рисунок.

5.  
Первый закон Кирхгофа. Пример его применения. 6.
Второй закон Кирхгофа. Пример его применения.

Кроме простых цепей существуют
сложные цепи. Сложной электрической цепью называют цепь, которая не может быть непо­средственно
рассчитана по закону Ома.

Сложная
цепь обычно содержит несколько источников ЭДС в разных ветвях. Число ветвей
электрической цепи обозначают через q, число узлов — через q, а число независимых контуров —
через п, где п = р — q + 1.

Для расчета сложных
цепей используют законы Кирхгофа, ко­торые формулируются для разветвленных и
сложных электриче­ских цепей; при их рассмотрении используют понятия ветви,
узла и контура.

Ветвью называют часть электрической
цепи, состоящую только из последовательно соединенных источников ЭДС (или тока)
и сопротивлений и имеющую два зажима для подключения ее к остальной
части цепи. На схемах электрических цепей каждую ветвь обычно изображают в виде
последовательного соединения одного эквивалентного источника ЭДС (или тока) и
одного экви­валентного сопротивления. Ветвь непосредственно соединяет два узла.
В ветви через все элементы протекает один и тот же ток.

Узлом называют точку электрической цепи, в которой соедине­но не
менее трех ветвей. На схемах узел обозначают точкой.

Контуром называют последовательность ветвей электрической цепи,
образующей замкнутый путь, в котором один из узлов одно­временно является
началом и концом пути, а остальные встречают­ся только один раз.

Первый закон Кирхгофа выражает тот факт, что ни в одной точке цепи
не происходит накопление электрических зарядов. Согласно этому закону (закону
Кирхгофа для токов) алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи
равна нулю:

где со
знаком плюс записывают токи с положительными направле­ниями от узла, со знаком
минус — с положительными направле­ниями к узлу или наоборот. Иначе: сумма
токов, направленных от узла, равна сумме токов, направленных к узлу. Так,
например, для узла 1 (рис. 1.4) получим уравнение

I₁-I₂+I₃-I₄=0,

Второй
закон Кирхгофа устанавливает
связь между ЭДС, токами и сопротивлениями в любом замкнутом контуре. Согласно
этому закону (закону Кирхгофа для напряжений), алгебраическая сумма напряжений
участков любого контура электрической цепи равна нулю:

где т
— число участков контура.

Со
знаком плюс записывают на­пряжения, положительные направле­ния которых
совпадают с произвольно выбранным направлением обхода кон­тура, со знаком минус
— противопо­ложно направленные или наоборот. В частности, для контура схемы
замещения цепи, содержащего только источники ЭДС и резистивные эле­менты,
алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах равна алгебраической
сумме ЭДС:

Где
т
—
число резистивных элементов; п — число ЭДС в контуре.

Со
знаком плюс записывают ЭДС и токи, положительные на­правления которых совпадают
с произвольно выбранным направлением обхода контура, со знаком минус —
противоположно на­правленные или наоборот. Так, например, для контура, приведен­ного
на рис. 1.5,

7.  
Баланс мощностей в цепях постоянного тока.

8.  
Преобразование схем с последовательным, параллельным
и смешанным соединением сопротивлений.

9.
Преобразование треугольника сопротивлений в звезду и
наоборот.

Элементы цепи часто соединяют
или треугольником, или звез­дой (рис. 1.11).

Для упрощения
расчета электрических цепей в ряде случаев целесообразно применять
преобразование треугольника сопротив­лений в эквивалентную звезду или звезды в
эквивалентный тре­угольник.

Условия
эквивалентного преобразования требуют, чтобы преоб­разования, производимые в
одной части цепи, не вызывали изме­нений в распределении токов и напряжений в
остальной части цепи. Согласно этим условиям, потенциалы одноименных точек
треугольника и звезды и подходящие к узлам токи должны быть одинаковы.

Формулы
перехода от сопротивлений треугольника к сопротив­лениям звезды и наоборот в
соответствии с обозначениями на рис. 1.11 имеют вид:

Используя эквивалентные
преобразования, сложную цепь ино­гда можно свести к простой. Часто
преобразования приводят к уменьшению числа ветвей и узлов сложной цепи и,
следовательно, к упрощению ее расчета.

6.  
Метод контурных токов. Пример его применения.

Ме́тод ко́нтурных то́ков — метод
сокращения размерности системы уравнений, описывающей электрическую цепь.

Основные принципы

Любая электрическая цепь, состоящая из Р
рёбер (ветвей, участков) и У узлов, может быть описана системой
уравнений в соответствии с 1-м
и 2-м законами Кирхгофа. Число уравнений в такой системе равно Р, из
них У–1 уравнений составляется по 1-му закону Кирхгофа для всех узлов,
кроме одного; а остальные Р–У+1 уравнений – по 2-му закону
Кирхгофа для всех независимых контуров. Поскольку независимыми переменными в
цепи считаются токи рёбер, число независимых переменных равно числу уравнений,
и система разрешима.

Существует несколько методов сократить число
уравнений в системе. Одним из таких методов является метод контурных токов.

Метод использует тот факт, что не все токи в рёбрах
цепи являются независимыми. Наличие в системе У–1 уравнений для узлов
означает, что зависимы У–1 токов. Если выделить в цепи Р–У+1
независимых токов, то систему можно сократить до Р–У+1 уравнений.
Метод контурных токов основан на очень простом и удобном способе выделения в
цепи Р–У+1 независимых токов.

Метод контурных токов основан на допущении, что в
каждом из Р–У+1 независимых контуров схемы циркулирует некоторый
виртуальный контурный ток. Если некоторое ребро принадлежит только одному
контуру, реальный ток в нём равен контурному. Если же ребро принадлежит
нескольким контурам, ток в нём равен сумме соответствующих контурных токов (с
учётом направления обхода контуров). Поскольку независимые контура покрывают
собой всю схему (т.е. любое ребро принадлежит хотя бы одному контуру), то ток в
любом ребре можно выразить через контурные токи, и контурные токи составляют
полную систему токов.

Построение системы уравнений

Для построения системы уравнений необходимо выделить
в цепи P – У + 1 независимых контуров. По
каждому из этих контуров будет составлено одно уравнение по 2-му закону
Кирхгофа. В каждом контуре необходимо выбрать направление обхода (например, по
часовой стрелке).

Ток во всех рёбрах схемы необходимо представить как
сумму (с учётом знаков) контурных токов, которые протекают по этим рёбрам.

При наличии в цепи источников тока, их
предварительно преобразовывают в источники напряжения.

Правило построения уравнения таково. Обходя контур в
соответствии с выбранным направлением, записываем в левую часть уравнений сумму
(с учётом знаков) токов в рёбрах, умноженных на сопротивление ребра. В правой
части уравнения записываем все источники ЭДС, имеющиеся в контуре (со знаком
«плюс», если направление обхода контура совпадает с направлением ЭДС, и
наоборот).

Составив уравнения для всех независимых контуров,
получаем совместную систему P – У + 1
уравнений относительно P – У + 1 неизвестных
контурных токов.

Пример

Метод
контурных токов

Положим, что в левом контуре по часовой стрелке
течет контурный ток I₁₁, а в правом (также по часовой
стрелке) — контурный ток I₂₂. Для каждого из контуров
составим уравнения по второму закону
Кирхгофа.
При этом учтем, что по смежной ветви (с сопротивлением R₅)
течет сверху вниз ток I₁₁–I₂₂. Направления
обхода контуров примем также по часовой стрелке.

Для первого контура

или

Для второго контура

или

Перепишем эти уравнения следующим образом:

Здесь

— полное сопротивление первого контура;

— полное сопротивление второго контура;

— сопротивления смежной ветви между первым и вторым
контурами, взятые со знаком минус;

—
контурная ЭДС первого контура;

— контурная ЭДС второго контура.

7.  Метод
эквивалентного генератора. Пример его применения.

8.
   Метод эквивалентного сопротивления. Пример его
применения.

9.
    Закон Джоуля-Ленца. Пример его применения.

Закон
Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцом.

При прохождении электрического
тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными
молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. Движущийся электрон либо отщепляет
от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и
образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей
электрон (с положи­тельным ионом), образуя нейтральную молекулу. При столкнове­нии
электронов с молекулами расходуется энергия, которая пре­вращается в тепло.
Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует затраты
определенной энергии. Так, напри­мер, для перемещения какого-либо тела
преодолевается сопротив­ление трения и работа, затраченная на это, превращается
в тепло.

Электрическое сопротивление проводника играет ту же
роль, чтя и сопротивление трения. Таким образом, для проведения тока через
проводник источник тока затрачивает некоторую энергию, которая превращается в
тепло. Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля
или закон теплового действия тока.

Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль
одновремен­но и независимо один от другого установили, что при прохождении
электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником,
прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в
течение которого электрический ток протекал по проводнику. Это положение
называется законом Лен­ца — Джоуля.

 Если обозначить количество теплоты,
создаваемое током, буквой Q, силу тока, протекающего по
проводнику,— I, сопротивление проводника r и время, в
течение которого ток протекал по проводнику, t,  то
закону Ленца — Джоуля можно придать следующее выражение:

Пример 1. Определить
количество теплоты, выделенное в нагревательном приборе в течение 0,5 ч, если
он включен в сеть с напряжением 110 в и имеет сопротивление 24 ом.

Решение. Время прохождения в секундах:

t=0,5 ч =30 мин
=30х60=1800 сек.

 Количество теплоты, выделенное в приборе,

Примеры 2. В электрическом
кипятильнике вода, потребляя количество теплоты 400 000 дж,
закипает через 15 мин. Определить сопротивление нагрева­тельного
элемента этого кипятильника, а также мощность, если кипятильник ра­ботает под
напряжением 220 в и его к. п. д. равен 80%.

Решение. Так как к. п. д. кипятильника равен 80%,
выделенное нагрева­тельным элементом количество теплоты

Q = 400 000 : 0,8 = 500 000 дж.

Силу тока, протекающего через кипятильник, найдем из
слёлующей формулы

откуда

Сопротивление нагревательного элемента

Мощность, потребляемая кипятильником,

10.
Выделяемая и потребляемая мощность.

11.
Определение показаний приборов (амперметр и
вольтметр) при последовательном и параллельном соединении проводников.

12.
Режимы работы цепи (согласования, холостого хода и
т. д.)

· 
В режиме холостого хода источник питания отсоединен от нагрузки и работает ’’
вхолостую”. Сопротивление внешнего участка цепи , ток равен 0.

· 
В режиме короткого замыкания источник питания замкнут накоротко. Режим является
аварийным. Ток короткого замыкания Iк.з. во много раз превышает значение
номинального тока.

· 
Номинальным режимом называют такой режим, на который рассчитаны источник питания
и приемники электроэнергии заводом изготовителем. Процесс преобразования
электроэнергии в другие виды идет без постороннего нагрева, т.е. в допустимых
пределах по паспорту (U_н; I_н ; P_н и т.д.)
В этом режиме соблюдаются наилучшие условия работы: экономичность,
долговечность и т.д.

·  Под согласованным
режимом понимают такой режим, когда источник или приемник работают с
максимально возможной мощностью. На практике этот режим применяется в
радиотехнических установках и схемах, где низкий коэффициент .полезного
действия.

13.
Сила тока короткого замыкания.

Режим короткого замыкания (рис. 21). Коротким замыканием
(к. з.) называют такой режим работы источника, когда его зажимы замкнуты
проводником, сопротивление которого можно считать равным нулю. Практически к.
з. возникает при соединении друг с другом проводов, связывающих источник с
приемником, так как эти провода имеют обычно незначительное сопротивление и его
можно принять равным нулю. К. з. может происходить в результате неправильных
действий персонала, обслуживающего электротехнические установки (рис. 22, а),
или при повреждении изоляции проводов (рис. 22,б, в); в последнем случае эти
провода могут соединяться через землю, имеющую весьма малое сопротивление, или
через окружающие металлические детали (корпуса электрических машин и аппаратов,
элементы кузова локомотива и пр.).
При коротком замыкании ток

I_к.з = E
/ R₀ (15)

Ввиду того что внутреннее сопротивление источника Ro обычно очень мало,
проходящий через него ток возрастает до весьма больших значений. Напряжение же
в месте к. з. становится равным нулю (точка К на рис. 20), т. е. электрическая
энергия на участок электрической цепи, расположенный за местом к. з., поступать
не будет.

Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление
которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника
(R << r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Сила
тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от
данного источника с электродвижущей силой e
и внутренним сопротивлением r.

14.
Проводимость электрической цепи.

Всякий проводник можно характеризовать не только его сопротивлением, но и
так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток.
Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости
называется сименсом (См). 1 См равен 1/1 Ом. Проводимость обозначают буквой G
(g). Следовательно,

G = 1 / R (4)

Удельное электрическое сопротивление и проводимость. Атомы разных веществ
оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление.