Что такое основы электротехники

Электрический ток

Электрический ток (I) это направленное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах свободными носителями заряда являются электроны, в плазме, электролите — ионы. Единица измерения силы тока – ампер (А). Условно за положительное направление тока во внешней цепи принимают направление от положительно заряженного электрода (+) к отрицательно заряженному (-). Если направление тока в ветви неизвестно, то его выбирают произвольно. Если в результате расчета режима цепи, ток будет иметь отрицательное значение, то действительное направление тока противоположно произвольно выбранному.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) это характеристика работы сил поля по переносу электрических зарядов через внешние элементы цепи. При этом электрическая энергия преобразуется в другие виды. Единица измерения – вольт (В). За положительное направление напряжения приемника принимают направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока. В электрических цепях и энергетических системах напряжение может иметь значения в пределах от нескольких вольт до сотен тысяч вольт.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила Е (ЭДС) характеризует способность индуцированного поля вызывать электрический ток. Единица измерения – вольт (В). Источники энергии могут быть источниками ЭДС и тока. В данном пособии рассматриваются только источники ЭДС. Источник ЭДС характеризуется двумя параметрами: значениями ЭДС (Е) и внутреннего сопротивления (r). Источник ЭДС, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь, называют идеальным источником. Реальный источник ЭДС имеет определенное значение внутреннего сопротивления. У источника ЭДС внутренне сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки (R_Н) и электрический ток в цепи зависит главным образом от величины ЭДС и сопротивления нагрузки. Источник ЭДС имеет следующие графические обозначения.

Вольтамперная характеристика источника ЭДС имеет вид:

Зависимость между напряжением на зажимах источника и его ЭДС имеет вид:

U = E — r × I (для реального источника ЭДС)

U = E (для идеального источника).

Электрическое сопротивление R это величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению свободных электрических зарядов (току). Единица измерения – Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью G. Единица измерения – сименс (См).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление проводника определяется по формуле

где l – длина;
S – поперечное сечение;
ρ — удельное сопротивление.

По способности проводить электрический ток электротехнические материалы можно разделить на группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы (алюминий, медь, золото, серебро и др.) обладают высокой электропроводностью. Наиболее часто в проводах и кабелях используется алюминий, как наиболее дешевый. Медь имеет большую электропроводимость, но она дороже.

Из проводников следует выделить группу материалов с большим удельным сопротивлением. К ним относятся сплавы ( нихром, фехраль и др.) они используются для изготовления обмоток нагревательных приборов и реостатов. Вольфрам используется в лампах накаливания. Константан и манганин используются в качестве сопротивлений в образцовых приборах.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики)

Электроизоляционные материалы (диэлектрики) имеют очень малую удельную электрическую проводимость. Они бывают газообразные, жидкие и твердые. Особенно большим разнообразием отличаются твердые диэлектрики. К ним относятся резина, сухое дерево, керамические материалы, пластмассы, картон, пряжа и др. материалы. В качестве конструкционных материалов применяются текстолит и гетинакс. Текстолит это диэлектрический материал основой которого является ткань, пропитанная феноло-формальдегидной смолой. Гетинакс это бумага, пропитанная феноло-формальдегидной смолой.

Полупроводники

Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы — арсенид галлия, фосфид галлия и др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.

Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока.

Мощность в электрической цепи характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другой в единицу времени. Единица измерения мощности – Ватт (Вт).

Для цепи постоянного тока мощность источника

Р_пр = U × I = R × I 2 = U 2 /R

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции — устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями, был открыт в 1831 году М. Фарадеем, в 1873 году закон был обобщен и развит Д.Максвеллом:

Если магнитный поток Ф, проходящий сквозь поверхность, ограниченную некоторым контуром, изменяется во времени t, в контуре индуцируется ЭДС e, равная скорости изменения потока

Электроте́хника — область техники, связанная с получением, распределением, преобразованием и использованием электрической энергии. А также — c разработкой, эксплуатацией и оптимизацией электронных компонентов, электронных схем и устройств, оборудования и технических систем [1] . Под электротехникой также понимают техническую науку, которая изучает применение электрических и магнитных явлений для практического использования [2] [3] [4] . Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века. В настоящее время электротехника как наука включает в себя следующие научные специальности: электромеханика, ТОЭ, светотехника, силовая электроника. Кроме того, к отраслям электротехники часто относят энергетику [2] , хотя легитимная классификация [5] рассматривает энергетику как отдельную техническую науку. Основное отличие электротехники от слаботочной электроники заключается в том, что электротехника изучает проблемы, связанные с силовыми крупногабаритными электронными компонентами: линии электропередачи, электрические приводы, в то время как в электронике основными компонентами являются компьютеры и другие устройства на базе интегральных схем, а также сами интегральные схемы [6] . В другом смысле, в электротехнике основной задачей является передача электрической энергии, а в слаботочной электронике — информации.

Содержание

История [ править | править код ]

Основы для развития электротехники заложили обширные экспериментальные исследования и создание теорий электричества и магнетизма. Широкое практическое применение электричества стало возможно только в XIX веке с появлением вольтова столба, что позволило как найти приложение открытым законам, так и углубить исследования. В этот период вся электротехника базировалась на постоянном токе.

В конце XIX века, с преодолением проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния за счёт использования переменного тока и созданием трёхфазного электродвигателя, электричество повсеместно внедряется в промышленность, а электротехника приобретает современный вид, включающий множество разделов, и оказывает влияние на смежные отрасли науки и техники [4] .

Разделы [ править | править код ]

Электротехника имеет множество разделов, самые важные из которых описаны ниже. Хотя инженеры работают каждый в своей области, многие из них имеют дело с комбинацией из нескольких наук.

Электроэнергетика [ править | править код ]

Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами. Многие государства мира имеют электрическую сеть, называемую электроэнергетической системой, которая соединяет множество генераторов с потребителями энергии. Потребители получают энергию из сети, не тратя ресурсы на выработку своей собственной энергии. Энергетики работают как над проектированием и обслуживанием сети, так и над энергетическими системами, присоединёнными к сети. Такие системы называются внутрисетевыми и могут как поставлять энергию в сеть, так и потреблять её. Энергетики работают также и над системами, не присоединёнными к сети, называемыми внесетевыми, которые в некоторых случаях являются более предпочтительными, чем внутрисетевые системы. Имеется перспектива создания энергетических систем, контролируемых со спутника, имеющих обратную связь в реальном времени, что позволит избежать скачков напряжения и предотвратить нарушения энергоснабжения.

Электромеханика [ править | править код ]

Электромеханика рассматривает общие принципы электромеханического преобразования электрической энергии и их практическое применение для проектирования и эксплуатации электрических машин. Предметами изучения электромеханики являются: преобразование электрической энергии в механическую и наоборот, электрические машины, электромеханические комплексы и системы. Цель электромеханики — управление режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую. К основным направлениям электромеханики относятся: общая теория электромеханического преобразования энергии; проектирование электрических машин;анализ переходных процессов в электрических машинах.

Системы автоматического управления [ править | править код ]

Задачами автоматических систем управления (и автоматизации в целом) является моделирование различных динамических систем и разработка систем управления, которые заставляют работать динамические системы нужным образом. Для создания таких устройств могут использоваться электрические схемы, процессоры цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры. Системы управления имеют широкую область применения от систем, встраиваемых в энергетические установки (например, на коммерческих авиалайнерах), автоматов постоянной скорости (имеющихся во множестве современных автомобилей) и ЧПУ в станках до систем управления на базе промышленных ПК в автоматизации промышленного производства.

Инженеры часто используют обратную связь при проектировании систем управления. Например, в автомобиле с автоматом постоянной скорости скорость транспортного средства постоянно отслеживается, и данные передаются системе, которая соответственно регулирует выходную мощность двигателя. Если имеется стандартная система обратной связи, можно использовать теорию управления для определения того, как система должна реагировать на поступающую информацию.

Сейчас без электричества невозможно представить жизнь. Это не только свет и обогреватели, но и вся электронная аппаратура начиная с самых первых электронных ламп и заканчивая мобильными телефонами и компьютерами. Их работа описывается самыми разными, иногда очень сложными формулами. Но даже самые сложные законы электротехники и электроники в основе своей имеют законы электротехники, которые в институтах, техникумах и училищах изучает предмет «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ).

Основные законы электротехники

Закон Ома — с этого закона начинается изучение ТОЭ и без него не может обойтись ни один электрик. Он гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению Это значит, что чем выше напряжение, поданное на сопротивление, электродвигатель, конденсатор или катушку (при соблюдении других условий неизменными), тем выше ток, протекающий по цепи. И наоборот, чем выше сопротивление, тем ниже ток.

Закон Джоуля — Ленца. С помощью этого закона можно определить количество тепла, выделившегося на нагревателе, кабеле, мощность электродвигателя или другие виды работ, выполненных электрическим током. Этот закон гласит, что количество тепла, выделяемого при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению этого проводника и времени протекания тока. С помощью этого закона определяется фактическая мощность электродвигателей, а также на основе этого закона работает электросчётчик, по которому мы платим за потреблённую электроэнергию.

Первый закон Кирхгофа. С его помощью рассчитываются кабеля и автоматы защиты при расчёте схем электроснабжения. Он гласит, что сумма токов, приходящих в любой узел равна сумме токов, уходящих из этого узла. На практике приходит один кабель из источника питания, а уходит один или несколько.

Второй закон Кирхгофа. Применяется при подключении нескольких нагрузок последовательно или нагрузки и длинного кобеля. Он также применим при подключении не от стационарного источника питания, а от аккумулятора. Он гласит, что в замкнутой цепи сумма всех падений напряжений и всех ЭДС равна 0.

С чего начать изучение электротехники

Лучше всего изучать электротехнику на специальных курсах или в учебных заведениях. Кроме возможности общаться с преподавателями, вы можете воспользоваться материальной базой учебного заведения для практических занятий. Учебное заведение также выдаёт документ, который будет необходим при устройстве на работу.

Если вы решили изучать электротехнику самостоятельно или вам необходим дополнительный материал для занятий, то есть много сайтов, на которых можно изучить и скачать на компьютер или телефон необходимые материалы.

Видеоуроки

В интернете есть много видеоматериалов, помогающих овладеть основами электротехники. Все видеоролики можно как смотреть онлайн, так и скачать с помощью специальных программ.

Видеоуроки электрика — очень много материалов, рассказывающих о разных практических вопросах, с которыми может столкнуться начинающий электрик, о программах, с которыми приходится работать и об аппаратуре, устанавливаемой в жилых помещениях.

Основы теории электротехники — здесь находятся видеоуроки, наглядно объясняющие основные законы электротехники Общая длительность всех уроков около 3 часов.

1. Основы электротехники, ноль и фаза, схемы подключения лампочек, выключателей, розеток. Виды инструмента для электромонтажа;
2. Виды материалов для электромонтажа, сборка электрической цепи;
3. Подключение выключателя и параллельное соединение;
4. Монтаж электрической цепи с двухклавишным выключателем. Модель электроснабжения помещения;
5. Модель электроснабжения помещения с выключателем. Основы техники безопасности.

Книги

Самым лучшим советчиком всегда являлась книга. Раньше необходимо было брать книгу в библиотеке, у знакомых или покупать. Сейчас в интернете можно найти и скачать самые разные книги, необходимые начинающему или опытному электромонтёру. В отличие от видеоуроков, где можно посмотреть, как выполняется то или иное действие, в книге можно держать рядом во время выполнения работы. В книге могут быть справочные материалы, которые не поместятся в видеоурок (как в школе — учитель рассказывает урок, описанный в учебнике, и эти формы обучения дополняют друг друга).

Есть сайты с большим количеством электротехнической литературы по самым разным вопросам — от теории до справочных материалов. На всех этих сайтах нужную книгу можно скачать на компьютер, а позже читать с любого устройства.

Например,

mexalib — разного рода литература, в том числе и по электротехнике

книги для электрика — на этом сайте много советов для начинающего электротехника

электроспец — сайт для начинающих электриков и профессионалов

Библиотека электрика — много разных книг в основном для профессионалов

Онлайн-учебники

Кроме этого, в интернете ест онлайн-учебники по электротехнике и электронике с интерактивным оглавлением.

Это такие, как:

Начальный курс электрика — учебное пособие по электротехнике

Основы электротехники — базовые понятия

Электроника для начинающих — начальный курс и основы электроники

Техника безопасности

Главное при выполнении электротехнических работ, это соблюдение техники безопасности. Если неправильная работа может привести к выходу из строя оборудования, то несоблюдение техники безопасности — к травмам, инвалидности или летальному исходу.

Главные правила — это не прикасаться к проводам, находящимся под напряжением, голыми руками, работать инструментом с изолированными ручками и при отключении питания вывешивать плакат «не включать, работают люди». Для более подробного изучения этого вопроса нужно взять книгу «Правила техники безопасности при электромонтажных и наладочных работах».