Введение
Электротехника
-область науки и техники, которая занимается изучение5м электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.
Эл. энергия широко применяется во всех областях промышленности, с/х, связи, транспорта, автоматики, вычислительной техники, электроники, радиотехники и в быту.
Преимущества эл. энергии:
1) Легко преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую, химическую, ядерную и др.)
2) Легко дробится
3) Передается на большие расстояния, легко регулируется (реостаты) и контролируется (счетчики и др. измерит. приборы)
4) Экологически чистая
5) Дешевая
Электроника
-область науки, техники и производства, в которой разрабатываются принципы производства и совершенствования электронных приборов, методы инженерного расчета и технологического обеспечения, способы создания электронных систем для нужд.
Формы существования материи
вещество поля
молекулы эл.поле м.поле
атомы материя, существующая вокруг заряда
электростат. электрич.
(неподвижные q) (подвижные q) Эл. заряд
-это физ.величина, определяющая интенсивность э/м взаимодействий.
Электризация
-сообщение телу эл.заряда (трение, влияние, прикосновение).
При электризации выполняется закон эл.заряда
:
· В замкнутой системе алгебраическая сумма эл.зарядов всех частиц остается неизменной
q
1
+
q
2
+…+
qn
=
const
Виды взаимодействия
:
· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются
Взаимодействие точечных заряженных тел описывается законом Кулона:
F
=
k
R-расстояние между зарядами
- в среде - в вакууме
ℰ0
– эл.постоянная; 8,85*10-12
ℰ - относительная диэл. Проницаемость среды
ℰабс
= ℰ0
* ℰ -абсолютная проницаемость среды
Электрический ток. Параметры тока.
Эл. ток
- упорядоченное движение эл. зарядов.
В металлах – упорядоченное В электролитах - упорядоч.
движение свободных эл. движение ионов.
В газах – упорядоченное
движение ионов и электр.
За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
Действие тока.
1) тепловое; 2) магнитное; 3) химическое
Условие существования постоянного тока
1) напряженность эл. поля в проводнике должна быть отлична от нуля и не должна изменяться с течением времени;
2) цепь пост. Тока проводимости должна быть замкнутой;
3) На свободные эл. заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать неэлектростат. Силы, называемые сторонними силами.
Интенсивность направленного перемещения зарядов характеризует величину тока.
Сила тока
- заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S. Заряд каждой частицы равен q0
Сила тока в метал. проводнике:
q
0
n
υS
n-число носителей зарядов в единице объема
υ-ср. скорость упорядоченного движения электронов
[
I
]
=
А
Силу тока измеряют амперметром.
Сопротивление
– способность проводника изменять силу тока в цепи.
Зависит:
· от длины проводника
· от материала проводника
· от S поперечного сечения
[R]= Ом
– уд. электропроводность Измеряется:
· от температуры
R=R0
(1+αt0
)
R- сопротивление при любой температуре
R0
– сопротивление при t=0°
α – температурный коэф-т сопротивления
[α]= °C-1
Закон Ома для участка цепи:
Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.
|
Электрическое поле
Эл. поле
– это особый вид материи, который существует вокруг любого проводника с током и действует с силой на другой проводник или заряженную частицу, внесенную в него.
Обнаружить эл. поле можно пробным зарядом.
Пробный заряд – это заряд, внесение которого в исследуемое поле не приводит к перераспределению сил в нем.
Основные характеристики электрического поля
Напряженность
– величина хар-ая Потенциал
– это величина, равная
силу, с которой эл. поле действует отношению работе, совершаемой
на заряд, помещенную в данную эл.полем при переносе заряда из
точку эл. поля. бесконечности в данную точку поля
Си:[E]= Си: [= =
=
В
Вектор напряженности есть - среда
касательная к силовой линии - вакуум
эл.поля. разность потенциалов
- = - = = U(B)
E
=
-
среда U- напряжение – разность потенци-
E
=
– вакуум алов, численно ровное работе,
Совершаемой эл.полем при пере-
мещении заряда из одной точки в
E=const (поле однородное) другую.
E≠const (неоднородное)
a)
Е Е*S=N-поток
вектора
S⊥E- напряженности
[E]=В*м
б) поток через сферическую поверхность определяется отношением суммы зарядов, расположенных внутри этой поверхности к абсолютной диэлектрической проницаемости среды.
=
N
=
- вакуум N
=
- среда ⇒ теорема Гаусса
Связь между напряженностью и напряжением E
=
– расстояние.
Электропроводность.
Проводники, диэлектрики и полупроводники.
Электропроводность
– способность вещества пропускать электрический ток.
Проводники
(обладают высокой электропроводностью)
1 рода 2 род
Металлы, среды, электролиты, электролиты
газы, плазма, вакуум. носителями эл.заряда являются
Ток образуется свободными ē, ионы – заряженные атомы и
электронная электропроводимость молекулы.
Полупроводники
- материалы, которые по своим эл. свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Относятся: германий, кремний, селен, оксиды металлов, соединения металлов с серой. Электропроводность и концентрация носителей зарядов в них зависит от температуры, освещенности, примесей.
Обладают проводимостью
Электронной(-) дырочной(+)
Если на п/п действует эл. поле,
Применение: выпрямители, усилители, "строительный" материал диодов, трансляторов, микропроцессоров и др. электронной техники.
Диэлектрики
– ряд веществ, у которых отсутствуют свободные электроны.
Диэлектрики
полярные неполярные
1) центры распределения "+" 1) центры распределения
и "-" зарядов не совпадают "+" и "-" зарядов совпадают
2 ) "поле ориентирует готовые диполи" 2) поле растягивает молекулы
в диполи, оси которых
направлены вдоль поля.
Эл. диполь
– пара разноименных точечных зарядов, связанных между собой и находящихся на малом расстоянии.
· Явление направленного движения свободных носителей эл. зарядов в веществе или в вакууме наз. эл. током проводимости.
Величина тока проводимости определяется эл. зарядом всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Общий заряд частиц, прошедших через сечение за это время.
Q
=
e
*
n
I=
[I]=A
· Постоянный ток – эл. ток, длительно не изменяющийся по величине и направлению.
· Переменный ток – эл. ток, изменяющийся в теч.времени.
· Плотность тока – отношение величины тока в проводимости к площади поперечного сечения этого проводника. j
=
⇒j определяет интенсивность(способность) проводника определ. Сечение выдерживать ту или иную токовую нагрузку.
[
j
]
=
Понятия активных и пассивных элементов.
Активные элементы эл. цепи считаются те элементы, в которых эл. энергия переходит в тепловую энергию.
Цепи, содержащие активные элементы – эл. цепи.
Виды соединения проводников.
последовательное параллельное
1)I=const
Iоб
=I1
=I2
2)Uоб
=U1
+U2
1)U=const
3) Rоб
=R1
+R2
Uоб
=U1
=U2
4) падение напряжения 2)Iоб
=I1
+I2
на проводниках прямо 3)
пропорционально их
сопротивлениям: 4) сила тока в участках цепи
обратно пропорциональны их
сопротивлениям:
Смешанное
Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью. ;
Си:[g]=сименс ( сим)
Закон Джоуля – Ленца
: кол-во теплоты, выделяемое в проводнике прямо пропорционально приложенному напряжению, силе тока, протекающей в проводнике и времени, в течение которого этот ток протекает.
[Q ]= Дж
Методы расчета эл. цепей.
1. Метод свертывания.
а) на схеме обозначаются все токи и условные точки
б) заменяются эквивалентными группы резисторов, с явно выраженным последовательным и параллельным соединением и определяются их сопротивления
в) замена ведется до получения простейшей схемы, для которой элементарно определяется общее (эквивалентное) сопротивление всей цепи
г) по заданному напряжению источника и вычисленному общему сопротивлению всей цепи определяется ток в неразветвленной части цепи
д) определяются падения напряжения на участках цепи и ток каждого резистора.
Электроемкость. Конденсаторы. Виды соединения конденсаторов.
Конденсатор
– это устройство, состоящее из двух проводников (пластин), разделенных диэлектриком, толщина которого мала
по сравнению с размерами проводников.
Типы конденсаторов
.
искусственные: естественные:
бумажные, электролитические, электропроводка, две жилы
слюденные, воздушные. кабеля, жила кабеля и броня.
Цепи, содержащие конденсатор – электростатические цепи. Основной параметр – емкость
– физ.величина, характеризующая зарядом, который нужно сообщить одной из пластин конденсатора, чтобы напряжение между пластинами изменилось на единицу.
Обозначение: С
Си: [С]= Ф (фарад); 1мкФ=10-6
Ф 1нФ=10-9
Ф 1пФ=10-12
Ф
Емкость плоского конденсатора
– вакуум - среда
S –площадь пластин
D – расстояние между пластинами.
Емкость конденсатора можно увеличить за счет уменьшения расстояния между пластинами, однако это приведет к уменьшению толщины диэлектрика, т.е уменьшению его электрической прочности. Увеличение емкости конденсатора с опред. диэлектриком можно добиться увеличением площади пластин, но это приведет к увеличению габарита конденсатора.
Виды соединения конденсаторов
параллельное последовательное
U
В один узел соединяется в один узел соединяются конец
начало проводников, др. 1-го проводника и начало другого
узел концы проводников 1) q=q1
=q2
=const
1) U=U1
=U2
=const 2)Uоб
=U1
+U2
+…
2) Qоб
=q1
+q2
+… Смешанное 3)…
3) Соб
= С1
+С2
Соб
=
Электрические цепи
-
Совокупность устройств, предназначенных для прохождения тока.
Основные элементы неосновные элементы
1. Источник тока 1) аппаратура элемента
; ; ; E 2) измерительная аппарат.
2. Провода 3) аппаратура защиты
3. Потребитель
⊗ ; ;
Два участка цепи
внутренний внешний
источник все ост. Части
Эл. цепи
Активные- цепи, в которых пассивные- цепи, в которых
источниках тока явл-ся источник тока явл. двигателем
генератором (направление тока (направление тока внутри
внутри источника совпадает с источника не совпадает с направ-
направлением тока в цепи) лением тока в цепи).
ЭДС(ℰ)-работа, совершаемая при переносе эл. заряда внутри источника тока.
[ℰ]=В
Основные части эл. цепи
1) Узел
–точка соединения нескольких проводников
Точки, входящие в узел - приходящие (+)
Точки, выходящие из узла – исходящие(-)
1 закон Кирхгофа
: алгебраическая сумма токов в ветвях, соединенных в один узел, равна 0
⅀
I=0 I1
-I2
-I3
=0
2) Ветвь
– часть цепи между двух узлов
3) Контур
– замкнутый путь, по которому протекает ток.
2 закон Кирхгофа:
Суммы ЭДС в контуре равна сумме падения напряжений в этом же контуре ⅀ℰ
=
⅀
IR
IR-падение напряжения
Для определения законов в алгебраической сумме произвольно задаются направлением обхода контура: по часовой или против часовой стрелки.
Закон Ома для ветвей цепи
:
Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
R - внешнее сопротивление
r – внутреннее сопротивление ист. тока