Основы электротехники и электроники. Практикум


Д. П. Андрианов, В. И. Афонин, Н. П. Бадалян











        ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРАКТИКУМ

Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.316
ББК 31.2 + 32.85
      А65
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники КГТА им. В. А. Дегтярева Чащин Е. А.;
кандидат технических наук, доцент кафедры БЭСТ (ИИТР ВлГУ) Евграфов В. В.





     Андрианов, Д. П.
А65       Основы электротехники и электроники. Практикум : учебное посо-
     бие / Д. П. Андрианов, В. И. Афонин, Н. П. Бадалян. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 180 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0810-3

     Изложены базисные процессы, протекающие в электрических и электронных элементах, устройствах и схемах. Представлены теоретические материалы, рекомендации и методические указания, необходимые для проведения лабораторных, практических занятий и самостоятельной работы. Показаны примеры решения задач с помощью пакета MathCad.
     Для студентов направлений «Материаловедение и технологии материалов», «Управление в технических системах», «Информационно-аналитические системы безопасности», «Мехатроника и робототехника», «Автоматизация технологических процессов и производств».

                                                   УДК 621.316
                                                   ББК 31.2 + 32.85





ISBN 978-5-9729-0810-3

   © Андрианов Д. П., Афонин В. И., Бадалян Н. П., 2022
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


     Учебно-практическое пособие включает в себя теоретические материалы, рекомендации и методические указания, необходимые для проведения лабораторных, практических занятий и самостоятельной работы студентов дневной и контрактно-заочной форм обучения.
     Составлены применительно к действующим учебным планам подготовки бакалавров неэлектрических направлений.
     Учебно-практическое пособие состоит из двух разделов, посвященных электротехнике и электронике. В каждом разделе последовательно изложены теоретические сведения, материалы для проведения лабораторных, практических и самостоятельных работ студентов.
     Лабораторные работы рассчитаны на 4 академических часа, проводимых за семестр. Практические занятия рассчитаны на 2 академических часа. При проведении занятий предпочтительно использование математического пакета MathCad. В пособии представлены примеры решения задач с помощью пакета MathCad.
     Теоретическая часть к каждому из разделов содержит краткие базисные сведения, позволяющие уяснить физический смысл процессов, протекающих в электрических и электронных элементах, устройствах и схемах.
     Решение предлагаемых задач прививает навыки практического применения теоретических знаний, показывает связь количественных и качественных характеристик.
     Выполнение лабораторных работ и практических расчетов направлено на развитие и закрепление у студентов понимания физической сущности изучаемых процессов.
     В рекомендуемом списке литературы приведены ссылки на адреса доступа к источникам в Интернете.

3

РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА



1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ


Базовые понятия


     1. Электротехника - отрасль науки и техники, связанная с получением, преобразованием и использованием электрической энергии в практической деятельности человека, охватывающая вопросы применения электромагнитных явлений в различных отраслях промышленности и в быту.
     2. Названия, обозначения и единицы измерения основных электрических величин электротехники приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

       Название        Обозначение     Единица измерения       
Сила тока                   I              Ампер           А  
Напряжение                  V              Вольт           В  
Проводимость                G             Симменс          См 
Сопротивление                                                 
• активное                  R                Ом            Ом 
• реактивное                X                                 
• полное                    Z                                 
Индуктивность               L              Генри          Гн  
Электрическая емкость       C              Фарада          Ф  
Электрический заряд         q              Кулон           Кл 
Магнитная индукция          B              Тесла           Тл 
Магнитный поток             ф              Вебер           Вб 
Энергия                     A              Джоуль          Дж 
Мощность                                                      
• активная                  P               Ватт           Вт 
• реактивная                Q      Вольт-ампер реактивный В'Ар
• полная                    S           Вольт-ампер       В-А 
Частота электрического      f               Герц           гц 
тока                                                          

4

     3. Наиболее часто употребительные дольные и кратные единицы физических величин электротехники приведены в табл. 1.2.


Таблица 1.2

 Кратные единицы     Дольные единицы    
приставка множитель приставка множитель
  тера      1012      милли     10-3   
  гига       109      микро     10-6   
  мега       106      нано      10-9   
  кило       103      пико      10-12  

     4. Электрический ток - направленное движение электрических зарядов в веществе или вакууме под воздействием электромагнитного поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А).
       Сила тока в 1 ампер [A] соответствует заряду в 1 кулон, протекающему через поперечное сечение за 1 секунду.
       Ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия 2 10⁻⁷ ньютон.
     5. Для установившихся режимов различают два вида электрических токов:
       - постоянный - ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время;
       - переменный - ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку.
     6. Напряжение - разность потенциалов между двумя точками электрического поля.
       Напряжение 1 вольт [B] - разность потенциалов между двумя точками, когда при прохождении между ними положительного заряда в 1 кулон совершается работа в 1 джоуль (выделение мощности 1 ватт при токе 1 ампер).
     7. Сопротивление определяет силу тока, текущего по электрической цепи при заданном напряжении.


5

       Сопротивление 1 Ом - сопротивление такого проводника, в котором устанавливается ток в 1 ампер при напряжении 1 вольт на его концах.
     Электрическое сопротивление проводника
R = р ~, s s,
где р - удельное сопротивление [°м мм ], м
    L - длина проводника [м],
    S - поперечное сечение проводника [мм²].
     Зависимость сопротивления от температуры
R = Rо (1 + а (t -1о)),

где R и Rо - сопротивление проводника при конечной t и начальной tо температурах, а - температурный коэффициент.
     Проводимость - величина обратная сопротивлению.
     Проводимость 1 симменс [см] равна величине, обратной 1 Ом.
     8. Электродвижущая сила источника - работа сторонних сил при перемещении единицы положительного заряда.
     9. Работа электрического тока [дж]
W = U ■ I ■ t = — t = I² ■ R ■ t.
R
     10. Мощность электрического тока [Вт]
P = U ■ I = — = I² ■ R.
R
     Активная мощность электрической цепи - [ватт] - мощность электрической цепи эквивалентная механической мощности 1 Вт.
     Реактивная мощность электрической цепи - [вар] - мощность электрической цепи с синусоидальным переменным током при sin ф = 1 и действующих значениях напряжения 1 В и силы тока 1 А.
     Полная мощность электрической цепи - [вольт-ампер] - мощность электрической цепи с действующими значениями напряжения 1 В и силы тока 1 А.
     11. Электрическая емкость - [фарада] - емкость конденсатора между обкладками которого при заряде 1 Кл возникает напряжение 1 В.

6

     12. Индуктивность - [генри] - индуктивность контура, с которым при силе постоянного тока в нем 1 А сцепляется магнитный поток 1 Вб.
     13. Магнитный поток - [вебер] - магнитный поток, при убывании которого до нуля в контуре, сцепленном с этим потоком с сопротивлением 1 Ом проходит количество электричества 1 Кл.
     14. Наиболее часто употребляемые основные электрические величины электротехники:
         • сила тока I,
         • напряжение V,
         • сопротивление R,
         • мощность P.
     Взаимосвязь между указанными электротехническими параметрами показана на диаграмме рис. 1.1.


Рис. 1.1. Взаимосвязь между основными электротехническими параметрами

   Электрический ток в различных средах
     1. Металлы - вещество, имеющее ионную кристаллическую решетку, между узлами решетки находятся в свободном состоянии электроны в виде электронного газа. Проводимость металлов электронная.
     Скорость движения электронов 10⁻⁴ м/с, скорость распространения электрического тока - 3'10⁸ м/с.

7

     Тепловое действие электрического тока - выделение энергии при столкновении электронов с узлами кристаллической решетки.
     Сопротивление металлов прямо пропорционально температуре.
     Возможно состояние сверхпроводимости - потери электрического сопротивления - в условиях сверхнизких температур.
     2. Вакуум - разреженное пространство, отсутствие вещества. Проводимость определяется наличием свободных носителей заряда. Электровакуумные приборы основаны на явлении термоэлектронной эмиссии - образовании в вакууме около нагретого электрода электронного газа, который начинает перемещаться с образованием электрического тока при наложении на него разности потенциалов.
     3. Полупроводники - материал, способный менять свою электрическую проводимость в зависимости от внешнего воздействия (температура, свет, заряды). Проводимость полупроводников электронная и дырочная.
     В электронике применяют примесные полупроводники, когда в кристаллическую решетку внедряют атомы, обеспечивающие проводимость:
        • n-типа (донорная) - избыток свободных электронов,
        • p-типа (акцепторная или дырочная) - недостаток свободных электронов.
     4. Газы - появление электрического тока (газового разряда) возможно только при ионизации атомов газа. Проводимость газов ионная и электронная. Возможны следующие типы газовых разрядов:
        • тлеющий при высоком напряжении и низком давлении,
        • дуговой при высоких температурах,
        • коронный при неоднородности электрического поля,
        • искровой при высоком напряжении и атмосферном давлении.
     5. Жидкости проводят электрический ток при наличии в них свободных носителей электрических зарядов. Проводимость жидкостей ионная, сопровождается переносом вещества.
     Электролит - раствор солей, кислот, оснований. Прохождение тока через электролит сопровождается выделением вещества на электроде.

8

     Типовые вольт-амперные характеристики сред, проводящих электрический ток приведены в табл. 1.3.

Электрические цепи
     1. Электрическая цепь - совокупность генерирующих, приемных и вспомогательных устройств, соединенных между собой электрическими проводами.
     2. Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением R (резисторы), характеризуются вольт-амперной характеристикой - зависимостью I(U) или U(I). Сопротивление R и проводимость g=-^ есть параметры электрической цепи. Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков которой не зависит от значений и направлений токов и напряжений в цепи, называется линейной электрической цепью.


9

     3. Схема электрической цепи - графической изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее их соединение. В схему включают идеализированные элементы, которые являются математической моделью, описывающей физические явления в реальном элементе. Геометрическая конфигурация схемы характеризуется понятиями ветвь, узел, контур, граф, дерево графа и т. п.
     4. Активные элементы электрической цепи - те, в которых индуцируется ЭДС. Все прочие электроприемники и соединительные провода являются пассивными элементами. В пассивных элементах электрическая энергия рассеивается или накапливается.
       Примеры топологических элементов схемы приведены в табл. 1.4.
     5. Расчет сложной (многоугольной) электрической цепи, имеющей m ветвей с активными и пассивными элементами и h узлов, сводится к определению величины и направления токов отдельных ветвей, а также напряжений на зажимах элементов, входящих в данную цепь. Эту задачу решают с помощью уравнений, вытекающих из законов Кирхгофа.


10