Определение электрической и магнитной цепей. Источники и приемники (потребители) электрической энергии

Введение.

Электротехника – область науки и техники, связанная с использованием электрических и магнитных явлений в практических целях. Теоретическая электротехника – фундаментальные основы знаний, язык всех электротехнических и электроэнергетических дисциплин. ТОЭ синтезирует знания физики и математики. Курс ТОЭ состоит из ТЭЦ (теория цепей) и ТЭМП (теория электромагнитного поля) и содержит несколько частей. Вводная часть – «Введение, краткая история электротехники, основные понятия и законы теории электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей» содержит обобщение понятий и законов из области электромагнитного поля, формулировок и

определений основных понятий и законов теории электрических и магнитных цепей, относящихся ко всем разделам курса. Наиболее объемная часть – «Теория линейных электрических цепей». В ней излагаются свойства линейных электрических цепей и методы расчета процессов в таких цепях. Проводится анализ цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами в установившемся режиме и расчет переходных процессов, вызванных коммутацией. В «Теории нелинейных электрических и магнитных цепей» рассматриваются свойства и методы расчета цепей с нелинейными характеристиками. Многие электротехнические проблемы не ограничиваются вопросами теории цепей и могут быть решены только методами «Теории электромагнитного поля». Так, параметры электрических и магнитных цепей, отражают в интегральной форме конфигурацию электрических и магнитных полей, связанных с рассматриваемыми цепями, и физические свойства среды, в которой они существуют. Следует отметить, что математический аппарат теории цепей значительно проще и более формализован, чем аппарат теории поля.

Теория цепей развивалась как часть науки об электрических и магнитных явлениях. Первый электротехнический прибор – компас – был создан в Китае четыре тысячи лет назад. Однако прогресс в использовании электромагнитных явлений стал заметным лишь в начале XVII века, когда вышел первый научный труд английского ученого В. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните – Земле”. В середине XVIII века в г. Лейдене голландским профессором П.Мюнсхенбрюком был изготовлен источник электрической энергии, названный “лейденская банка”. В это же время наш великий соотечественник М. В. Ломоносов вместе со своим учеником Г. В. Рихманом проводит исследования атмосферных электромагнитных явлений с помощью “громовой машины”. В 1785 году французский физик Ш. О. Кулон устанавливает зависимость силы взаимодействия двух заряженных тел от величины зарядов и расстояния между телами (закон Кулона).

XIX век – век расцвета исследований по электромагнетизму, когда непрерывно открывались новые электромагнитные явления, устанавливались законы, которым они подчиняются, изобретались электротехнические устройства. В 1820 году датский физик Х. К. Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что позволило впервые связать электрические и магнитные явления. Его пятистраничный труд «Основы, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» произвел сенсацию в научном мире. В теории электромагнетизма в XIX веке французским физиком А. Ампером была установлена сила взаимодействия двух проводников с током (1820 год, закон Ампера), он вводит понятие электрического тока, изобретает гальванометр, определяет отличие электрических явлений от явлений электростатических. Исследуя процессы в электрической цепи, В. В. Петров в 1802 году открыл электрическую дугу и указал на возможность ее практического применения для освещения, плавки и сварки металлов. В 1821 году немецкий физик Т. Е. Зеебек открыл явление термоэлектричества, в 1827 году немецкий физик Г. С. Ом обнаружил связь между напряжением, током в проводнике и его сопротивления (закон Ома). В 1831 году английский профессор М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, а уже в 1832 году французами братьями Пикси на основе этого явления была создана электрическая машина – электрогенератор. В 1834 году ученый из города Кенигсберга, впоследствии работавший в России, Б. С. Якоби изобретает электродвигатель. В области создания электротехнических устройств в XIX веке следует отметить изобретение телеграфа русским ученным П. А. Шиллингом (1828–1832 годы). Немецкий механик Г. Румкорф в 1848 году создает трансформатор. Русский академик Э. Х. Ленц в 1833 году открыл закон, устанавливающий связь между направлениями индукционных токов и их взаимодействиями. В 1841 году он независимо от Д. Джоуля установил закон о количестве тепла, выделяющегося в проводнике (закон Джоуля-Ленца). Немецкий ученый Г. Р. Кирхгоф в 1847 году установил два основополагающих закона теории электрических цепей (первый и второй законы Кирхгофа). В 1873 году английский физик Д. К. Максвелл сформулировал фундаментальную систему уравнений электромагнитного поля (уравнения Максвелла). В 1872 году русский ученый В. Н. Чиколев изобрел электрифицированный станок – швейную машину с приводом, а в 1876 году американский профессор Г. Белл изобретает телефон. Русский ученый П. Н. Яблочков в 1876 году создает электрическую свечу, которой американский изобретатель Т. Эдисон придал вид современной электролампы в 1879 году. В 1874 году немецкий инженер Э. В. Сименс создает малую электрическую железную дорогу. Большой вклад в практическую электротехнику в 1889 годе сделал русский изобретатель М. О. Доливо-Добровольский, создавший трехфазный электродвигатель, а позднее – трехфазные трансформатор, электрогенератор и линию передачи энергии. В 1895–1897 годах русский профессор А. С. Попов и итальянский инженер Г. Маркони независимо друг от друга изобретают радио. В 1888 году начались опыты немецкого физика Г. Герца, в ходе которых была установлена тождественность в свойствах электромагнитных и световых волн. В этом же году русский профессор А. Г. Столетов открыл явление фотоэффекта.Во второй половине XIX века зарождается электротехническая промышленность. Электротехника стремительно входит в жизнь общества, коренным образом меняя ее. Применение переменного тока требовало решения многих вопросов и послужило основанием для разработки целого раздела теоретической электротехники – теории переменных токов. В развитие этой теории значительный вклад внес немецкий электротехник Ч. П. Штейнмец, обосновавший применение в электротехнике комплексных чисел (1893 год).

Теория электрических цепей на базе законов Ома, Кирхгофа и других, подкрепляемых практическими электротехническими разработками, начала интенсивно развиваться. В 1904 году в Петербургском политехническом институте профессор В. Ф. Миткевич начал читать курс “Теория электрических и магнитных явлений”, а в 1905 году с Московском высшем техническом училище профессор К. А. Круг – курс “Теория переменных токов”, который был издан в 1906 году. Первой книгой в России, в значительной мере охватывающей весь комплекс вопросов теоретической электротехники, была изданная в 1916 году книга К. А. Круга “Основы электротехники”. Этап в развитии электротехники с 1880 по 1917 годы можно назвать становлением самостоятельных дисциплин по теоретической электротехнике и теории электрических цепей. XX век – век электротехники, в котором огромное влияние на жизнь общества оказала электрификация. В 30-е годы 20-го века начался процесс объединения энергосистем Центра с Энергосистемами Средней Волги, Урала и Предуралья, чем было положено начало формирования Единой энергетической системы (ЕЭС) страны. Реализация плана ГОЭЛРО оказала огромное влияние на мировую электротехническую науку и технику. Так, очевидно его влияние на принятую в США программу создания в 2010-2030 годах Единой электроэнергетической системы США.

В наши дни такие разделы электротехники, как электротехнологии, транспортная и космическая электротехника, светотехника, техника высоких напряжений, электроэнергетика, медицинская электротехника и т.д. и связанные с ними приборостроение и аппаратостроение, робототехника, энергомашиностроение, компьютерная техника и информационные технологии и т.д. во многом определяют направления научно-технического прогресса и также широко используют положения теории электрических цепей. Уровень развития электротехнической науки и практики наряду с уровнем развития и внедрения информационных технологий отражает научный, промышленный и оборонный потенциал любого государства.

Электрическая энергия — самый распространенный вид энергии, которым пользуется человечество в наше время. Она широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в быту. Без ее применения невозможна была бы современная служба связи, у нас не было бы кино и телевидения, кроме того, она играет важную роль в благоустройстве наших сел и городов.

Успехи электротехники как науки, изучающей методы и средства использования электрических и магнитных явлений в технике, позволили разработать и затем использовать различные методы преобразования неэлектрических величин в электрические и создать электрические приборы для контроля, управления и автоматического регулирования любых производственных процессов, даже таких, полный цикл которых длится доли секунды. Без электротехнических устройств и приборов в современных условиях невозможно получать и передавать сигналы или информацию, регулировать температуру, давление, концентрацию, плотность газовых и жидких сред, вибрацию и т.д.

Благодаря исследованиям в области электротехники созданы и широко используются быстродействующие вычислительные машины, электроизмерительные приборы, системы управления техническими и другими объектами. Следовательно, без знания электротехники нельзя быть хорошим специалистом, в какой бы области человек не работал.

Электротехника как наука возникла с появлением источника непрерывного электрического тока, годного для практических целей. Родоначальником мировой электротехники следует считать русского ученого В.В. Петрова, который в 1802 г., исследуя гальванические элементы при подключении к зажимам батареи углей, обнаружил в воздушном промежутке между ними яркое пламя белого цвета. Концы углей нагревались настолько, что начинали плавиться. Таким образом, В.В. Петров первым в мире открыл явление (позднее названное «вольтовой дугой») превращения электрического тока в теплоту и свет, а, точнее говоря, преобразования электрической энергии в другие виды энергии, которые уже непосредственно могут быть использованы для практических целей.

Следует отметить, что большинство наиболее важных изобретений и открытий в области электротехники сделано русскими учеными и инженерами. Академик Э.Х. Ленц, обобщив открытия Эрстеда и Фарадея, установил в 1833 г. закон о направлении индуцированного тока, а позднее (1838—1844 гг.) теоретически обосновал и практически доказал принцип обратимости электрических машин.

Русский изобретатель П.Л. Шиллинг осуществил (1832 г.) первую в мире телеграфную связь с помощью изобретенного им электромагнитного телеграфа. Это было первым практическим применением электричества в области техники электросвязи.

Русский академик Б.С. Якоби изобрел и построил первый электродвигатель, а затем (1838 г.) электропривод судна на Неве — «Электроход Якоби».

В последующие годы (1840—1870 г.) творческая деятельность ученых мира была направлена на создание экономичного и надежного электрического генератора. Основная часть вырабатываемой в то время электрической энергии использовалась на освещение. Этому в значительной мере способствовало изобретение (1875 г.) русским инженером П.Н. Яблочковым синхронного генератора и дуговой лампы (электрической свечи Яблочкова). Его свечи получили широкое распространение в ряде стран Европы и стали известны там под названием «русского света».

Рост городов и развитие промышленности способствовали существенному расширению использования электрической энергии. Началось строительство электрических станций. Появилась необходимость передачи электроэнергии на дальние расстояния. Однако на электростанциях того времени были установлены генераторы постоянного тока. Передавать же электроэнергию на дальние расстояния постоянным током из-за больших потерь в проводах линии было экономически невыгодно.

Последнее десятилетие XIX в. ознаменовалось новым периодом в технике использования электрической энергии в промышленном производстве. Возникла новая область техники — электроэнергетика, — родоначальником которой явился выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский, разработавший в 1888-1890 гг. трехфазную систему токов и построивший первый в мире трехфазный генератор переменного тока. Созданный им асинхронный короткозамкнутый электродвигатель переменного тока является и поныне основным типом электродвигателя. В тот же период времени М.О. Доливо-Добровольский создал трехфазный трансформатор, а также трехфазную систему передачи и распределения электрической энергии. Эта система до сих пор действует во всем мире.

Славные традиции русских электротехников XIX в. продолжили ученые и инженеры нашей страны. Сейчас Россия является мощной индустриальной державой и во многих областях электроэнер гетики и электропромышленности занимает ведущее место в мире.

В настоящее время создаются разнообразные устройства с электронными, полупроводниковыми и электромагнитными элементами, автоматические промышленные роботы и манипуляторы. С их помощью совершенствуются технологические процессы, системы управления, контроля и информации.

Без использования электротехники немыслимы были бы успехи в медицине, биологии, экологии и в других отраслях науки.

УРОК №2

Электрические и магнитные цепи. Основные понятия об электрических и магнитных цепях.

Система производства, передачи и преобразования электрической энергии в другие виды энергии состоит из ряда электротехнических устройств — генераторов, трансформаторов, аппаратов управления и защиты, линий электропередачи и приемников электрической энергии.

Комплекс электротехнических устройств, предназначенный для производства, передачи и использования электрической энергии, называется электрической системой.

Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью электрических величии — электродвижущей силы, тока и напряжения.

Рисунок 1

Магнитной цепью называют совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела и среды, образующие путь, вдоль которого замыкаются линии магнитного потока, а электромагнитные процессы могут быть описаны с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока, магнитной индукции и разности магнитных потенциалов, называемых магнитными величинами.

ЗАПОМНИТЕ

Свойства электрических цепей характеризуются значениями сопротивлений, индуктивностей и емкостей всех элементов, составляющих электрическую цепь. Свойства магнитной цепи характеризуются магнитными параметрами материала ферромагнитных тел, образующих магнитную цепь. Для анализа процессов и расчета электрическую и магнитную цепь заменяют эквивалентной схемой замещения (далее будем называть просто схемой цепи), представляющую собой идеализированную модель реальной цепи. Чем точнее элементы схемы замещения отражают реальную цепь, тем точнее ее расчет и анализ режимов.

УРОК №3

Определение электрической и магнитной цепей. Источники и приемники (потребители) электрической энергии.

Электрическая цепь

Рисунок 1 — Условное обозначение электрической цепи

Электрическая цепь (гальваническая цепь) — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протеканияэлектрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока инапряжение.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой (рисунок 1).

Date: 2016-05-25; view: 2916; Нарушение авторских прав