Основы электротехники и электроники

Разделы

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

Основная статья: Электроэнергетика

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

Основная статья: Электромеханика

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

Основная статья: Системы управления

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.

Напряжение и ток – понятия

Для работы любого электронного компонента требуется наличие электрического тока. Он создается электрическим потенциалом, то есть «напором» частиц. Самого потенциала недостаточно для течения тока. Нужен также проводник, способный пропустить его через себя. Если проводника нет, то потенциал уходит в воздух, который очень хорошо препятствует распространению тока. Объекты, которые останавливают ток, называются диэлектриками, а позволяющие протекать через них – проводниками.

Помимо проводника, для  течения тока нужна разность потенциалов, возникающая в цепи. Аналогию можно провести с водопроводной трубой. Если с обеих ее сторон подается одинаковый напор, то каким бы сильным он ни был, вода не будет течь. Разность потенциалов называется напряжением. Оно обозначается буквой «U» и измеряется в  вольтах. Сила тока же обозначается «I» и измеряется в амперах.

Важно! По общей договоренности считают, что ток течет от плюса к минусу, но на самом деле это условность. Все дело в том, что отрицательные электроны были открыты уже после этой договоренности

В схемах и на практике никто не вспоминает, откуда и куда течет ток.

Наглядное определение напряжения

Требования и профессиональные навыки

Руководитель энергетического предприятия имеет в своём распоряжении штат из инженеров, электриков среднего звена и рядовых работников, окончивших ПТУ. Назначения на должности инженеров энергетиков, электротехников и рядового состава производятся приказом руководства по представлению Главного энергетика предприятия.

Требования к специалистам входят в положения должностных инструкций. Они градуированы в зависимости от квалификации и наличия профессиональных навыков. Требования включают в себя:

  • умение работать с документацией, необходимой для выполнения своих обязанностей;
  • разработка планов по развитию энергетического потенциала предприятия;
  • бесперебойное обеспечение электроэнергией;
  • знание технических характеристик, устройства энергетических сетей и электроустановок;
  • умение ремонтировать элементы энергетического комплекса;
  • применение новейших методик регулировочных и пусконаладочных работ, производимых в различном электрооборудовании;
  • внедрение передового опыта по совершенствованию энергетического хозяйства.

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

Pист = E I.

Мощность приемника

Рпр = U × I = R × I2 = U2/R

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.

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.

Внутренняя отделка и утепление

Пол бани делается бетонным, а под ним прокладывается канализационная труба для отведения воды (а если нужно, то и водопроводные трубы). Отделку пола можно выполнить керамической плиткой, а потом накрыть деревянным настилом.

Помещение нуждается в гидроизоляции. На стены крепится брус 50×50 мм, а между обрешеткой укладывается утеплитель и закрывается фольгированной пленкой. Выбирая, как утеплить баню, остановитесь на минеральной вате. Это недорогой и надежный материал.

Самым распространенным материалом для внутренней отделки остается деревянная вагонка. Планки предварительно обрабатываются антисептическим средством. Для их крепления набивается новая обрешетка из реек 50×30 мм.

Обрешетка набивается в противоположном направлении, в котором будет производиться обшивка вагонкой. То есть, если вагонка будет закреплена горизонтально, то обрешетку нужно набить вертикально.

Как стать электриком с нуля?

Не так давно школьники мечтали стать юристами, экономистами или бухгалтерами, как представителями одних из наиболее высокооплачиваемых профессий. Но с бесконтрольным ростом таких специалистов на рынке труда довольно сложно отыскать теплое место с хорошей зарплатой даже дипломированному работнику с приличным стажем за плечами.

Тем не менее, спрос на рабочие профессии не утрачивает своей актуальности, как в части спроса на них, так и в финансовом выражении. А повсеместное использование электричества во всех сферах человеческой деятельности побуждает молодежь задуматься о том, как стать электриком с нуля.

1.1. Основные пояснения и термины


Электротехника

это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.


Электроника

это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления информации.

Каждая наука имеет свою терминологию. Запомним термины, понятия электротехники и электроники.


Электрическая цепь

это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока
.

Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы.

Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).


Электродвижущая сила

электрическая разность потенциалов, создаваемая источником электрической энергии (электрохимическим элементом, механическим генератором, термоэлементом, фотоэлементом и пр.).

Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электрические механизмы и т.д.).

Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).

Направленное движение электрических зарядов называют электрическим током. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой I.

Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.

Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила. На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.
Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активными называют электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными — электрические цепи, не содержащие источников энергии.


Линейная электрическая цепь

это такая цепь, в которой ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.


Нелинейная электрическая цепь

это такая электрическая цепь, которая содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.


Электрическая схема

это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.

Рис. 1.1

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.


Схема замещения

это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.

На рисунке 1.2 показана схема замещения.

Рис. 1.2

История и основные этапы развития электротехники и электроники

Если углубляться в историю, то жителя Древней Греции Фалеса Милетского можно считать первопроходцем электротехники в том ее значении, которое привыкли сегодня трактовать.

Именно Фалес первым заметил, что янтарь, натертый шерстью, способен ненадолго притягивать к себе металлические изделия. Скорее всего, тогда он не понял, что создал первый в мире миниэлектромагнит.

Последующие упоминания об электричестве и оборудовании для его выработки относятся к началу 17 века, когда была создана электрическая машина-магнит. Уже в 1729 году было совершена первая передача электричества на расстояние.

В развитии электротехники выделяют шесть этапов.

  • открытие электростатики (до 1800 г.);
  • закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800-1830 гг.);
  • появление электротехники (1830-1870 гг.);
  • становление электротехники, как самостоятельной отрасти техники (1870-1890 гг.);
  • развитие электрификации в мире (с 1891 г.);

Последней тенденцией в развитии электротехник является активное внедрение робототехники. Именно это направление считается наиболее перспективным.

Ученые планируют заменить роботами работу пожарных, медиков, военных в сложных ситуациях не только помогая, но и сохраняя человеку жизнь.

Физические свойства

История

Основная статья: История электротехники

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.

Что изучает электротехника

Основа электрики формировалась в XIX веке. Те времена называют эпохой грандиозных открытий основополагающих законов, дающих все представления об электричестве. Электротехника (ЭТ) как наука начинала делать свои первые шаги. Теория стала подкрепляться практикой. Появились первые электротехнические устройства, совершенствовались коммуникационные системы доставки электроэнергии от источника потребителю.

Базой развития электротехники стали достижения в области физики, химии и математики. Новая наука изучала свойства электрического тока, природу электромагнитных излучений и другие процессы. По мере накопления знаний ЭТ становилась наукой прикладного характера.

Современная научная дисциплина изучает устройства, в которых используется электрический ток. На основании исследований создаются новые более совершенные электротехнические установки, приборы и устройства. ЭТ – одна из передовых наук, являющаяся одним из основных двигателей прогресса человеческой цивилизации.

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.

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.

Типы проводников

При изучении теоретических основ электротехники нельзя обойти вниманием влияние проводимости используемых в различных устройствах веществ на электроток. По этому параметру материалы можно разделить на следующие группы:

  1. Проводники – субстанции, беспрепятственно пропускающие ток (металлы, электролиты, жидкая ртуть, графитные стержни). Проводимость может относиться не только к собственно электронам, но и к ионам, как положительно, так и отрицательно заряженным. Пример второго типа – раствор хлорида натрия в воде, обладающий электролитными свойствами (чистая вода является диэлектриком).
  2. Полупроводники – вещества, приобретающие способность проводить ток только при определенных внешних условиях (температура, освещение и иные факторы).
  3. Диэлектрики – материалы, не обладающие способностью пропускать ток. Благодаря этому, они обладают изоляционными свойствами.

Диэлектрик во внешнем электрическом поле

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.

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

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий