Електротехніка з основами промислової електроніки 15 група

 Добрий день шановні здобувачі освіти!  Навчальна інформація , викладена на даній сторінці,  призначена для самостійного опрацювання учнями,  які  мають пропуски занять з різних причин та для повторення пройденого матеріалу !!!! 

Виконані завдання надсилати мені на Вайбер!

Підручники:

  1. Електротехніка з основами промислової електроніки, А.М. Гуржій, Київ «Форум»2002

https://pvmpu.poltava.ua/wp-content/uploads/2020/11/%D0%93%D1%83%D1%80%D0%B6%D1%96%D0%B9.-%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D1%96%D0%BA%D0%B0-%D0%B7-%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%97-%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D1%96%D0%BA%D0%B8-2.pdf 

2.  В.М.Бондар, Практична електротехніка для робітничих професій: Підручник – К.: Веселка, 1997

https://drive.google.com/file/d/1qAB5HBGl-9Devu7ixeduODUrikNA9y6p/view

 

21.09.2023 

 Тема №3: Електромагнетизм

Тема: Магнітне поле провідника зі струмом

Мета: Розглянути матеріал про магнітне поле провідника зі струмом. Правило свердлика.

      Візьмемо прямолінійний провідник зі струмом (рис. 1, а) чи соленоїд (рис. 1, б)та аркуш картону. Це практично не впливає на електричне та магнітне поле. Насиплемо залізних ошурок на цей лист. При прохо­дженні струму / ошурки під дією магнітного поля зорієнтуються, утворю­ючи ланцюжки силових ліній магнітного поля. На відміну від електро­статичного поля, всі лінії магнітного поля замкнені. Для прямолінійного провідника — це концентричні кола, для соленоїда — у внутрішній його частині прямі лінії, що замикаються у зовнішній. Тому магнітне поле називають вихровим.
Для прямолінійного провідника, щоб визначити напрямок магнітного поля, скористаємося запропонованим Максвеллом правилом свердлика (рис. 1, а): якщо свердлик з правою різьбою вгвинчувати у напрямку струму в провіднику, то напрямок обертання ручки свердлика збігається з напрямком силових ліній магнітного поля.

 Провідник, згорнутий у спіраль (рис. 1, б), за наявності в ньому струму утворює сумарне від кожного витка магнітне поле, позитивний напрямок вектора  В якого теж можна визначити за допомо­гою свердлика: якщо напрямок струму збігається з напрямком обертання ручки свердлика, то його прямолінійний рух зійдеться з напрямком магнітного поля всередині соленоїда чи котушки.

     Досліди Ерстеда, Ейхенвальда однозначно дове­ли наступне: магнітне поле пов'язане з елек­тричними зарядами, що рухаються, і впливає лише на рухомі заряди; на нерухомі заряди магнітне поле не впливає.

Якщо провідник розміщений не перпендикулярно до напряму силових ліній магнітного поля, то  

Для визначення напрямку електромагнітної сили F користуються правилом лівої руки: якщо позитивно спрямований (від північного полюса до півден­ного ) вектор магнітної індукції В входить у долоню, чотири витягну­тих пальці спрямовано вздовж струму І або швидкості n пози­тивного заряду +q, то силу F спрямовано вздовж великого пальця, відхиленого на 90° від інших пальців (рис. 2).

Закріплення нового матеріалу

Задача:У магнітному полі під прямим кутом до силових ліній рухається прямолінійний провідник із струмом 40 А. Магнітна індукція В = 0,2 Тл. Довжина провідника = 300 мм. Визначте силу.

1. Скласти конспект. 

2. Дати відповідь на питання (письмово):

1.  Що  називають  магнітним  потоком  (відповідь  проілюструйте  рисунком)?  Магнітний  потік  величина скалярна чи векторна?

2.  Як  впливає  розміщення  поверхні,  через  яку  проходить  магнітний  потік,  на  значення  і  знак  цього потоку? Яка формула враховує цей вплив?

3. Який зв'язок кількості ліній індукції з модулем магнітного потоку? 

4. Установіть одиницю магнітного потоку в СІ і сформулюйте визначення цієї одиниці.

21.09.2023 

Тема №3: Електромагнетизм

Тема: Прості магнітні поля

Мета: сформувати уявлення про магнітне поле як вид існування матерії, ознайомитись з  властивостями постійних магнітів, пояснити походження та властивості магнітного поля Землі, розвивати вміння узагальнювати та складати опорний конспект, навчити використовувати набуті знання. 

Магніти відомі людству більше двох з половиною тисяч років. Ще в Давньому Китаю існувала приказка: «Камінь, що любить (ки тайською «тшу-ши»), притягує залізо, як ніжна мати притягує до  себе своїх дітей». Не тільки китайці називають магніт «каменем,  що любить». Французькою назва магніту звучить як «aimant», що в перекладі теж означає «той, який любить».

Так, що ж «люблять»  магніти, що вони до себе притягують?

Сьогодні на уроці необхідно визначити: напрямок магнітних ліній магнітного поля провідника зі струмом залежить від напрямку струму в провіднику; вчити визначати їх напрямок за допомогою правила свердлика та правила правої руки; розуміти, від чого залежить модуль індукції магнітного поля провідника зі струмом; уміти визначати розташування магнітних полюсів котушки зі струмом за допомогою правої руки.

Досліди Ерстеда, Ейхенвальда однозначно дове­ли наступне: магнітне поле пов'язане з елек­тричними зарядами, що рухаються, і впливає лише на рухомі заряди; на нерухомі заряди магнітне поле не впливає.

При переміщенні провідника в магнітному полі, в ньому виникає струм, який можна виявити за відхиленням стрілки гальванометра. Це свідчить про появу на кінцях провідника е. р. с. Вона називається індукованою е. р. с. і, в свою чергу, створює електричний струм, який називається індукованим.

Е. X. Ленц сформулював таке правило: напрям індукованої е. р. с. такий, що зумовлений нею струм і його магнітне поле протидіють причині виникнення цієї е. р. с. і струму.

Значення індукованої е. р. с. прямо пропорційне магнітній індукції поля, довжині провідника і швидкості його руху. Якщо провідник рухається не під прямим кутом до силових ліній магнітного поля, а під якимсь кутом   a, то враховується тільки його складова  n, яка прагне рухати провідник поперек силових ліній. Ця складова дорівнює швидкості n, помноженій на синус кута a:  

Таким чином,  

               Таким чином 

  Е – індукована е.р.с.

Індуктивність.

 Індуктивність – фізична величина, що описує електромагнітні властивості індуктивного елемента (ідеальної котушки індуктивності). 

 

У найпростішому випадку індуктивний елемент (котушка індуктивності або дросель) – ізольований провід, намотаний поверх феромагнітного осердя (магнітопроводу). Відповідно до закону електромагнітної індукції ЕРС індукується у провіднику, якщо останній знаходиться у змінному магнітному полі. Припустимо, що котушка проводу є нерухомою та уздовж її витків пересувається постійний магніт.

 1 – виток проводу; 2 – постійний магніт; 3 – магнітні силові лінії

Якщо взяти соленоїд, який складається тільки з одного витка, то створюваний ним магнітний потік буде пропорційний струму:   

     (6.)  де L— коефіцієнт пропорційності, який називається індуктивністю;   і — миттєве значення струму в соленоїді. При і = 1 маємо:, тобто індуктивність розглядуваного соленоїда характеризується магнітним потоком, який створюється в соленоїді при проходженні струму в 1 А.

Інакше кажучи, індуктивність характеризує здатність соленоїда створювати магнітний потік. Вона залежить від геометричних розмірів і форми соленоїда; для розглядуваного соленоїда є величиною сталою.

Одиницею індуктивності в СІ є генрі (Гн). Застосовується також величина в 1000 разів менша — мілігенрі (мГн).

 Приклад: зовнішній вигляд котушки індуктивності без осердя та конденсатора

     

Вихрові струми

Індуковані струми можуть виникати не тільки в окремих провідниках і обмотках, а й у масивних металевих тілах. У цьому разі вони називаються вихровими струмами, чи струмами Фуко.

Виникнення вихрових струмів можна простежити на рис. . Масивний металевий циліндр обертається в магнітному полі з частотою n. На поверхні циліндра розміщено один виток дроту. При обертанні в напрямі руху годинникової стрілки у витку виникає індукований струм,  напрям якого визначається за правилом правої руки.

        Якщо обхопити правою рукою провідник таким чином, щоб великий палець вказував напрям струму в ньому, то решта пальців вказуватиме напрям вектора магнітної індукції.

Якщо розсікти циліндр площиною, яка проходить через його твірну та вісь, то в площині зрізу циркулюватимуть струми  , напрям яких збігається з напрямом індукованого струму у витку.

Оскільки поперечний переріз циліндра великий, ці вихрові струми можуть досягти великих значень.

Вихрові струми виникають внаслідок впливу змінного магнітного поля на металеві маси. Циркулюючи в товщі масивних деталей машин і апаратів, вихрові струми нагрівають їх, призводячи до втрат енергії.

Для обмеження вихрових струмів більшість масивних деталей електричних машин і апаратів виготовляються не з одного куска металу, а складаються (шихтуються) з листів електротехнічної сталі завтовшки 0,35-1 мм. Окремі листи ізолюються один від одного ізоляційним лаком або шаром електроізоляційної плівки, що утворюється при прокаті сталі. Крім того, для збільшення питомого опору сталі в неї додають 2-4 % кремнію. Все це дає змогу різко підвищити опір вихровим струмам у товщі металу й звести шкідливу дію їх до незначної.

Іноді вихрові струми використовуються для корисної роботи, наприклад в індукційних печах, де вони є джерелом теплоти для плавлення металів.

Взаємоіндукція

Нехай маємо дві котушки, розміщені поруч (рис. ).

Через першу котушку проходить струм, створений джерелом ЕРС. Частина магнітних силових ліній цієї котушки перети­нає витки обох   котушок. Позначимо цю частину магнітного потоку через Ф₁₂. Якщо за допомогою реостата почати зміню­вати величину струму в колі першої котушки, то така зміна магнітного потоку обумовлює індуковану ЕРС, як у першій, так і в другій котушках.

ЕРС, що виникає у витках другої котушки від зміни маг­нітного потоку першої котушки, називається ЕРС вза­ємоіндукції.

Явище виникнення інду­кованої ЕРС в провідниках, розміщених поблизу інших провідників, по яких прохо­дить змінний у часі елект­ричний струм, називається взаємоіндукцією.

ЕРС взаємоіндукції утворюватиметься також при замиканні та розмиканні кола першої котушки тому,що при цьому теж відбувається зміна струму і його магнiтного потоку від нуля до сталої величини і від сталої величини до нуля.

 Закріплення нового матеріалу 

(усне опитування)

- Що  називають  магнітним  потоком  (відповідь  проілюструйте  рисунком)? 

-Який зв'язок кількості ліній індукції з модулем магнітного потоку?

-Установіть одиницю магнітного потоку в СІ і сформулюйте визначення цієї одиниці.

-У чому полягає сутність явища електромагнітної індукції?

-Які умови потрібні для існування явища електромагнітної індукції?

-Яке поле називають індукційним чи вихровим електричним полем?

-Що є джерелом індукційного електричного поля? 

 Домашнє завдання

-         Опрацювати конспект,

-          Дати відповідь на питання: Як створити штучний магніт?

 

 14.09.2023 

Тема №2: Електричне коло та його основні закони

Тема: Активний опір провідників

Мета: Опрацювати інформацію  про види з’єднань елементів кола змінного струму. Розглянути фазові співвідношення між струмом і напругою в колі змінного струму активного опору. Навчитись виконувати розрахунку кіл змінного струму.

      Вивчаючи постійний струм, ми дізналися, що всі провідники мають електричний опір. Провідники чинять опір і на змінний струм. Однак у колах змінного струму існують різні види опорів: активні й реактивні опори.

Елемент електричного кола, у якому електрична енергія незворотно перетворюється у внутрішню енергію, називають активним опором R.

Нехай коло складається зі з’єднувальних проводів і має навантаження малої індуктивності й значного опору R. Будемо вважати, що напруга на полюсах джерела струму змінюється за законом: u = Umaxcos ω t.

Як і у випадку постійного струму, миттєве значення сили струму прямо пропорційно миттєвому значенню напруги. Тому для знаходження миттєвого значення сили струму можна застосувати закон Ома:

У провіднику активного опору коливання сили струму за фазою збігаються з коливаннями напруги, а амплітуда сили струму визначається рівністю:

Діючі значення сили струму й напруги 

 З поняттями миттєвого й амплітудного значення струму, напруги й ЕРС ми вже обізнані. Постає питання, яке значення сили струму або напруги прийняти для характеристики цього струму. Адже миттєве значення змінного струму увесь час змінюється, коливаючись між нулем і максимальним значенням. Можна було б схарактеризувати величину змінного струму його амплітудою. Це в принципі можливо, але практично дуже незручно, тому що складно побудувати такі прилади, які вимірювали б амплітуду змінного струму.

Середнє значення сили струму за період дорівнює нулю й також не може служити його характеристикою. Справді, якщо увімкнути амперметр постійного струму в коло змінного струму, то він покаже нуль.

Зручно використовувати для характеристики змінного струму яку-небудь властивість, що не залежить від напрямку струму. Такою властивістю є, наприклад, теплова дія струму. Оскільки Q = I2Rt, то вже середнє значення квадрата сили струму за період не дорівнює нулю.

Нехай сила струму змінюється за законом 

 Тоді можна записати: 

    З урахуванням можна записати:  

   Середнє значення косинуса за період дорівнює нулю, отже,Таким чином, у випадку синусоїдального струму діюче значення струму пов’язане з амплітудою в такий спосіб:  

   Діюче значення сили змінного струму дорівнює силі такого постійного струму, що виділить у провіднику ту саму кількість теплоти, що й змінний струм за той самий час. Аналогічно: 

Шкали вимірювальних приладів змінного струму градуюють саме в діючих значеннях. У паспортах електротехнічних машин, апаратів і приладів змінного струму зазначені діючі значення сили струму й напруги.

 Потужність у колі змінного струму

Потужність постійного струму можна обчислити за формулою: P = I2R. 

Визначимо середнє значення pcp потужності змінного струму. Миттєву потужність можна визначити за формулою p = i2R. Тоді 

Звідси: 

Закріплення нового матеріалу

Усне опитування:

1. Які енергетичні перетворення відбуваються в колах змінного струму, що містять тільки активний опір?

2. Чому ми не помічаємо мерехтіння лампочок, увімкнених в освітлювальну мережу змінного струму?

3. Чи можна виміряти чутливим електрометром напругу в колі змінного струму?

4. Амперметр, увімкнений у коло змінного струму, показує 1 А. Яке амплітудне значення сили цього струму?

5. Чи можна в коло змінного струму напругою 220 В вмикати конденсатор, пробивна напруга якого 250 В?

6. У який момент часу від початку коливання миттєве значення змінного струму дорівнює його діючому значенню?

Тренувальні вправи з  розв’язку задач

1. Напруга в мережі змінюється за законом u = 310sin ω t. Яка кількість теплоти виділиться за 1 хв. в увімкненій у цю мережу електричній плитці активного опору 60 Ом?

2. На ділянці кола активного опору 900 Ом сила струму змінюється за законом    

i = 0,5sin100T (А). Визначте: діючі значення сили струму й напруги; потужність, що виділяється на ділянці. Запишіть рівняння залежності u(t).

3. На рисунку наведений графік залежності напруги в мережі від часу. За який час закипить вода в чайнику, що містить 1,5 л води, якщо опір нагрівального елемента чайника 20 Ом, ККД чайника 72 %, а початкова температура води 20 °С?

 Домашнє завдання

-         Опрацювати теоретичний матеріал, скласти  конспект.

-         Дати відповідь на питання:

В освітлювальних колах змінного струму застосовують напруги 220 і 127 В. На які напруги може бути розрахована ізоляція в цих колах?

14.09.2023

Тема №2: Електричне коло та його основні закони

Тема: Отримання змінного струму

Мета: Ознайомитися з загальними поняттями про способи отримання змінного струму. Розглянути причини виникнення індукційної ЕРС в рамці. 

 В перших електротехнічних установках використовували тільки постійний електричний струм. Втім вияснилось, що набагато вигідніше використовувати змінний струм, струм який періодично змінює свій напрям та значення.

Змінний струм простіше виробляти на електростанціях. Генератори змінного струму простіші та дешевші аніж генератори постійного струму.

Передавати струм по проводам  вигідніше при високій напрузі. Змінювати напругу змінного струму дуже просто, для цього потрібен трансформатор. З постійним струмом зробити це набагато складніше.

Широкого застосування набули електродвигуни змінного струму які широко використовують в промисловості. Дуже багато технологічних процесів базуються на змінному струмі.

На електростанціях для споживачів виробляється змінний струм, а не постійний.

Освітлювальна електрична мережа, силова електрична мережа живиться змінним струмом.

Спосіб отримання змінного струму

Для перетворення механічної енергії в електричну, необхідно енергію руху перетворити в електричний струм.

Електричний струм збуджується шляхом електромагнітної індукції.

Явище виникнення електричного струму в провіднику, який пересікає магнітні лінії називається електромагнітною індукцією, а струм що виник, індукційним струмом. Індукційний струм представляє собою теж саме що і упорядкований рух електронів. Назва індукційний струм вказує тільки на причину його виникнення.

Припустимо у нас є рамка з провідного матеріалу. Помістимо її в магнітне поле. Якщо рамку почати обертати, то через неї потече електричний струм. При рівномірному обертанні на кінцях цієї рамки вийде змінний синусоїдальний струм. 

Рис. 1

Це пов’язано з тим, що в залежності від положення по осі обертання рамку пронизує різне число силових ліній. Відповідно і величина ЕРС наводиться не рівномірно, а згідно з положенням рамки, як і знак цієї величини. Це можна побачити графіку вище. При обертанні рамки в магнітному полі від швидкості обертання залежить як частота змінного струму, так і величина ЕРС на виводах рамки. Щоб досягти певної величини ЕРС при фіксованій частоті – роблять більше витків. Таким чином виходить не рамка, а котушка.

Нижче на рис. 2 показано найпростіший прилад для отримання змінного струму.

По котушці проходить постійний струм, а отже і магнітне поле також буде постійним. Стальний сердечник придає магнітним лініям бажану форму між полюсами отримуємо приблизно однорідне поле. В цьому полі рівномірно обертається прямокутна рамка. Кінці рамки з’єднані за допомогою контакту що ковзає з вольтметром. Магнітний потік який створюється котушкою є постійним, но та його частина яка з’єднана з рамкою буде неоднакова в різні моменти часу.

Зміна величини магнітного потоку, що пересікає виток, відбувається безперервно, хоча потік, який створюється електромагнітом, залишається незмінним. Відповідно в рамці буде наводитись ЕРС.

 Рис.2

Індукційна ЕРС в рамці

Тепер детальніше розглянемо, як буде виникати в рамці індукційна ЕРС. Будемо вважати що рамка обертається в однорідному магнітному полі. Магнітний потік через рамку Ф це магнітна індукція поля на площу рамки та на синус кута ᵠ між площиною рамки і напряму поля:

В – магнітна індукція

S – площа рамки

ᵠ –  синус кута між площиною рамки і напряму поля:

Якщо рамка обертається рівномірно і здійснює повний оберт за час Т, то за одиницю часу обертається на кут

 Якщо час відраховувати від моменту коли рамка стояла паралельно лініям поля, то значення кута ᵠ в деякий момент часу t буде дорівнювати 

Позначивши частоту обертання рамки, буквою f, тобто число обертів за одиницю часу, а кутову швидкість буквою ω, то можна записати:

Отже, 

                                                    

 Підставимо цей вираз у формулу магнітного потоку, то побачимо, що закон його зміни з часом має вид:

Графік, який зображує залежність магнітного потоку через рамку від часу являє собою синусоїду.

Рис. 3

Рис. 3. а.

 Магнітний потік змінює свій знак два рази за кожний оберт, обертаючись в нуль тоді коли рамка паралельна полю і набуває максимальних значень в моменти коли вона перпендикулярна полю.

ЕРС в рамці визначається не значенням самого  магнітного потоку, а швидкість його зміни тобто величиною △Ф/△t. Величина не залишається постійною, а змінюється при обертанні рамки. На Рис. 3. а. показано зміну магнітного потоку △Ф за однакові пороміжки часу △t для моменту t=0, кли Ф=0, і для моменту t=T/4, коли Ф має максимальне значення. Перше значення △Ф набагато більше другого, отже моментальне значення  індукованої ЕРС в момент △t=0  має максимальне значення, а по мірі обертання зменшується та досягає нульового значення до моменту T/4.

При подальшому повороті рамки ЕРС змінює свій знак. Індукована ЕРС завжди направлена так щоб магнітне поле що створюється її струмом гальмувало процес, що викликається індукцією. Тому в першій четверті періоду, коли магнітний потік через рамку виростає, поле індукційного струму повинно послаблювати зовнішнє поле, а в наступній четверті підсилювати це поле. Звідси виходить, що в моменти проходження ЕРС через нуль повинно виникати зміна знака.

Рис. 3. б.

Графічно показана залежність моментальних значень індукованої ЕРС від часу.

Можна показати що ця крива як і графік магнітного потоку, становить собою синусоїду, тільки зміщену на півперіод стосовно синусоїди, що зображує зміну магнітного потоку.

Для моменту △t потік Ф = BSsinωt, для моменту t+△t потік Ф’ = BSsinω(t+△t). За △t зміною потоку

△Ф = Ф’ – Ф = BS [sinω(t + △t) – sinωt]

З теоремою тригонометрії цей вираз можна представити в вигляді

Якщо △t дуже мале, то sin(ωt/2)=ωt/2, а cos [ω(t + △t/2)] = cosωt.

Зміна потоку за малий час △t 

△Ф=BSωcosωt·△t

Отже ЕРС рівна  – △Ф/△t,

    Тобто виражається синусоїдою такої ж частоти, але зсунутої на П/2.

   По такому ж закону змінюється значення напруги u на затискачах машині або між двома будь-якими точками мережі.

    Графіки зміни цієї величини мають такий же вид як і наведені графіки індукованої ЕРС. Такого роду криві відтворюють форму змінної напруги. Струм що виник під впливом змінної напруги, також буду змінним і форма його буде подібна формі напруги.

  Закон зміни моментальних цих величин з часом виражається формулами

Um та Im позначають максимальні значення напруги та струму.

 Приклади розв'язування задач на отримання змінного струму опрацювати за посиланням:

 https://web.posibnyky.vntu.edu.ua/cdp/2lysyj_kurs_zagalnoyi_fiziky_sluhachiv-inozemciv/325.htm 

Домашнє завдання

Опрацювати теоретичний матеріал, скласти  конспект

08.09.2023 

 Тема №2: Електричне коло та його основні закони

Тема: Закони Кірхгофа

Мета: Ознайомитись з загальними поняттями про види з’єднань елементів кола постійного струму. Розглянути закони Кірхгофа та основні методи розрахунку кіл постійного струму. Навчитись виконувати розрахунки кіл постійного струму.

 Як ви вже знаєте, упорядкований рух електричних зарядів – електричний струм – утворюється зарядами різного знаку. Умовно прийнято, що струм – це напрямлений рух позитивних зарядів. Опір позначається літерою R і виражається в омах (1 Ом.).

Джерело електроенергії – це елемент елек­тричного кола, в якому внаслідок перетворення неелектричної (механічної, хімічної, променевої, теплової та ін.) енергії в електричну постійно утворюється різниця потенціалів між його полюсами.

Закони Кірхгофа.

1-й закон:

Алгебраїчна сума струмів, які підходять до вузла електричного кола рівна алгебраїчній сумі струмів, які виходять з цього вузла: 

  або .  

Отже, алгебраїчна сума струмів, що сходяться до вузла = 0: 

2-й закон:

Цей закон застосовується для розрахунку замкнених контурів у складних електричних колах. Ці контури можуть складатися з кількох джерел ЕРС і опорів. Умова балансу ЕРС і спадів напруг у замкненому контурі складного електричного кола виражається другим законом Кірхгофа: В кожному замкненому контурі складного електричного кола алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі спадів напруг на окремих його ділянках. 

, 

, або алгебраїчна сума напруг у контурі дорівнює нулю:

 Основні методи розрахунку кіл постійного струму.

Існують деякі методи розрахунку кіл постійного струму, зокрема, метод контурних і вузлових рівнянь, який тут розглянемо. Його суть полягає в спільному розв'язуванні рівнянь, складених за першим законом Кірхгофа (вузлові рівняння) та за другим законом Кірхгофа (контурні рівняння).

Для складання цих рівнянь треба знати напрями е. p.c. і струмів у складному колі. Звичайно напрями е. р. с. уже відомі, бо відомими є позитивні та негативні затискачі джерел струму.

Напрями струмів в окремих вітках невідомі, поки не виконано розрахунок. Тому цими напрямами задаємося довільно, вважаючи їх умовно додатними. Якщо дійсний напрям струму у вітці збігатиметься з вибраним, то при розрахунку він визначатиметься додатним числом, а якщо ні – то від'ємним числом. Отже, спочатку визначимо умовно додатні напрями струмів у витках кола. Кількість вузлових і контурних рівнянь повинна дорівнювати кількості невідомих струмів. У ви­значенні цих струмів і полягає розраху­нок складного кола. Ці рівняння повинні бути алгебраїчно незалежними. Для цьо­го треба виконати дві умови:

1. Число вузлових рівнянь, які скла­даються за першим законом Кірхгофа, має бути на одиницю меншим від числа вузлів кола.

2. У контур, для якого складається рівняння за другим законом Кірхгофа, має входити, як мінімум, одна нова вітка (що не входила до складу контурів, для яких уже записано контурні рівняння).

Поняття про нелінійні кола постійного струму

До цього часу розглядалися електричні кола, до складу яких входили лінійні елементи, тобто такі, в яких струм змінюється пропорційно зміні напруги за лінійним законом (а). У неліній­них елементах ця залежність нелінійна (б).

Прикладами нелінійних елементів можуть бути: лампа розжарю­вання, опір якої під час розігрівання волоска змінюється; напівпро­відник, опір якого, а значить, і струм у колі змінюються зі зміною його температури; нелінійні опори — терморезистори, варистори та ін.

 Закріплення нового матеріалу

Задача № 1. У провіднику опором 2 Ом, увімкненому до елемента з ЕРС 1,1 В, сила струму дорівнює 0,5 А. Яка сила струму під час короткого замикання елемента?

Розв’язання:

За законом Ома.  Знайдемо r : 

При короткому замиканні:  

== = 5, 5 A.

Задача № 2. До батареї, ЕРС якої 6 В і внутрішнім опір 0,5 Ом, приєднали резистор з опором 11,5 Ом. Визначити напругу на затискачах батареї.

 Розв'язати самостійно!

 Домашнє завдання

-         Скласти конспект;

-         розв’язати задачу:

Через акумулятор, ЕРС якого дорівнює 10 В і внутрішній опір 1 Ом, проходить струм силою 5 А. Знайти напругу на затискачах акумулятора.

 

08.09.2023 

 Тема №2: Електричне коло та його основні закони

Тема: Джерела постійного струму. Закон Ома

Мета: Поглибити знання  про джерела постійного струму, нагадати про закон Ома, продовжити знайомство з основними частинами електричного кола; електрорушійної сили; розглянути природу сил, діючих в середині джерела струму. 

    Закон Ома для повного кола: сила струму в замкненому електричному колі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела струму й обернено пропорційна повному опору кола.
    Закон Ома для ділянки електричного кола постійного струму: на ділянці електричного кола сила струму прямо пропорційна напрузі та обернено пропорційна опору кола. Математично закон Ома для ділянки електричного кола постійного струму записується наступним чином:                                                       

І = U/R

де І – сила струму, [A]; U – напруга на затискачах ділянки кола, [B]; 
R – опір ділянки кола, [Ом].

       Закон Ома для повного електричного кола постійного струму: у повному електричному колі сила струму прямо пропорційна величині ЕРС та обернено пропорційна повному опору кола. Під повним опором електричного кола розуміється сума опору зовнішньої ділянки електричного кола та опору внутрішньої ділянки електричного кола. Математично закон Ома для повного електричного кола постійного струму записується наступним чином:

 

                                                         

де E – ЕРС джерела, [B]; U – напруга на затискачах джерела, [B]; 

– внутрішнє падіння напруги, [B]; R – опір зовнішньої ділянки кола,[Oм]; R₀ – опір внутрішньої ділянки кола, [Ом].

У незамкненому колі U=E. У замкненому колі U<E.

     Закон Джоуля-Ленца: кількість теплоти, що виділяється у провіднику при проходженні електричного струму, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму по провіднику. Математично закон Джоуля-Ленца записується наступним чином:

, [Дж].                                           

де Q – кількість теплоти, [Дж]; I – сила струму, [A]; R – опір провідника, [Oм]; t – час, [c].

      Нагрівання провідників при проходженні по них електричного струму зумовлене тим, що у металах при прямування вільних електронів вони зіштовхуються з іонами кристалів та передають їм свою енергію, тобто відбувається перетворення електричної енергії у теплову. Кількісне співвідношення, що характеризує це перетворення енергії, і встановлює закон Джоуля-Ленца.

     Спочатку після вмикання джерела електричної енергії різниця між температурами провідника і навколишнього середовища є незначною. Тільки невелика частина тепла, що виділяється струмом, розсіюється в навколишнє середовище, а більша частина тепла залишається у провіднику та йде на його нагрівання. Цим пояснюється швидке зростання температури провідника на початковій стадії нагрівання. У міру збільшення температури провідника зростає різниця температур провідника і навколишнього середовища, збільшується кількість тепла, що віддається провідником. У зв’язку з цим зростання температури провідника усе більше сповільнюється. Нарешті, за деякої температури встановлюється теплова рівновага: за однаковий час кількість тепла, що виділяється у провіднику, стає рівною тій, що розсіюється в зовнішнє середовище.

    При подальшому проходженні струму, величина якого не змінюється, температура провідника залишається постійною. Час нагрівання до сталої температури не однаковий для різних провідників: нитка лампи розжарювання нагрівається за частки секунди, електрична машина – за декілька годин.

Максимально припустима температура нагрівання провідників (за температури середовища +25 ºС – для проводів і кабелів і +35 ºС – для електричних машин) приведена у главі 1.3 ПУЕ та становить:

проводи і кабелі з гумовою або поліхлорвініловою ізоляцією – +65 ºС;

– кабелі з паперовою непросоченою ізоляцією напругою до 1000 В з мідними або алюмінієвими жилами – +80 ºС;

– обмотки електричних машин з ізоляцією класу А – +105 ºС;

– голі мідні та алюмінієві шини – +70 ºС.

 Паралельне, послідовне та змішане з’єднання опорів.

1. Послідовне з'єднання кількох опорів. Здійснюється воно так: кінець першого опору з'єднується з початком другого, кінець другого – з початком третього і т. д. Джерело жив­лення приєднується до початку першого та кінця останнього опорів.

Загальний опір усього кола, через яке проходить загальний струм , позначимо літерою . Тоді за законом Ома маємо U = I*R

Спади напруг на опорах кола 

Неважко експериментально встановити, що напруга, яка підво­диться до кола з кількох послідовно з'єднаних опорів, дорівнює сумі спадів напруг на окремих опорах: 

Підставивши сюди значення напруг, дістанемо: 

 чи значення опору при послідовному зєднанні:  

Таким чином, загальний опір кола з кількох послідовно з'єднаних опорів дорівнює їх сумі.

Прикладами послідовного з'єднання кількох опорів можуть бути вмикання реостатів і обмотки збудження в двигуні постійного струму, з'єднання в ялинковій гірлянді низьковольтних електроламп та ін.

Недоліком такого з'єднання опорів є те, що при несправності од­ного опору з ладу виходить усе коло.

2. Паралельне з'єднання кількох опорів . Здійснюється воно так: початки опорів об'єднуються в одну точку а, кінці – в другу b. До точок а та b приєднується джерело живлення.

Таке з'єднання опорів характеризується спільністю напруги на окремих вітках і різними струмами в них. У точці а загальний струм  розгалужується по окремих вітках кола обернено пропорційно їх опорам, а в точці b струми віток знову сходяться, утворюючи в сумі струм .

Позначивши літерою R опір усього розглядуваного кола, за зако­ном Ома матимемо  

, а для кожної вітки кола 

,, 

 За першим законом Кірхгофа (для вузла а): 

 Підставивши сюди значення , дістанемо

або значення опору при паралельному зєднанні : 

На простому числовому прикладі, наведеному нижче, неважко переконатися в тому, що загальний опір кола з кількох паралельно з'єднаних опорів завжди буде меншим від найменшого опору, що вхо­дить у це коло.

При паралельному з'єднанні режим роботи одного з струмоприйма­чів не впливає на роботу інших. Тому воно найбільш поширене в елект­ротехніці. Його прикладом може бути з'єднання різних струмоприй­мачів у цеху, електроламп у житловому будинку, трансформаторів на підстанції тощо.

3. Змішане з'єднання кількох опорів. У колі з та­ким з'єднанням їх, зображеному на рис.1, в, є ділянка аb що скла­дається з одного опору R₁ і ділянка bc що складається з двох з'єд­наних паралельно опорів R₂ та R₃.

Щоб знайти загальний опір такого кола, треба спочатку за правилом паралельного з'єднання визначити опір ділянки bc, а потім знайдений опір за правилом послідовного з'єднання додати до опору R₁.

Опір ділянки bc позначимо . На підставі  маємо звідки 

 Загальний опір усього кола при змішаному зєднанні буде рівний:

Змішане з'єднання опорів застосовується в лабораторних схемах для складання з кількох відомих опорів потрібного загального опору, а також у деяких інших випадках.

Зразок розв'язку задач :

Завдання:

-    Опрацювати теоретичний матеріал. Скласти стислий конспект, 

 - Розв'язати задачу

 Визначте загальний опір ділянки кола і струми в кожному резисторі (рис. 1), якщо напруга між точками А і D дорівнює 26 В; R1 = 2 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 6 Ом, R4 = 1 Ом, R5 = 2 Ом, R6 = 2 Ом, R7 = 4 Ом, R8 = 12 Ом.

 

Далі самостійно.... 

07.09.2023

Тема №2: Електричне коло та його основні закони

Тема: Потенціал. Електричний струм в провідниках

Мета: поглибити знання про електричний струм, згадати про дії електричного струму, умови існування електричного струму, продовжити знайомство з основними частинами електричного кола; ознайомитись з поняттям електрорушійної сили; розглянути природу сил, діючих в середині джерела струму. 

 Давайте визначимо умови існування струму в провіднику:

1) наявність вільних заряджених частинок;

2) існування в провіднику електричного поля, що характеризується різницею потенціалів на кінцях провідника;

3) замкнуте електричне коло.

Якщо різниця потенціалів не змінюється з часом, то в провіднику встановлюється постійний електричний струм.

На цьому уроці ми й будемо згадувати про електричний струм, згадаємо про дії  та умови існування електричного струму, продовжимо знайомство з основними частинами електричного кола; введемо поняття електрорушійної сили; розглянемо природу сил, діючих в середині джерела струму. 

Упорядкований рух електричних зарядів – електричний струм – утворюється зарядами різного знаку. Умовно прийнято, що струм – це напрямлений рух позитивних зарядів. Якщо рухаються негативні заряди, то вважають, що в протилежному напрямку рухаються позитивні.

Так, електрони рухаються з пластини В на А, та умовно приймають, що з пластини А на В рухаються позитивні заряди і вони утворюють електричний струм.

Вільні електрони в металі рухаються з досить малою швидкістю і проходять відстань «вільного пробігу», потім вони зіштовхуються з іншими електро'нами атомами.чи молекулами, передаючи їм свою енергію.

Електричне поле прикладене до всього провідника, і цей рух безперервно відбувається на всій його довжині. Разом зі струмом у навколишньому середовищі виникає магнітне поле. Окрім того, провідник нагрівається. У випадку, коли провідник – розчин електроліту, то при проходженні струму електроліт розкладається на складові частини – іони.

Існують чотири види електричних струмів:

1) провідності – напрямлений рух вільних електронів у провідниках;

2) перенесення – напрямлений рух заряджених частинок або тіл у вакуумі, газах чи рідині;

3) зміщення – змінний у часі рух зарядів, жорстко зв’язаних з атомами речовини (створення електричних диполів з нейтральних молекул або їх орієнтація – у полярних діелектриків);

4) молекулярний – для намагніченого матеріалу — це зорієнтований обертовий рух електронів навколо ядер атомів і власної осі.

Безпосередній рух частинок у провіднику ми бачити не можемо. Про наявність електричного струму можна судити за тими діями, які його супроводжують.

 Теплова дія, провідник, по якому тече струм, нагрівається. Теплова дія струму обумовлена тим, що в разі напрямленого руху заряджених частинок крізь речовину вони зіштовхуються з іонами, атомами й молекулами речовини, збільшуючи кінетичну енергію їх хаотичного «теплового» руху.

Хімічна дія. Електричний струм може змінювати хімічний склад провідника, наприклад виділяти його хімічні складові частини (мідь з розчину мідного купоросу і т. д.).

Магнітна дія струму обумовлена тим, що навколо рухомих зарядів існує магнітне поле. Струм чинить силову дію на сусідні струми і намагнічені тіла. Так, магнітна стрілка поблизу провідника із струмом повертається.

Магнітна дія струму на відміну від хімічної і теплової дії є основною, оскільки вона проявляється в усіх без винятку провідниках. Наприклад, хімічна дія струму відсутня під час проходження струму через метали, а теплова відсутня в разі проходження струму через надпровідники.

Сила струму

Якщо в колі встановлюється електричний струм, то це означає, що через поперечний переріз провідника весь час переноситься електричний заряд. Якщо через поперечний переріз провідника за час Dt переноситься заряд Dq , то сила струму дорівнює:

Сила струму – величина, що характеризує швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, через поперечний переріз провідника

I=q/t

У Міжнародній системі одиниць силу струму виражають в амперах (А) на честь французького фізика А.Ампера. Цю одиницю встановлюють на основі магнітної взаємодії струмів.

Сила струму залежить від заряду, що його переносить кожна частинка, від концентрації частинок, швидкості їх напрямленого руху і площі поперечного перерізу провідника

I = qnvS

де q - заряд частинки, n - кількість частинок в одиниці об’єму, v – середня швидкість напрямленого руху, S – площа поперечного перерізу провідника.

Для організму людини вважається безпечною сила струму, значення якої не перевищує 1 мА; сила струму 100 мА може призвести до серйозних уражень.

Прилад для вимірювання сили струму називають амперметром. Амперметр вмикають в електричне коло послідовно з провідником, у якому вимірюють силу струму. 

Умовне позначення елементів графічного зображення на електричних  схемах

Зверніть увагу: не можна приєднувати амперметр до кола, в якому відсутній споживач струму.

Завдання:

1. Опрацювати теоретичний матеріал. Скласти стислий конспект 

2. Побудувати схему простого електричного кола з застосуванням умовних позначень елементів графічного зображення на електричних  схемах

 07.09.2023 

Тема №1: Вступ. Коротка характеристика і зміст предмета

Тема: Коротка характеристика і зміст предмета

Мета: Ознайомитись з загальною  характеристикою призначення предмета «Електротехніка з основами промислової електроніки»; формувати вміння характеризувати принципи дії і практичного застосування опрацьованого матеріалу в подальшій професійній діяльності.

 - Чому в світі все залежить від електричного струму?

-  Як електричний струм потрапляє до споживачів?

- Чому електродвигуни в різних машинах ефективніші за інші види паливних двигунів?

- Звідки береться електроенергія?

- В чому різниця між електротехнікою та електронікою?

- Завдяки чому рухається локомотив?

- Які невидимі процеси відбуваються трансформаторах та двигунах?

= Ось такі та інші, пов’язані з вашою професійною діяльністю питання і будуть розглядатися на уроках з цього курсу.

 Програма з електротехніки з основами електроніки призначена для підготовки кваліфікованих робітників електромеханічного профілю (слабострумної та сильнострумної техніки).

Мета вивчення даного курсу – надати (отримати) ЗО знання , необхідні для розрахунку конкретних електричних ланцюгів постійного і змінного струму, розуміння принципу дії і практичного застосування електровимірювальних приладів, трансформаторів, електричних машин, пристроїв промислової електроніки, які повинні забезпечити загальну підготовку ЗО.

 Електротехніка – це наука про технічне використання електромагнітних і магнітних явищ для практичних цілей.

Електротехніка – професійна інженерна дисципліна, яка зазвичай переймається вивченням і застосуванням електрики, електроніки та електромагнетизму. З плином часу засоби мовлення та запису звуку, зробили електроніку частиною повсякденного життя. Винахід транзистора, а згодом і інтегральної схеми, знизили вартість електроніки до такої міри, що стало можливим використовувати їх майже у будь-якому побутовому приладі.

У 2000 роках електротехніка розділилась на низку галузей: електроніку, цифрові комп'ютери, обчислювальну техніку, енергетику, телекомунікації, системи керування, радіочастотну техніку, обробку сигналів, приладобудування та мікроелектроніку. Багато з цих дисциплін перетинаються з іншими галузями машинобудування, які охоплюють величезну кількість спеціалізацій, таких як апаратне забезпечення, силова електроніка, електромагнетизм і хвилі, мікрохвильова інженерія, нанотехнології, електрохімія, поновлювані джерела енергії, мехатроніка, електротехнічне матеріалознавство та багато іншого.

Електроніка – це область електротехніки, заснована на використанні електричних явищ в вакуумі, газах та інших середовищах.

Електроніка розглядає питання технічного використання електронних ламп, напівпровідникових та іонних приладів фотоелементів,  сонячних батарей та інших пристроїв в апаратурі, яка виконує перетворення енергії, управління верстатами, поточними лініями, а також контроль за ними.

Сучасна електроніка дозволяє створювати мініатюрні прилади для обчислювальних машин, різноманітних автоматів, управління виробничими процесами і контролю за ними.

Електронна інженерія також передбачає проектування та випробування електронних схем, які використовують властивості складників, таких як резистори, конденсатори, котушки індуктивності, діоди та транзистори для досягнення певної працездатності. Налаштована схема, яка дозволяє користувачеві радіо відфільтрувати всі станції, крім однієї, є лише одним із прикладів такої схеми. Ще одним прикладом для дослідження, є пневматичний утворювач сигналу.

Історія розвитку

Електротехніка як наука утворилась в кінці XIX ст. після переходу телеграфу і електропостачання на комерційну основу. Сьогодні (2000-і) вона має багато підрозділів: енергетику, електроніку, системи контролю і керування, обробку сигналів і телекомунікації. У деяких країнах розділяють електротехніку та електроніку, вважаючи, що перша має справу лише з великими електросистемами (наприклад, з передаванням електроенергії і системами керування електродвигунами), а остання – з електронними мікросистемами (наприклад, з комп'ютерами і інтегральними схемами). Іншими словами, електротехніка пов'язана з передаванням електроенергії, а електроніка – з передаванням даних, інформації.

Трансформатор – один з основних елементів електричних ліній.

Електрика стала об'єктом наукових досліджень, принаймні, з початку XVII століття. Першим інженером-електротехніком вважається Вільям Гілберт, який винайшов версоріум – прилад, який визначав наявність статичної електрики на предметах. Водночас, він був першим, хто зміг провести чітку межу між магнетизмом і статичною електрикою та дати визначення електриці. Однак лише в XIX столітті науковці стали діяльно досліджувати електрику і явища, пов'язані з нею. Провідними вченими в цьому напрямі були Георг Ом, який 1827 року розрахував залежність між електричним струмом і напругою в провіднику, Майкл Фарадей, що відкрив явище електромагнітної індукції 1831 року, і Джеймс Клерк Максвелл, котрий опублікував в 1873 році «Трактат про електрику і магнетизм», де виклав власну електромагнітну теорію світла.

В той час, науку про електрику і електричні явища розглядали як підрозділ фізики. Лише в кінці XIX століття університети стали видавати дипломи зі спеціальності – електротехніка. Перша кафедра і факультет електротехніки були відкриті в Дармштадському Університеті Технології 1882 року. А 1883 року, цей університет спільно з Корнелльським Університетом вперше у світі ввів курс з електротехніки. Вже 1885 року коледж при Лондонському Університеті відкрив першу кафедру електротехніки у Великої Британії. Згодом 1886 року в Університеті Міссурі також було засновано перший в США факультет електротехніки.

Енергетика

Енергетика (англ. energy industry) – сукупність галузей господарства, що вивчають і використовують природні енергетичні ресурси задля виробництва, перетворення, передавання і розподілу енергії.

Більш розлого, енергетика переймається не лише виробництвом, передаванням та розподілом електроенергії, а також проєктуванням широкого переліку відповідних пристроїв та засобів. Їх стосуються трансформатори, електричні генератори, електродвигуни, техніка високої напруги (зокрема комутаційні пристрої), електромережі та силова електроніка. У багатьох регіонах світу уряди утримують лінії електропередавання, які вкупі називаються електромережею, що з'єднує різноманітні генератори зі споживачами виробленої ними енергії. Користувачі купують електричну енергію з мережі, уникаючи дорогої та марудної роботи, пов'язаної з власним виробництвом. Інженери-енергетики можуть працювати над прокладанням та обслуговуванням електромережі, а також енергетичних систем, які до неї приєднуються. Такі системи називаються мережевими енергосистемами, і вони можуть постачати до мережі додаткову потужність, отримувати електроенергію з мережі або робити те й інше разом. Енергетики також можуть працювати в системах, які не приєднуються до мережі, та котрі називаються автономними системами живлення (газотурбінні електростанції, вітрові електростанції, тощо), що в деяких випадках є кращим вибором, ніж мережеві системи. Майбутнє передбачає системи живлення, керовані супутником, із зворотним зв'язком у режимі дійсного часу, для запобігання стрибкам напруги та раптовим вимкненням.

 Завдання:

1. Дати усно відповідь на питання:

-  Що вивчає електротехніка?

  -  Яких видатних учених-електротехніків ви знаєте?

  - Що таке електроніка? Енергетика?

  - За якими напрямами розвивається електротехніка?

  - З якою метою ви будете вивчати електротехніку?

2. Скласти короткий конспект (на основі теоретичного матеріалу) 

3.  Знайти додаткову інформацію про застосування електротехніки в майбутній професії.