Электротехника, отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений в практической деятельности человека
Введение.
Электротехника, отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений в практической деятельности человека. Она охватывает вопросы получения, транспортировки и использования электрической энергии в различных сферах деятельности человека и в быту. Широкое применение электроэнергии обусловлено сравнительной простотой её передачи, распределения и преобразования в другие виды энергии.
Технической базой творчества звукорежисера является звукотехническая аппаратура (ЗТА), с помощью которой звук (с помощью микрофона) преобразуется в соответствующий электрический сигнал переменного тока. Такой сигнал можно легко передать на любое расстояние, усилить и вновь преобразовать в звук (с помощью громкоговорителя). С помощью ЗТА, воздействуя на амплитудные, частотные, временные характеристики сигнала и объединяя сигналы различных источников, звукорежиссер может создавать различные звуковые эффекты, образы и картины.
В основе работы ЗТА лежат процессы, которые протекают в электрических цепях постоянного и переменного тока по законам электротехники. Поэтому, электротехника включена в программу подготовки звукорежиссера, как одна из базовых дисциплин.
Электрические цепи.
Электрические цепи классифицируются по следующим признакам: · По роду тока: электрические цепи постоянного или переменного тока. · По сложности: простые, разветвленные и сложные (если в цепи два и более источников энергии).Схема электрической цепи.
Графическое изображение электрической цепи называется её схемой. На практике используется несколько видов схем, основные из них:
· Монтажная, на ней все, или часть элементов, и их взаимное расположение и соединение даются в виде чертежа (рисунка).
· Принципиальная; на ней все элементы ЭЦ изображаются стандартными условными графическими обозначениями.
· Схема замещения (она является математической (расчетной) моделью ЭЦ), на ней все источники и приемники электрической энергии обозначаются как идеальные элементы, а вспомогательные элементы можно исключить.
 |
Рис. 4. Монтажная, принципиальная и схема замещения простейшей электрической цепи.
Реальный источник электрической энергии при расчете может быть заменен на идеальный источник ЭДС или тока с их внутренним сопротивлением или проводимостью, соответственно (Рис.4). Если Rв<<Rн, то рекомендуется использовать источник ЭДС и наоборот.
 |
Рис. 4.
Топология электрических цепей.
При анализе сложных электрических цепей возникает необходимость в обозначении ее отдельных участков и способа их соединения. Основными… · Ветвь – участок электрической цепи с одним и тем же током. Ветвь может… · Узел – место соединения трех и более ветвей. \Линейные электрические цепи.
В основе анализа электрических цепей постоянного тока лежит несколько общих принципов, которые отражают основные свойства линейных электрических… Принцип суперпозиции – независимость действия возбуждающих сил (ЭДС) друг от… Принцип компенсации – любой участок (ветвь) ЭЦ с известным напряжением или током может быть заменен эквивалентным по…Основные физические величины, которые используются для анализа и расчета линейных электрических цепей.
Электрическое напряжение.Основные законы линейных электрических цепей постоянного тока.
Для участка цепи: - падение напряжения. Для замкнутой цепи:Расчёт и анализ электрических цепей.
Решение задач базируется на применении законов Ома и Кирхгофа. Закон Ома применяется при расчете режима простых и отдельных участков сложных ЭЦ, а… В зависимости от назначения электрической цепи ее элементы могут соединяться… Для упрощения расчета и анализа ЭЦ, как правило, используются метод эквивалентных преобразований пассивных участков.…Расчет линейной электрической цепи постоянного тока с одним источником электрической энергии.
С помощью законов Киргофа можно рассчитать любую ЭЦ, в том числе и цепь с одним источником. Однако в этом случае нет необходимости составлять… Для решения такой задачи отдельные участки ЭЦ с последовательным или…Расчет сложных линейных электрических цепей.
Решение задач с непосредственным применением законов Кирхгофа требуют составления и решения значительного числа уравнений. В целях упрощения решений разработан ряд методов (контурных токов, узловых потенциалов), являющихся следствием применения уравнений Кирхгофа. Кроме того, применяются методы, базирующиеся на свойствах линейных ЭЦ (метод наложения, эквивалентного генератора и др.).
Метод контурных токов.
Это широко распространенный метод расчёта сложных электрических цепей с несколькими контурами и несколькими источниками электрических энергий. В основе метода лежат законы Кирхгофа и два предположения: в каждом контуре протекают независимые друг от друга расчётные токи, называемые контурными, а ток каждой ветви равен алгебраической сумме контурных токов, замыкающихся через эту ветвь.
При этих предположениях оказывается, что для расчёта схемы достаточно ограничиться составлением уравнений для контурных токов только по второму закону Кирхгофа, так как для контурных токов первый закон выполняется в силу принятых для контурных токов предположений (контурный ток в одной из ветвей контура направлен к узлу, а в другой – от узла).
Пример расчёта.
Поясним метод на примере схемы приведенной ниже.
 |
|
 |
I1*(R1+R2) + I2*R2 = E1
I1*R2 + I2*(R2+R3) = E2
Пример расчета сложной электрической цепи.
Дано:
R1=2
R2=4
R3=6
R4=8
E1=12
E2=3
|
Метод контурных токов
Метод узловых потенциалов
Тема 2. Электрические цепи переменного тока.
Переменным током называют такие электромагнитные процессы в электрической цепи, при которых мгновенные значения напряжений и токов периодически… Простейшей периодической функцией является синусоида. Колебания, выраженные этими функциями, называют гармоническими.Активное сопротивление, индуктивность и емкость в цепи переменного тока.
Цепь с активным сопротивлением
, где - максимальное значение (амплитуда) тока i.Цепь с индуктивным сопротивлением
По катушку будет протекать переменный синусоидальный ток i = Imsin wt, который вызовет синусоидальные изменения…Цепь с емкостным сопротивлением
Действующее значение тока можно выразить по закону Ома
Мощность, выраженная произведением действующего значения тока на действующее значение напряжения на конденсаторе,…Рис.2.7
Из следует, что значение напряжения на зажимах подключенной цепи будет
,
Если значения длин стороны треугольника ОАВ (т.е. соответствующих напряжений) разделить на величину тока I , то получим геометрически подобный треугольник сопротивлений Рис.2.7.б.
где 
— полное сопротивление электрической цепи (импеданс),
— реактивное сопротивление цепи.
Реактивное сопротивление в зависимости от знака может иметь индуктивный (j>0) или емкостный (j<0) характер.
При определении полного сопротивления цепи z необходимо учитывать, что активные сопротивления складываются арифметически, реактивные сопротивления складываются алгебраически (индуктивное сопротивление имеет положительное значение, а емкостное сопротивление - отрицательное значение), а активные и реактивные сопротивления складываются между собой геометрически (векторно).
Фазовый сдвиг j между напряжением источника и током, протекающим по рассматриваемой цепи, определяется соотношением сопротивлений
.
Величины R, х, z, j могут быть представлены сторонами и углом прямоугольного треугольника DОАВ, который называют треугольником сопротивлений.
Умножив каждую сторону треугольника сопротивлений на квадрат действующего значения тока I 2, получим треугольник мощностей
где P - активная мощность, Вт;
Q - реактивная мощность, вар,
- полная мощность, BA.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2
По второму закону Кирхгофа: U = UR + UL + UCРасчёт последовательной цепей переменного тока
В = ВI + BM =m0(Н+М) = m0mrH
где, ВI =m0H - индукция созданная током катушки;
BM =m0М -магнитная индукция намагниченного тела.
mr-относительная магнитная проницаемость, являющаяся функцией Н, поэтому зависимость между В и Н нелинейная.
Магнитные свойства вещества.
Все вещества с точки зрения воздействия на них магнитного поля делятся на:
Парамагнетики mr> 1
Диамагнетики mr< 1
Феррамагнетики mr>> 1
Парамагнетики вещества обладающие положительной магнитной восприимчивостью (порядка χ = 10-3 - 10-6). К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы Na, K, Ca и соли Fe, Co, Ni и др.
Диамагнетики вещества обладающие отрицательной магнитной восприимчивостью (порядка χ = 10-6 - 10-3). К ним относятся некоторые металлы Cu, Bi, Ag, Au, Pb, инертные газы и др.
Феррамагнетики вещества обладающие ферромагнитными свойствами. Феррамагнетизм это магнитоупорядоченное состояние микроскопических объёмов вещества, в котором магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированны. Эти объёмы -- домены -- обладают магнитным моментом Мs (самопроизвольной намагниченностью) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля. Для них характерна нелинейность кривой намагничивания во внешнем магнитном поле. К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, их сплавы и соединения а также ферриты.
Характеристики ферромагнитных материалов
в стационарных магнитных полях.
Свойства ферромагнитных материалов, находящихся под воздействием постоянного (стационарного) поля, принято описывать зависимостью магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля Н. Эта зависимость устанавливается опытным путём с помощью специальных кольцевых образцов.
Если материал образца предварительно размагнитить, а затем медленно увеличивать ток в обмотке, подключенной к источнику постоянного напряжения, то напряженность магнитного поля Н и магнитная индукция В будут возрастать от нулевых значений по кривой, называемой кривой первоначального намагничивания
 |
Отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н называют абсолютной магнитной проницаемостью mа=В/Н. Она равна произведению относительной магнитной проницаемости и магнитной постоянной ma=mr m0 и имеет нелинейную зависимость от Н
Из курса физики известно, что намагничивание ферромагнитных материалов сопровождается явлением гистерезиса, т.е. отставанием изменения индукции В от изменения напряженности поля Н.
Петеля магнитного гистерезиса
Если при намагничивании материал был доведен до насыщения, то полученная петля называется предельной. Она характеризуется тем, что при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля форма петли не изменяется. Две точки предельной петли -- остаточная индукция В0 и коэрцитивная сила Нс -- являются паспортными характеристиками материала.
В электротехнических устройствах применяют различные ферромагнитные материалы, которые делятся на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы, обладающие свойством легко перемагничиваться, используются для изготовления магнитопроводов, а магнитотвердые материалы, обладающие свойством задерживать остаточную намагниченность,-для изготовления постоянных магнитов.
К магнитомягким материалам относятся материалы с узкой петлей гистерезиса (Нс менее 4 кА/м), важнейшими из них являются: технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь), листовая электротехническая сталь (железокремнистая сталь), железоникелевые сплавы (пермаллои) и магнитомягкие ферриты.
К магнитотвердым материалам относятся магнитотвердые сплавы, получаемые на основе сплавов железа, никеля, алюминия, кобальта (литые и металлокерамические магниты) и магнитотвердые ферриты.
АНАЛИЗ И РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ
С точки зрения основных законов электротехники (закон Ома, законы Кирхгофа) магнитные цепи аналогичны электрическим цепям. Сравним их основные величины.
| Магнитная цепь | Электрическая цепь | ||
| q = w × I | МДС – магнитодвижущая сила. A | E | ЭДС – электродвижущая сила |
| Ф = B × S | магнитный поток | I | Электрически ток |
| RM | магнитное сопротивление | R | Электрическое сопротивление |
| UM = Hl = =RMФ | магнитное напряжение (А) | U = RI | Электрическое напряжение (В) |
| SФі = 0 | 1-й закон Кирхгофа | SIi = 0 | 1-й закон Кирхгофа |
| SUMi=SqK | 2-й закон Кирхгофа | SUi= SEK | 2-й закон Кирхгофа |
Закон Ома.
| Для однородной магнитной цепи | Для магнитной цепи с воздушным зазором |
| 
|
| Рис. 1 | Рис. 2 |
| WI= Hlср = UМфм = RМфмФ | WI = q = HМфм lфм + HB lB = UМфм + UМв = Ф(RМфм + RМв) |
| 
|
Найдем выражение для магнитных сопротивлений ферромагнитного материала и воздушного зазора.
Þ 
*
Для воздушного зазора, где нет ферромагнитного материала:
**
Вся сложность расчета магнитных цепей заключается в том, что магнитное сопротивление ферромагнитного участка цепи 
является нелинейной величиной и зависит от материала и внешнего магнитного поля.
 |
Для расчета магнитных цепей используют вебер-амперные – Ф(I) – характеристики, или кривые намагничивания – B(H), которые приводятся в справочниках для ферромагнитных материалов.
|
Необходимо найти магнитный поток Ф при заданной МДС - q.
Наиболее простой метод решения задачи – графический.
1. Построить график зависимости Ф(I) (берется в справочнике).
2. 
Зависимость магнитного потока в воздушном зазоре линейная (смотри **).
Следовательно, для построения зависимости Ф(WI - UMв) достаточно определить значение магнитного потока в точках “a” и “b”. Точка “a” определяется из условий короткого замыкания RMфм и все магнитное напряжение равное WI приложено к воздушному зазору, т.е. к RMв тогда 
, где Точка “b” определяется из условия холостого хода магнитной цепи, т.е. цепь якобы разомкнута, в этом случае Ф = 0, а UM=WI.
3. Точка пересечения двух графиков “с” на рис. 5 является общей для двух указанных выше зависимостей и дает возможность определить значение магнитного потока Ф при заданном значении UM = q = WI. Возможно решение и обратной задачи по заданному Ф найти требуемое WI.
Особенности электромагнитных процессов в магнитных цепях переменного тока
Если к катушке охватывающей магнитопровод подключить источник переменного… возникает э.д.с. е1 ,Двигатели последовательного возбуждения.
т.к. по обмотке возбуждения протекает ток якоря то магнитный поток можно… Ф = КФ…Типы полупроводников в периодической системе элементов
В таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов: … Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой… Группа IIB IIIA IVA VA VIA Период …Виды полупроводников
По характеру проводимости
Собственная проводимость
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют… Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:Примесная проводимость
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.