1-лекция

1. 1-лекция. Элементы и основные законы электрических цепей. Цепи, в которых активные, индуктивные и емкостные резисторы соединены

последовательно.
Трехфазный E.Ю.К, образуя систему
напряжений и токов.
Доктор технических наук, профессор кафедры
Автоматизация и управление
Каландаров Илёс Ибодуллаевич

2. План:

1. История развитие «ЭлектротехникА И
ЭЛЕКТРОНИКА»
2. Основные термине «ЭлектротехникА И
ЭЛЕКТРОНИКА»
3. Графическое обозначение элементов
цепей на принципиальных схемах
2

3. Электрическая (электромагнитная) энергия является одним из видов энергий в распоряжении человека. Энергия – это мера различных

форм
движения материи и перехода движения
материи из одного вида в другой.
К преимуществам электрической энергии
можно
отнести:
- относительную простоту производства,
- возможность практически мгновенной
передачи
на
огромные
расстояния,
- простые методы для преобразования в
другие виды энергии (механическая,
химическая),
- простота управления электроустановками,
высокий
КПД
электротехнических
устройств.

4. Предысторией электротехники следует считать период до 17 века. В эти времена были обнаружены некоторые электрические

(притягивание к янтарю пылинок) и магнитные
явления (компас в мореплавании), но природа
этих
явлений
оставалась
неизвестной.
Первым этапом истории электротехники следует
считать 17 век, когда появились первые
исследования в области электрических и
магнитных
явлений.
На
основе
этих
исследований в 1799 г. был создан первый
источник электрического тока Алессандром
Вольтом
(Алесса́ндро
Джузе́ппе
Анто́нио
Анаста́сио Во́льта) (итал.) - «вольтов столб»
Этот источник называют теперь гальваническим
элементом в честь Луи́джи Гальва́ни (итал.),
который один год не дожил до этого открытия, но
будучи врачом, много сделал для свершения
этого открытия

5. Второй этап развития электротехники. 1820 г. – Открыто магнитное действие тока (Ханс Кристиан Э́рстед) (датч.) – датский физик.

1821 г. – Открыт закон взаимодействия электрических токов
(Андре-Мари Ампер) (фран.) – французский физик.
1827 г. – Открыт основной закон электрической цепи (Георг
Симон Ом) (нем.) – немецкий физик.
1831 г. – Открыт закон электромагнитной индукции (Майкл
Фарадей) (англ.) – английский физик.
1832 г. – Открыто явление самоиндукции (Джозеф Генри)
(амер.) – американский физик.
1832 г. – Изготовление электрогенератора постоянного тока
(Ипполит Пикси) (фран.) – французский инструментальщик
(по заказу Андре-Мари Ампера (фран.) – французский
физик.

6. Второй этап развития электротехники. 1833 г. – Сформулировано правило, определяющее направление индукционного тока (Эмилий

Христианович (Генрих Фридрих Эмиль)
Ленц) (нем.) – русский физик.
1838 г. – Изобретение первого электродвигателя,
пригодного для практических целей (Бори́с
Семёнович (Мориц Герман фон) Я́ коби) (нем.) –
русский физик.
1841 – 1842 г. – Определение теплового действия
тока (Джеймс Прескотт Джоуль) (англ.) –
английский физик, (Генрих Фридрих Эмиль) Ленц)
(нем.) – русский физик.
1845 г. – Сформулированы правила для расчета
цепей (Густав Роберт Кирхгоф) (нем.) – немецкий
физик.

7. Третий этап развития электротехники. 1860-1865 г. – Создана теория электромагнитного поля (Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл)

(англ.) – английский
физик.
1870 г. – Создание первого
электрогенератора, получившего
практическое применение (Зеноб (Зиновий)
Теофил Грамм) (бельгиец) –французский
физик.
1873 г. – Изобретение электрической
лампы накаливания (получение патента)
(Алекса́ндр Никола́евич Лоды́гин) (рус.) –
русский электротехник.
1876 г. – Изобретение телефона
(получение патента) (Александр Грэм
Белл) (англ.) – американский физик.

8. Третий этап развития электротехники. 1876 г. – Создание трансформатора для питания током источников освещения (получение

патента)
(Па́вел Никола́евич Я́ блочков) (рус.) – русский
электротехник.
1881 г. – Сооружение первой линии
электропередачи (Марсель Депре) (фран.) –
французский физик.
1885 г. – Изобретение радиоприемника
(Алекса́ндр Степа́нович Попо́в) (рус.) – русский
электротехник.
1886 г. – Изобретение радиотелеграфа
(Гульельмо Марко́ни) (итал.) итальянский
радиотехник.
1897 г. – Открыт электрон (Сэр Джозеф Джон
Томсон) (англ.) – английский физик.

9. Четвертый этап развития электротехники. 1904 г. – Изобретение лампового диода (Сэр Джо́н Амбро́з Фле́минг) (англ.) – английский

физик.
1906 г. – Изобретение лампового триода (Ли де
Фо́рест) (англ.) – американский физик.
1928 г. – Изобретение полевого транзистора
(получение патента) (Юлий Эдгар Лилиенфельд)
австро-венгерский физик.
1947 г. – Изобретение биполярного транзистора
(Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн
в лабораториях Bell Labs) американские физики.
1958 г. – Изобретение интегральной схемы.
(Джек Килби (Texas Instruments) на основе
германия, Роберт Нойс (основатель Fairchild
Semiconductor) на основе кремния) американские
изобретатели.

10. Электротехника – наука о практическом применении электрических и магнитных явлений. Электрон от греч. electron – смола, янтарь.

Все основные определения связанные с
электротехникой описаны в ГОСТ Р 52002-2003.
Постоянные величины обозначают прописными
буквами: I, U, E, изменяющиеся в времени
значения величин записывают строчными буквами:
i, u, e.
Элементарный электрический заряд – свойство
электрона или протона, характеризующее их
взаимосвязь с собственным электрическим полем
и взаимодействие с внешним электрическим
полем, определяемое для электрона и протона
равными числовыми значениями с
противоположными знаками. Условно
отрицательный знак приписывают заряду
электрона, а положительный заряду протона. (1,6*10-19 Кл)

11. Электромагнитное поле – вид материи, определяемый во всех точках двумя векторными величинами, которые характеризуют две его

стороны, называемые «электрическое поле» и
«магнитное поле», оказывающий силовое
воздействие на электрически заряженные
частицы, зависящее от их скорости и
электрического заряда.
Электрическое поле – одна из двух сторон
электромагнитного поля, характеризующаяся
воздействием на электрически заряженную
частицу с силой, пропорциональной заряду этой
частицы и не зависящей от ее скорости.
Магнитное поле - одна из двух сторон
электромагнитного поля, характеризующаяся
воздействием на движущуюся электрически
заряженную частицу с силой, пропорциональной
заряду этой частицы и ее скорости.

12. Носитель электрических зарядов – частица, содержащая неодинаковое число элементарных электрических зарядов разного знака.

Электрический ток – явление направленного движения носителей
электрических зарядов и (или) явление изменения электрического
поля во времени, сопровождаемые магнитным полем.
В металлах носителями заряда являются электроны, в электролите и
плазме – ионы. Значение электрического тока сквозь некоторую
поверхность S в данный момент времени равно пределу отношения
электрического заряда ∆q перенесенного заряженными частицами
сквозь поверхность в течение промежутка времени ∆t, к длительности
этого промежутка, когда последний стремится к нулю, т.е.
Δq dq
i lim
Δt 0 Δt
dt
где i - электрический ток, (А); q – заряд, (Кл); t – время (с).

13. Постоянный ток – ток при котором в течении каждого одинакового промежутка времени переносится одинаковый заряд, т.е:

q
I
t
где I - электрический ток, (А); q – заряд, (Кл); t – время (с).
Напряженность электрического тока – векторная величина,
характеризующая электрическое поле и определяющая силу,
действующую на электрически заряженную частицу со стороны
электрического поля. Равна отношению силы, действующей на
заряженную частицу, к ее заряду и имеет направление силы,
действующей на частицу с положительным зарядом. Измеряется в Н/Кл
или В/м.
Сторонняя сила – сила, действующая на электрически заряженную
частицу, обусловленная неэлектромагнитными при макроскопическом
рассмотрении процессами. Примерами таких процессов служат
химические реакции, тепловые процессы, воздействие механических
сил, контактные явления.

14.

Электродвижущая сила; ЭДС – скалярная величина, характеризующая
способность стороннего поля и индуктированного электрического поля
вызывать электрический ток. Численно ЭДС равна работе A (Дж),
совершаемой этими полями при переносе единицы заряда q (Кл) равной 1 Кл.
A
E
q
где E - (ЭДС) электродвижущая сила, В; A – работа сторонних сил при
перемещении заряда (Дж); q – заряд, (Кл).
Электрическое напряжение – скалярная величина, равная линейному
интегралу напряженности электрического поля вдоль рассматриваемого пути.
Определяется для электрического напряжения U12 вдоль рассматриваемого
1
пути от точки 1 к точке 2
r
U12 dl
r2
Где ε - напряженность электрического поля, dl – бесконечно малый элемент
пути, r1 и r2 – радиусы-векторы точек 1 и 2, т.е. напряжение – это работа сил
поля с напряженностью ε, затрачиваемая на перенос единицы заряда (1 Кл)
вдоль пути l.
Разность потенциалов – электрическое напряжение в безвихревом
электрическом поле, характеризующее независимость выбора пути
интегрирования.
AB
A
B
U

15. Электрическая цепь – совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в

которых могут быть описаны с помощью понятий об
электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом
напряжении.
Простейшая электрическая цепь (монтажная схема).

16. Элемент электрической цепи – отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи, выполняющее в ней определенную

функцию. Основными элементами простейшей электрической цепи
являются источники и приемники электрической энергии
Простейшая электрическая цепь (монтажная схема).

17.

В источниках электрической энергии различные виды энергии,
например химическая, механическая преобразуются в
электрическую (электромагнитную).
В приемниках электрической энергии происходит обратное
преобразование – электромагнитная энергия преобразуется в
иные виды энергии, например химическую (гальванические
ванны выплавки алюминию или нанесения защитного
покрытия), механическую (электродвигатели), тепловую
(нагревательные элементы), световую (лампы дневного света).
Источники
электрической энергии
Приемники
электрической энергии
Проводники

18. Схема электрической цепи – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и

показывающее соединение этих элементов.
Для сбора схем используют принципиальные схемы, где каждому
элементу соответствует условное графическое и буквенное
обозначение, а для расчетов цепей используют схемы замещения, в
которых реальные элементы замещаются расчетными моделями, а
все вспомогательные элементы исключаются.
Принципиальные схемы составляются согласно ГОСТ, например:
ГОСТ 2.723-68 “Единая система конструкторской документации.
Обозначения условные графические в схемах. Катушки
индуктивности, дроссели, трансформаторы, автотрансформаторы и
магнитные усилители”
ГОСТ 2.728-74 “Единая система конструкторской документации.
Обозначения условные графические в схемах. Резисторы,
конденсаторы”

19. Принципиальная схема (а), схема замещения (б).

Монтажная схема
SA
EL
GB
PA
PV
E
Rвн
Принципиальная схема (а), схема замещения (б).
Rн

20. Схема замещения – схема электрической цепи, отображающая свойства цепи при определенных условиях. Идеальный элемент

(электрической цепи) –
абстрактное представление элемента
электрической цепи, характеризуемое одним
параметром.
Вывод электрической цепи – точка
электрической цепи, предназначенная для
выполнения соединения с другой электрической
цепью.
Двухполюсник – часть электрической цепи с
двумя выделенными выводами.
Цепи бывают простые и сложные. В простых
цепях все элементы соединены
последовательно. В сложных цепях имеются с
разветвлениями для тока.

21.

Графическое обозначение элементов цепей на принципиальных схемах.

22.

Графическое обозначение элементов цепей на принципиальных схемах.

23.

Графическое обозначение элементов цепей на принципиальных схемах.

24.

Графическое обозначение элементов цепей на схемах замещения .

25.

По виду тока цепи разделяются на цепи постоянного, изменяющегося
и переменного тока.
Постоянный ток – электрический ток, не изменяющийся во времени t
(рис. 1.3.а).
Все остальные токи – изменяющиеся во времени (рис. 1.3.б.) или
переменные (рис. 1.3.в.).
Цепью с переменным током называют цепь с током, изменяющимся
по синусоидальному закону.
I
I
I
t
t
а)
б)
Рис. 1.3. Виды токов в цепях.
t
в)

26.

К линейным цепям относятся цепи, в которых электрическое
сопротивление каждого участка не зависит от значения и
направления тока и напряжения. Т.е. вольт-амперная характеристика
(ВАХ) участков цепи представлена в виде прямой (линейная
зависимость) (рис. 1.3. а).
U f (I )
где U - напряжение, (В); I – сила тока, (А).
Остальные цепи называются нелинейными (рис. 1.3.б).
U
U
I
а)
б)
Рис. 1.3. Вольт – амперные характеристики (ВАХ) цепей.
I

27.

Электрическое сопротивление постоянному току – скалярная
величина,
равная
отношению
постоянного
электрического
напряжения между выводами пассивного двухполюсника к
постоянному электрическому току в нем.
U
R
I
где R – электрическое сопротивление постоянному току, (Ом);
U - напряжение, (В); I – сила тока, (А).
Резистор – элемент электрической цепи, предназначенный
для использования его электрического сопротивления. Для
проводов сопротивление находится по формуле:
R
S
где R – электрическое сопротивление постоянному току, (Ом); ρ удельное сопротивление, (Ом*м); ℓ - длина проводника, (м); S –
площадь поперечного сечения, (м2),

28.

Сопротивление
проводов,
резисторов
и
других
проводников электрического тока зависит от температуры
T окружающей среды
0
R R20 [ 1 T 20 ]
где R – электрическое сопротивление постоянному току, (Ом); R20
– электрическое сопротивление постоянному току при температуре
20ºС, (Ом); α температурный коэффициент сопротивления,
зависящий от материала; T – температура окружающей среды, (ºС).
Электрическая проводимость (для постоянного тока) - скалярная
величина, равная отношению постоянного электрического тока через
пассивный двухполюсник к постоянному электрическому напряжению между
выводами этого двухполюсника. Т.е. величина обратная сопротивлению
I
1
G
G R 1
U
R
где G - электрическая проводимость, (См) (Сименс) или Ом-1; U напряжение, (В); I – сила тока, (А); R – электрическое
сопротивление, (Ом).

29.

Потокосцепление
–
сумма
магнитных
потоков,
сцепленных с элементами контура электрической цепи.
Ψ mΦ
где Ψ – потокосцепление, (Вб); m - число витков; Ф
– магнитный поток (Вб).
Потокосцепление самоиндукции – потокосцепление
элемента
электрической
цепи,
обусловленное
электрическим током в этом элементе.
Собственная индуктивность – скалярная величина,
равная отношению потокосцепления самоиндукции
элемента электрической цепи к электрическому току в
нем.
L
I
где L - индуктивность, (Гн); Ψ – потокосцепление, (Вб); I – сила
тока, (А).

30.

Индуктивная катушка – элемент электрической цепи,
предназначенный для использования его собственной
индуктивности и(или) его магнитного поля. Напряжение на
выводах катушки равно произведению индуктивности и
скорости изменения тока через нее.
di
uL L
dt
где uL – напряжение, (В); L - индуктивность, (Гн); i –
сила тока, (А).
Ток через катушку прямо пропорционален интегралу по
напряжению и обратно пропорционален индуктивности
катушки.
1t
iL
udt
L0
где iL – сила тока, (А); L - индуктивность, (Гн); u– напряжение, (В).

31.

Индуктивность однослойной катушки со сплошной намоткой можно
определить по эмпирической формуле:
0,01 D 2
L
0,44
D
Индуктивность многослойной катушки:
0,08 D2 2
L
3D 9 10t
где L - индуктивность, (мкГн); D – диаметр катушки, (см); ω –
число витков катушки; ℓ - длина намотки, (см); t – толщина
намотки, (см).

32.

Электрическая емкость проводника – скалярная величина,
характеризующая
способность
проводника
накапливать
электрический заряд, равная отношению электрического заряда
проводника к его электрическому потенциалу в предположении, что
все другие проводники бесконечно удалены и что электрический
потенциал бесконечно удаленной точки принят равным нулю.
Электрическая емкость между двумя проводниками – скалярная
величина, равная абсолютному значению отношения электрического
заряда одного проводника к разности электрических потенциалов
двух проводников при условии, что эти проводники имеют одинаковые
по значению, но противоположные по знаку заряды и что все другие
проводники бесконечно удалены.
q
С
Uc
где С – емкость, (Ф); q - заряд, (Кл); Uc –напряжение между
выводами конденсатора, (В).

33.

Электрический конденсатор – элемент электрической цепи,
предназначенный для использования его электрической
емкости.
Электрическая емкость конденсатора – электрическая
емкость между электродами электрического конденсатора. Для
плоского конденсатора с двумя пластинами (обкладками)
емкость равна:
S
С 0,0884
d
где С – емкость, (пФ); S – площадь пластин конденсатора, (см2);
d – расстояние между пластинами конденсатора (ширина
диэлектрика), (см); ε – диэлектрическая проницаемость
диэлектрика (вакуум и воздух = 1; янтарь = 2,8; сосна сухая = 3,5;
мрамор = 8-10; сегнетокерамика = 450-1700).

34.

Напряжение
на
выводах
конденсатора
изменятся
прямо
пропорционально интегралу по току и обратно пропорционально
емкости конденсатора.
1t
uС idt
С0
где uС – напряжение, (В); С - емкость, (Ф); i – сила тока, (А).
Эквивалентный ток через конденсатор прямо пропорционален
емкости конденсатора и скорости изменения напряжения на его
обкладках.
du
iС C
dt
где С - емкость, (Ф); iС – сила тока, (А). u – напряжение, (В).

35.

Участок электрической цепи – часть электрической цепи, содержащая
выделенную совокупность ее элементов.
R1
a
b
E1
E2
R3
R2
c’
R6
c
E4
R5
R4
d
d’
R7
Ветвь электрической цепи – участок электрической цепи, вдоль
которого протекает один и тот же электрический ток (участок a-b, b-d,
b-d’).
Узел электрической сети – место соединения ветвей электрической
цепи (a,b,с,с’,d,d’).
Контур электрической цепи – последовательность ветвей
электрической цепи, образующая замкнутый путь, в которой один из
узлов одновременно является началом и концом пути, а остальные
встречаются только один раз (участок a-b-d-с-a).

36.

Каждому устройству электрической цепи может соответствовать
несколько схем замещения. Вид и параметры схемы зависит от
особенностей от многих факторов, например от конструкции устройства,
режима работы, частоты воздействующего сигнала, требуемой точности
расчетов, принятых допущений

37.

Каждому устройству электрической цепи может соответствовать
несколько схем замещения. Вид и параметры схемы зависит от
особенностей от многих факторов, например от конструкции устройства,
режима работы, частоты воздействующего сигнала, требуемой точности
расчетов, принятых допущений

38.

Каждому устройству электрической цепи может соответствовать
несколько схем замещения. Вид и параметры схемы зависит от
особенностей от многих факторов, например от конструкции устройства,
режима работы, частоты воздействующего сигнала, требуемой точности
расчетов, принятых допущений

39.

Убивает не напряжение, а ток
Это, пожалуй, самая основная проблема подавляющего большинства
обычных людей. Все считают, что опасно напряжение, но правы они
лишь частично. Само по себе напряжение (разность потенциалов
между двумя точками цепи) на организм человека никак не
воздействует. Все процессы, имеющие отношение к поражению,
проходят под действием электротока той или иной величины.
Если считать сопротивление тела человека величиной постоянной (это
не совсем так, но об этом позже), то ток, а значит, и поражающее
действие электричества, будут напрямую зависеть от напряжения.
Выше напряжение — выше ток. Вот откуда убеждение в том, что чем
выше напряжение, тем оно опаснее.
39

40.

• Степень действия тока на организм
человека вкратце можно выразить вот через
такой список:
• 1—5 мА — ощущение покалывания, легкие
судороги.
• 10—15 мА — сильная боль в мышцах,
судорожное их сокращение. Самостоятельно
освободиться от действия тока возможно.
• 20—25 мА — сильная боль, паралич мышц.
Самостоятельно освободиться от действия
тока практически нереально.
• 50—80 мА — паралич дыхания.
• 90—100 мА — остановка сердца
(фибрилляция), смерть.
40

41.

Опасность зависит от частоты
При значениях напряжения до 400 В
переменный ток частотой 50 Гц намного
опаснее постоянного, поскольку, вопервых, сопротивление тела человека
переменному току ниже, чем
постоянному. Во-вторых, биологическое
действие электрического тока
переменного типа намного выше, чем
постоянного.
41

42.

• При высоких же напряжениях, и, как следствие, высоких
постоянных токах в список поражающих факторов
добавляется процесс электролиза, происходящего в
клеточных жидкостях. В этом случае постоянный ток
становится более опасным, чем переменный. Он
просто меняет химический состав жидкостей
организма. С увеличением частоты картина несколько
меняется: ток начинает носить поверхностный
характер. Иными словами, он проходит по поверхности
тела, не проникая вглубь организма. Чем выше частота,
тем меньший «слой» человеческого организма страдает.
К примеру, при частоте в 20—40 кГц фибрилляции
сердца не наступает, поскольку ток через него не течет.
Взамен этой беды появляется другая — при высокой
частоте происходит сильное поражение (ожог) верхних
слоев тела, которое с не меньшим успехом приводит к
смерти.
42

43.

Безопасное напряжение
• Для выяснения этого вопроса не нужно
использовать никаких формул — все уже
рассчитано, запротоколировано и завизировано
специально обученными людьми. В зависимости
от рода тока согласно ПЭУ безопасным
напряжением рекомендуется считать:
• переменное до 25 В или постоянное до 60 В — в
помещениях без повышенной опасности;
• переменное до 6 В или постоянное до 14 В — в
помещениях повышенной опасности (сыро,
металлические полы, токопроводящая пыль и пр.).
43