Курахтина Г.С. Общая электротехника: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Г.С. Курахтина

ОБЩАЯЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Петропавловск-Камчатский

2007

Камчатский государственный технический университет

Кафедра радиооборудования судов

Г.С. Курахтина

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Рекомендовано

Дальневосточным региональным учебно-методическим центром (ДВ РУМЦ)

в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей

вузов региона

Петропавловск-Камчатский

2007

УДК 621.3(075.8)

Рецензенты:

доктор технических наук, дры естественнонаучных

И.Г. Проценко,

докто аук,

заместитель директора связи и мониторинга»

Курахтина Г.С.

К93 Общая электротехника: Учебное пособие. – Петропавловск-Камчатский:

ISBN 978–5–328–00157–1

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями к обязатель-

ному

мую информацию для изучения студентами и

курса

УДК 621.3(075.8)

ISBN 978–5–328–00157–1 © КамчатГТУ, 2007

ББК 31.2я72

К93

.В. Потапов,

профессор кафе

технических дисциплин филиала Дальневосточного государственного

технического университета (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

в г. Петропавловске-Камчатском

р технических н

ФГУП «Камчатский центр

КамчатГТУ, 2007. – 144 с.

минимуму содержания дисциплины «Общая электротехника», входящей

в основную образовательную программу подготовки специалистов по техниче-

ским специальностям государственного образовательного стандарта высшего

профессионального образования.

Пособие содержит необходи

нтами теоретических и практических вопросов по общей электротехнике.

ББК 31.2я72

Оглавление

Введение ................................................................................................................................. 6

Глава 1. Электростатика и постоянный ток ........................................................................ 8

1.1. Общие понятия ........................................................................................................ 8

1.1.1. Электромагнитное поле ....................................................................................... 8

1.1.2. Электрическое поле ............................................................................................. 9

1.1.3. Магнитное поле .................................................................................................... 10

1.2. Электростатика ........................................................................................................ 10

1.2.1. Электрическое поле ............................................................................................. 10

1.2.2. Электронная теория строения вещества ............................................................ 10

1.2.3. Закон Кулона ........................................................................................................ 11

1.2.4.Характерные свойства электростатического поля ............................................. 12

1.2.5. Напряженность электрического поля ................................................................ 12

1.2.6. Линии электрического поля ................................................................................ 13

1.2.7. Потенциал точки поля ......................................................................................... 14

1.2.8. Напряжение между двумя точками поля. .......................................................... 14

1.2.9. Связь между напряжением и напряженностью электрического поля. ........... 15

1.2.10. Проводник в электрическом поле .................................................................... 16

1.2.11. Диэлектрик в электрическом поле ................................................................... 17

1.2.12. Токи смещения и проводимости ...................................................................... 19

1.2.13. Электрическая емкость ...................................................................................... 19

1.2.14. Параллельное соединение конденсаторов ....................................................... 20

1.2.15. Последовательное соединение конденсаторов ............................................... 21

1.2.16. Расчет батарей при смешанном соединении конденсаторов ......................... 23

1.2.17. Энергия поля конденсатора .............................................................................. 25

1.2.18. Электрический ток (ток проводимости) .......................................................... 25

1.2.19. Постоянный ток .................................................................................................. 26

1.2.20. Электрическая цепь ........................................................................................... 26

1.2.21. Источник электромагнитного поля .................................................................. 27

1.2.22. Электродвижущая сила источника. Напряжение источника ......................... 28

1.2.23. Проводимость проводника. Сопротивление проводника. ............................ 29

1.2.24. Закон Ома ............................................................................................................ 30

1.2.25. Работа и мощность электромагнитного поля .................................................. 31

1.2.26. Зависимость напряжения источника от тока нагрузки .................................. 32

1.2.27. Режимы работы источника ................................................................................ 32

1.2.28. Максимальная мощность источника ................................................................ 33

1.2.29. Последовательное соединение в электрической цепи ................................... 34

1.2.30. Первый закон Кирхгофа .................................................................................... 34

1.2.31. Параллельное соединение в электрической цепи ........................................... 35

1.2.32. Еще раз о напряжении ....................................................................................... 36

1.2.33. Смешанное соединение в электрической цепи ............................................... 39

1.2.34. Второй тип задачи .............................................................................................. 42

1.2.35. Анализ электрической схемы ........................................................................... 43

1.2.36. Второй закон Кирхгофа ..................................................................................... 44

Практические задания .................................................................................................. 46

Глава 2. Однофазный и трехфазный токи ........................................................................... 54

2.1. Переменный ток ...................................................................................................... 54

2.1.1. Общие понятия и определения ........................................................................... 54

2.1.2. Векторное изображение синусоидальных величин .......................................... 56

2.1.3. Электрическое сопротивление ............................................................................ 57

2.1.4. Индуктивное сопротивление .............................................................................. 58

2.1.5. Емкостное сопротивление .................................................................................. 58

2.1.6. Цепь переменного тока только с активным сопротивлением ......................... 59

Глав

2.1.7. Цепь переменного тока только с индуктивностью .......................................... 59

2.1.8. Мгновенная мощность в цепи только с индуктивностью ............................... 61

2.1.9. Последовательное соединение активного

сопротивления и индуктивности ................................................................................. 59

2.1.10. Последовательное соединение нескольких

разнородных сопротивлений. ...................................................................................... 60

2.1.11. Цепь переменного тока только с емкостью .................................................... 61

2.1.12. Последовательное соединение активного сопротивления и емкости .......... 63

2.1.13. Последовательное соединение активного сопротивления,

индуктивности и емкости ............................................................................................. 64

2.1.14. Физическая сущность явлений, возникающих при резонансе ...................... 66

2.1.15. Получение резонанса напряжений................................................................... 67

2.1.16. Треугольник токов ............................................................................................. 68

2.1.17. Проводимости в цепях переменного тока ....................................................... 69

2.1.18. Резонанс токов ................................................................................................... 70

2.1.19. Резонанс токов в идеальном контуре .............................................................. 71

2.1.20. Резонанс токов в реальном контуре................................................................. 72

2.1.21. Резонансное сопротивление контура ............................................................... 73

2.1.22. Влияние коэффициента мощности (cos φ) на использование

мощности источника электрической энергии (генератора, трансформатора) ........ 74

2.2. Трехфазный ток ...................................................................................................... 76

2.2.1. Общие понятия .................................................................................................... 74

2.2.2. Трехфазный генератор. Трехфазная ЭДС ......................................................... 77

2.2.3. Несвязанная трехфазная система ....................................................................... 78

2.2.4. Четырехпроводная трехфазная система ............................................................ 78

2.2.5. Свойства четырехпроводной трехфазной системы («звезда – звезда»

с нулевым проводом) ................................................................................................... 79

2.2.6. Соединение потребителей треугольником ....................................................... 81

2.2.7. Ненормальные режимы работы системы при соединении

потребителей треугольником ....................................................................................... 82

2.2.8. Соединение источников энергии звездой и треугольником ........................... 82

2.2.9. Вращающееся магнитное поле трехфазного тока ............................................ 82

Практические задания ................................................................................................... 83

а 3. Электромагнетизм и магнитная индукция ........................................................... 95

3.1. Электромагнетизм .................................................................................................. 95

3.1.1. Магнитное поле. Магнитная индукция ............................................................. 95

3.1.2. Магнитные линии. Магнитный поток ............................................................... 95

3.1.3. Магнитное поле проводника с током. Взаимодействие проводников

с током. Действие магнитного поля на проводник с током ...................................... 96

3.1.4. Магнитная проницаемость ................................................................................. 98

3.1.5. Напряженность магнитного поля....................................................................... 100

3.1.6. Закон полного тока .............................................................................................. 100

3.1.7. Магнитное поле тороида (кольцевой катушки) ............................................... 101

3.1.8. Кривые намагничивания железа ........................................................................ 102

3.1.9. Гистерезис. Петля гистерезиса ........................................................................... 103

3.1.10. Магнитная цепь. Расчет магнитной цепи ........................................................ 104

3.1.11. Электромагниты ................................................................................................ 106

3.2. Электромагнитная индукция ................................................................................. 107

3.2.1. Общий закон электромагнитной индукции ...................................................... 107

3.2.2. Явление самоиндукции. Индуктивность цепи ................................................. 109

3.2.3. Индуктивность катушки с железным сердечником .......................................... 110

....................................................... 114

Глав

................................................... 120

боров ............... 123

..................... 132

......... 138

3.2.4. Энергия магнитного поля .................................................................................... 111

3.2.5. Явление взаимоиндукции .................................................................................... 111

3.2.6. Индукционные вихревые токи ............................................................................ 113

Практические задания ............................................

а 4. Электрические измерения ...................................................................................... 120

4.1. Общие сведения ...................................................

4.2. Системы электроизмерительных приборов .......................................................... 122

4.3. Маркировка электроизмерительных приборов .................................................... 122

4.4. Требования, предъявляемые к измерительному прибору ................................... 123

4.5. Общее устройство, детали и узлы электроизмерительных при

4.6. Приборы магнитоэлектрической системы ........................................................... 125

4.7. Приборы электромагнитной системы ................................................................... 126

4.8. Приборы электродинамической системы ............................................................. 127

4.9. Ферродинамические приборы ............................................................................... 128

4.10. Приборы индукционной системы ....................................................................... 129

4.11. Термоэлектрические приборы ............................................................................. 130

4.12. Выпрямительные приборы ................................................................................... 130

4.13. Приборы электростатической системы .............................................................. 131

4.14. Вибрационные приборы ....................................................................................... 131

4.15. Логометры.........................................................................................

4.16. Измерение токов и напряжений .......................................................................... 133

4.17. Измерение мощности в цепях постоянного

и однофазного переменного токов ............................................................................... 134

4.18. Измерение мощности в цепях трехфазного тока ............................................... 136

4.19. Измерение энергии в цепях переменного тока .................................................. 136

4.20. Измерение сопротивлений ................................................................................... 137

4.21. Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра ..............

4.22. Измерение сопротивлений омметром ................................................................. 138

4.23. Мегомметры .......................................................................................................... 139

4.24. Измерение сопротивлений, емкостей

и индуктивностей методом Уитстона. ......................................................................... 140

4.25. Цифровые измерительные приборы ................................................................... 140

Практические задания ................................................................................................... 143

Литература ...................................................................................................................... 144

Введение

щие

торо

проц

ды о

чтоб

знач

тере

нани

той

тор

шая

теля

комп

та и

того рассуждений обучающихся на во-

прос

соот

закр

хоро

ны.

те, о

ольшого времени, необходимого для ре-

шен

Мат

свед

возм

различных электротехнических вопросов. Решение большинства качественных задач без

цифрового расчета заставляет понимать функциональную зависимость между различ-

ными физическими величинами и явлениями, приучает к логическому мышлению, бла-

годаря чему лучше усваивается целый ряд абстрактных понятий. Самостоятельная про-

работка дисциплины с использованием данного пособия должна строиться, на наш

взгляд, следующим образом. Прежде чем отвечать на вопросы и решать задачи, необхо-

димо изучить и проработать материал каждой темы и раздела по учебнику, конспекту

лекций или данному пособию.

В процессе работы над материалом надо давать ответы на каждую задачу, относя-

щуюся к данной теме, разделу с обязательным объяснением, почему дан именно этот,

а не иной ответ. Если при этом встречаются затруднения, то следует еще раз по учебни-

ку или данному пособию повторить соответствующий параграф или главу. Очень полез-

но обсудить каждую задачу в группе, а при необходимости следует обратиться за кон-

сультацией к специалисту. Задачи пособия могут быть использованы для проверки

знаний перед лабораторными и практическими работами, проведения зачета, контроль-

ных работ и зачета по дисциплине. При заочной и дистанционной системах обучения

данное пособие можно использовать для контроля своих знаний.

В связи с развитием науки и техники возрос объем необходимых знаний, который

за время пребывания в вузе должны получить, проработать и закрепить в памяти буду-

специалисты. Это входит в противоречие с ограниченностью времени обучения, ко-

е, естественно, нельзя увеличивать.

Устранить указанное противоречие можно путем совершенствования учебного

есса. При этом надо разрабатывать и применять более совершенные формы и мето-

бучения в течение всего учебного года, постулируя по принципу: «Мы изучаем,

ы знать. Чтобы знать, надо помнить. Чтобы помнить, надо запомнить».

Как лучше всего это сделать? Психологи утверждают, что в запоминании огромное

ение имеют два фактора. Первый сводится к следующему: все, что мы изучаем с ин-

сом, оставляет наиболее прочный след в памяти. Второй фактор заключается в осоз-

и важности и необходимости запоминания. У каждого приступающего к изучению в

или иной мере проявляется, конечно, действие второго фактора. А вот первый фак-

– интерес к запоминанию – не всегда себя проявляет. Часто, читая учебник или слу-

лекцию, приходится напрягать волю, чтобы понять автора учебника или преподава-

. Большой интерес к обучению создают обучающие и контролирующие программы

ьютера, но они не отвечают полностью таким требованиям педагогики, как просто-

доступность, необходимая обучающимся в любое удобное для них время. Кроме

, программы не могут проследить правильность

«Почему?», в результате чего при неверных рассуждениях можно нажать клавишу,

ветствующую правильному ответу.

Данное пособие частично устраняет эти недостатки. Его можно использовать для

епления теоретических знаний и проверки степени усвоения материала. При общей

шей подготовке это пособие можно использовать и для изучения теории дисципли-

Пособие доступно каждому – им можно пользоваться в любое время и в любом мес-

собенно если сделать его в виде карманного блокнота и иметь при себе.

Существенно то, что из относительно неб

ия задач, бóльшая часть затрачивается на электротехническую сторону решения.

ематические операции, не представляющие интереса с точки зрения электротехники,

ены к минимуму. Естественно, сокращение математической части решения дает

ожность проработать большее количество задач и рассмотреть большее количество

Глава 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК

1.1. Общие понятия

1.1.1. Электромагнитное поле

Все наблюдаемые или изучаемые электротехнические процессы являются тем или

иным проявлением действия электромагнитного поля, которое, в свою очередь, является

определенным видом материи.

Электротехника как наука занимается изучением электромагнитного поля, спосо-

бов получения и преобразования электрической энергии, т. е. изучением практического

применения электромагнитных явлений.

Электромагнитное поле как вид материи характеризуется непрерывным распреде-

лением в пространстве, обладает энергией и массой, следовательно, и инерцией. Элек-

тромагнитное поле может быть получено за счет других видов материи и само может

быть преобразовано в другие виды материи. Электромагнитное поле имеет кажущуюся

противоречивость проявления – в виде непрерывного, сплошного и в виде отдельных

частиц – корпускул. Электромагнитное поле действует с определенной механической

силой на неподвижные и движущиеся электрические заряды, а в пространстве распро-

страняется со скоростью света.

У человека нет такого органа, который мог бы воспринимать (осязать) электромаг-

нитное поле, за исключением таких его форм, как свет и тепло. В результате этого элек-

тромагнитное поле воспринимается как нечто абстрактное, воображаемое людьми, что

создает определенную трудность при изучении электромагнитного поля.

Материя имеет две формы существования: в виде вещества и в виде поля (электро-

магнитного, гравитационного, ядерного). Элементарной частицей многих веществ,

имеющей все признаки данного вещества, является молекула. У целого ряда веществ та-

кой частицей является атом. Различных веществ и молекул очень много. Различных эле-

ментов, а следовательно, атомов на сегодняшний день больше ста.

Элементарной частицей электромагнитного поля является фотон, который имеет

все признаки данного электромагнитного поля. Атомы различных элементов имеют раз-

личные признаки и свойства. Аналогично этому фотоны различных электромагнитных

полей отличаются друг от друга.

Электромагнитное поле проявляет себя с двух сторон: с одной стороны, в виде

электрического поля, с другой – в виде магнитного поля. Электромагнитное поле нельзя

рассматривать как смесь или соединение электрического и магнитного полей. Электри-

ческое и магнитное поля являются как бы сторонами одной и той же медали – электро-

магнитного поля.

Всякая материя (или ее частица) обладает массой и энергией. Масса любого тела

не является величиной неизменной, так как она зависит от скорости движения тела – ма-

терии. При относительно малых скоростях движения масса движущегося тела и масса

тела, находящегося в покое, не отличаются друг от друга. При скоростях, близких к ско-

рости света, масса движения имеет такой же порядок, как и масса покоя. Есть и такие

формы материи, у которых отсутствует масса покоя. Так, фотон не обладает массой по-

коя, а имеет только массу движения.

Известно, что материя не исчезает, а переходит из одной формы существования в

другую. Примером преобразования одного вещества в другое является любая химиче-

ская реакция.

Электромагнитное поле как вид материи качественно отличается от вещества, но

оно может быть преобразовано в вещество и возникнуть за счет вещества. Так, фотон

гамма-лучей, приблизившись к ядру атома вещества, под действием ядерных сил пере-

ходит в вещест ясь с ближай-венные частицы – электрон и позитрон. Позитрон, соединя

шим электроном, образует два фотона электромагнитного поля – свет.

Электромагнитное поле проницаемо, т. е. в одном и том же объеме может быть не-

сколько электромагнитных полей.

Электромагнитное поле обладает свойством прерывности и непрерывности. На

первы тва исключают одно другое, но это не так. Некото-й взгляд кажется, что эти свойс

рые вещества также обладают этими, как будто противоположными, свойствами.

Свойство прерывности (корпускулярности) электромагнитного поля состоит в том,

что оно проявляет себя как совокупность элементарных частиц – фотонов. Но ведь и ка-

ждый газ проявляет себя как совокупность элементарных частиц – молекул.

Непрерывность электромагнитного поля обусловлена следующим. К примеру, то-

чечный источник (излучатель) электромагнитного поля мощностью в 100 Вт, работаю-

щий при частоте в 1 МГц, за 1 с излучает

16 2

4,8 · 10 фотонов через 1 см шаровой поверх-

ности радиусом в 5 км. Естественно, что при таких условиях весьма трудно заметить

корпускулярность электромагнитного поля, поэтому оно воспринимается как нечто не-

прерывное, сплошное. Но подобным же свойством обладают некоторые вещества, на-

пример газы. В 1 см

при атмосферном давлении содержится примерно столько же мо-

лекул, сколько проходит фотонов через 1 см

поверхности в вышеприведенном примере.

Газ тоже проявляет себя в виде сплошного, непрерывного – каждую его молекулу труд-

но заметить.

Электромагнитное поле является определенным видом материи и обладает массой

и энергией. Согласно известному закону, между массой и энергией любого ма-

териального тела существует зависимость, выражаемая формулой

mcA =

где А – энергия материального тела;

m – масса материального тела;

103⋅=c – скорость света.

Так, генератор Братской электростанции, имеющий мощность 225 тыс. кВт, вы-

деляе

6 6

т за 1 с 10225⋅=A Дж энергии, а за год

107136524600310225 ⋅=⋅⋅⋅⋅=A Дж.

Масса электромагнитного поля, обладающего этой энергией, составит:

.г78

109)103( ⋅⋅С

107110107110

17314

⋅⋅⋅⋅

1628

===

1.1.2. Электрическое поле

Как указывалось выше, электрическое поле является одной из сторон электромаг-

нитного поля. В ряде случаев проявляется только одна из сторон электромагнитного по-

ля – электрическое поле. В таком случае говорят, что здесь есть электрическое поле.

В разделе электростатики изучают электростатическое поле, т. е. поле, неподвижное для

наблюдателя.

Характерной особенностью электростатического поля является то, что оно дейст-

вует с определенной механической силой как на движущиеся, так и на неподвижные

электрические заряды. Только электрическое поле может заставить двигаться электриче-

ские заряды, находящиеся внутри твердого проводника.

Из курса физики известны различные способы электризации физических тел, т. е.

способы, с помощью которых физическое тело приобретает избыток или недостаток

числа электронов по сравнению с их числом в электрически нейтральных телах (трение

одного тела о другое, помещение проводника в электролит, тепловое или световое воз-

действие, давление и пр.). Известно, что если есть электрический заряд, то в пространст-

ве, окружающем этот заряд, имеется электрическое поле.

Это надо понимать так. В процессе электризации того или иного тела создается

электрическое поле, связанное с этим телом. Центром поля является данное физическое

тело (электрический заряд), а само поле занимает определенный объем около этого тела

(заряда). Теоретически поле распространяется до бесконечности.

Электрическое поле в каждой точке характеризуется напряженностью E и потен-

циалом φ. Напряженность электрического поля – это силовая характеристика данной

точки поля, а потенциал – ее энергетическая характеристика. Энергия электрического

поля распределяется в пространстве, занимаемом электрическим полем.

Для отображения формы и других особенностей электрического поля введены

электрические силовые линии. Это позволяет привлечь такое могучее оружие человека,

как зрение, для понимания сложных абстрактных понятий об электрическом поле.

В природе электрических силовых линий нет.

1.1.3. Магнитное поле

Магнитное поле является одной из сторон электромагнитного поля. Характерным

признаком магнитного поля является то, что оно действует с определенной механиче-

ской силой на движущиеся электрические заряды (на электрический ток). Направление

силы действия магнитного поля на ток определяется правилом левой руки.

Магнитное поле в каждой точке характеризуется магнитной индукцией, которая

является силовой характеристикой точки магнитного поля. Магнитная индукция измеря-

ется в теслах (Тл) и численно равна механической силе, действующей на каждый метр

прямолинейного проводника с силой тока 1 А, расположенного так, что эта сила макси-

мал энергией, распределенной в пространстве, занимае-ьна. Магнитное поле обладает

мом магнитн у магнитного поля изображают при помощи магнитных ым полем. Картин

силов

1.2.1. Электрическое поле

ых линий.

1.2. Электростатика

Данная тема изучает электростатическое поле, которое возникает при электриза-

ции т состоит в том, что в теле создается тем или иным спо-ел. Сущность электризации

собом избыток или недостаток электронов относительно количества положительных за-

рядов этого тела. В электрически нейтральном теле число положительных зарядов в

точности равно числу отрицательных зарядов.

Возникшее при электризации электрическое поле называется электростатическим,

так как это поле связано с наэлектризованными неподвижными телами, т. е. оно не из-

меняется относительно наблюдателя с течением времени.

1.2.2. Электронная теория строения вещества

Как известно, атом любого элемента состоит из ядра и электронной оболочки, ок-

ружающей ядро. Ядро имеет положительный заряд, а электронная оболочка – отрица-

тельный заряд, равный заряду ядра атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Электрическая оболочка состоит из электронов, движущихся по определенным орбитам