Что относится к электротехнике
Электротехника
Устройства, относящиеся к классу электротехника, являют собой и прибор как единое целое, состоящий из нескольких компонентов, и отдельные маленькие элементы, дополняющие более сложное оборудование. Подобные агрегаты осуществляют ту функцию, для которой они были созданы, посредством использования электромагнитной энергии.
По большей части это происходит через подключение устройств к электросети проводниками, но поскольку прохождение тока по нему также имеет электромагнитную составляющую, провода и кабели также относятся к данной категории приборов.
Электротехника в целом выглядит как один большой раздел, заключающий в себе весьма разнообразные классы агрегатов, которые повседневно используются во всех сферах человеческой деятельности. Эти устройства можно разделить по их прямому назначению с учетом определенных признаков.
Примеры разновидностей и устройств электротехники
Можно выделить следующие устройства электротехники:
Тот человек, который достаточно тесно связан с техникой и электричеством должен иметь представление, как о принципах работы и ремонте выше перечисленного оборудования в данной категории, так и о различных улучшениях того или иного технического продукта.
Примеры электротехники на выставке
Именно для этого ЦВК «Экспоцентр», выставочная компания с именем известным на весь мир, ежегодно устраивает крупный отраслевой проект, имеющий отдельный сегмент под названием электротехника.
Экспозиция дает возможность найти новые технологические решения для представителей этой индустрии для повышения коммерческой эффективности.
Международная выставка «Электро» откроет инновационное оборудование из таких стран, как Китай, Германия, Словакия, Чехия и многих других, с помощью которого возможно значительно повысить качество организации и выйти на новый уровень развития.
Основные понятия электротехники, термины и определения
Рассмотрены самые важные понятия электротехники: электрический ток, контур электрического тока, электродвижущая сила, напряжение, электрическое сопротивление, закон Ома, электрическая энергия и мощность.
1. Электрический ток
Движущиеся носители электрического заряда образуют электрический ток подобно тому, как движущиеся частички воздуха или воды образуют воздушный или водяной поток. В зависимости от способности различных материалов проводить электрический ток они разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники.
К проводникам относятся вещества, обладающие электронной проводимостью, — проводники 1-го рода (все металлы, уголь) и вещества, обладающие ионной проводимостью, — проводники 2-го рода (кислоты, основания, растворы солей). Металлы содержат большое количество свободных электронов (около 1023 в одном кубическом сантиметре), которые характеризуются большой подвижностью.
Диэлектрики содержат незначительное количество свободных электронов. Поэтому они используются в качестве электроизоляционных материалов.
В полупроводнике перемещение электрических зарядов происходит при движении не только электронов, но и так называемых «дырок». Дырки представляют собой незанятые электронами места в кристаллической решетке и по своим функциям уподобляются носителям положительных зарядов.
По способности проводить электрический ток полупроводники стоят между проводниками и диэлектриками, причем их проводимость в значительной степени зависит от имеющихся в них примесей.
Наличие тока можно обнаружить по тем эффектам, которые он вызывает. Три эффекта сопровождают электрический ток:
в среде, окружающей провода с током, наблюдается магнитное поле;
проводник, по которому течет ток, нагревается;
в проводниках с ионной проводимостью при электрическом токе наблюдается перенос вещества.
За направление электрического тока принимается направление движения ионов металла (т. е. положительных зарядов) при электролизе растворов солей. Направление перемещения электронов в металлических проводниках противоположно вышеуказанному направлению (они перемещаются от отрицательного полюса источника к положительному).
Единицей электрического тока является 1 ампер (1 А). Эта единица выбрана в качестве основной при записи закона электродинамического силового взаимодействия проводников, что устанавливает ее связь с основными механическими единицами.
Сила, вызывающая движение электронов в проводнике (ток), распространяется со скоростью света. Однако сами электроны движутся в проводнике со скоростями всего порядка 1 мм/с.
Подробно про электрический ток:
2. Контур электрического тока
В электрической цепи электрический ток циркулирует по замкнутому контуру. От источника ток течет по проводу через выключатель к приемнику, где он и производит желаемый эффект.
По второму проводу ток возвращается к источнику, проходит через него и снова начинает свой путь. На этом пути электрический ток черпает энергию для своего движения в источнике, а затем отдает ее приемнику обычно путем ее перехода в энергию другого вида — световую, тепловую, механическую и т.д.
В природе и технике встречается много подобных циклических процессов. Например, хорошую, но, конечно, формальную аналогию можно усмотреть в случае движения воды в системе охлаждения автомобиля. Вода получает тепловую энергию от стенок цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Даже без водяного насоса возникает движение воды по трубопроводам системы охлаждения и вода отдает большую часть полученной тепловой энергии в радиаторе, являющемся в данном случае приемником энергии.
Согласно современным представлениям электрический ток в проводниках образуется очень большим количеством мельчайших носителей заряда, называемых электронами. Электрический заряд следует рассматривать как одну из основных характеристик частиц и тел, которая проявляет себя в различного рода силовых взаимодействиях.
3. Электродвижущая сила, напряжение
Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС). Источники электрической энергии называются источниками ЭДС.
На участке электрической цепи, где заряды отдают энергию, имеет место так называемое падение напряжения. Падение напряжения на участках цепи — приемниках называют короче просто напряжением.
Исходящий от источника ЭДС «импульс напряжения» распространяется со скоростью света, в то время как сами электроны движутся с очень малыми скоростями.
Электрический ток в простой электрической цепи одинаков на всех ее участках, и вследствие высокой скорости распространения импульса напряжения все электроны приходят в движение практически одновременно.
В случае разомкнутой цепи с источником ЭДС направленного движения потока электронов в ней быть не может. Однако в этой цепи свободные электроны находятся в состоянии постоянной готовности к движению, как только электрическая цепь будет замкнута. В таком случае принято говорить, что оба конца разомкнутой цепи находятся под напряжением.
Направления ЭДС Е и падения напряжения U совпадают с направлением тока, т. е. противоположны направлению движения электронов.
Единицей ЭДС и напряжения является 1 вольт (1В).
Для напряжения выбран ряд стандартизованных значений, чтобы установить единство в снабжении потребителей электрической энергией.
Для потребителей малой мощности применяются главным образом напряжения 12, 24, 36, 48, 110, 220 В. Для промышленных сетей низкого напряжения и бытовых сетей установлены напряжения 220 и 380 В. Для передачи электроэнергии на дальние расстояния применяются высокие напряжения 6000, 10000, 35000, 110000, 220000, 330000, 500000 и 750000 В.
Подробнее про электродвижущую силу и напряжение:
4. Электрическое сопротивление, закон Ома
Электрические величины (ток, напряжение и сопротивление) связаны между собой. Закон Ома определяет зависимость между током, протекающим по цепи, напряжением, приложенным к участку цепи, и сопротивлением этого участка цепи.
В общем виде этот закон формулируется так: электрический ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Закон Ома для всей цепи формулируется так: ток прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи.
При своем движении по проводнику электроны сталкиваются с атомами и при этом теряют часть своей энергии, что приводит к нагреву проводника. Таким образом, наблюдается сопротивление движению электронов. Опыты показывают, что ток в участке электрической цепи тем больше, чем больше напряжение (падение напряжения) на этом участке.
Символом G в данном уравнении обозначена электрическая проводимость участка цепи, которая тем больше, чем меньшее сопротивление оказывает проводник прохождению электрического тока.
Георг Симон Ом (1789—1854) обнаружил в 1826 году, что сопротивление многих материалов (проводников) не зависит от значения тока в проводнике и, следовательно, является константой.
Из закона Ома следует, что с ростом напряжения пропорционально увеличивается ток и что при увеличении сопротивления ток уменьшается. Единицей электрического сопротивления является 1 Ом.
На практике часто требуется определить электрический ток в некотором приемнике. Значение этого тока можно установить на основании известных значений электрического сопротивления приемника и поданного на него напряжения.
Если напряжение будет слишком велико, то ток может быть настолько большим, что вследствие теплового эффекта может разрушить приемник. Большие значения тока могут возникнуть в электрической цепи и при слишком малом сопротивлении или в случае прямого контакта (короткого замыкания) токоведущих частей цепи.
Для защиты устройств и приборов от перегрузок по току в электрические цепи включаются плавкие предохранители, которые перегорают, или автоматические выключатели, которые выключаются если ток в цепи превышает некоторое определенное значение.
Сопротивление проводника или провода тем больше, чем больше его длина l и чем меньше площадь его поперечного сечения S.
Сопротивление проводника зависит не только от его длины, площади поперечного сечения и материала, но и от температуры.
У ряда материалов значение электрического сопротивления при температуре вблизи абсолютного нуля скачкообразно падает до чрезвычайно малого значения. Это явление получило название сверхпроводимости. В настоящее время явление сверхпроводимости не получило еще широкого применения в технике, однако уже с успехом используется при решении некоторых специальных технических задач, как, например, при получении сверхмощных магнитных полей для физических исследований.
Подробнее об электрическом сопротивлении и законе Ома:
В каждой электрической цепи происходит обмен энергией. Следует при этом различать два процесса: получение электрической энергии (в источнике ЭДС) и ее преобразование в другие виды (на участках цепи, где есть падение напряжения).
Принимая во внимание закон Ома, можно написать выражение для энергии электрического тока, преобразуемой в приемнике с сопротивлением R (закон Джоуля—Ленца): W = I 2 Rt
При расчетах электроэнергетических установок чаще в качестве единиц энергии выбирают ватт-час или киловатт-час. Электрическую энергию можно преобразовывать в другие виды энергии.
Мощность можно определить как изменение энергии в единицу времени : P = dW/dt
Электротехника
Электротехника — область технических наук, изучающая получение, распределение, преобразование и использование электрической энергии.
Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века.
Содержание
История
Разделы
Электротехника имеет множество разделов, самые важные из которых описаны ниже. Хотя инженеры работают каждый в своей области, но многие из них имеют дело с комбинацией из нескольких наук.
Электроэнергетика
Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами. Многие государства мира имеют электрическую сеть, называемую электроэнергетической системой, которая соединяет множество генераторов с потребителями энергии. Потребители получают энергию из сети, не тратя ресурсы на выработку своей собственной энергии. Энергетики работают как над проектированием и обслуживанием сети, так и над энергетическими системами, присоединёнными к сети. Такие системы называются внутрисетевыми и могут как поставлять энергию в сеть, так и потреблять её. Энергетики работают также и над системами не присоединёнными к сети, называемыми внесетевыми, которые в некоторых случаях являются более предпочтительными, чем внутрисетевые системы. Имеется перспектива создания энергетических систем, контролируемых со спутника, имеющих обратную связь в реальном времени, что позволит избежать скачков напряжения и предотвратить нарушения энергоснабжения.
Системы автоматического управления
Задачами автоматических систем управления (и автоматизации в целом) является моделирование различных динамических систем и разработка систем управления, которые заставляют работать динамические системы нужным образом. Для создания таких устройств могут использоваться электрические схемы, процессоры цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры. Системы управления имеют широкую область применения от систем, встраиваемых в энергетические установки (например, на коммерческих авиалайнерах), автоматов постоянной скорости (имеющихся во множестве современных автомобилей) и ЧПУ в станках до систем управления на базе промышленных ПК в автоматизации промышленного производства.
Инженеры часто используют обратную связь при проектировании систем управления. Например в автомобиле с автоматом постоянной скорости скорость транспортного средства постоянно отслеживается и данные передаются системе, которая соответственно регулирует выходную мощность двигателя. Если имеется стандартная система обратной связи, можно использовать теорию управления для определения того, как система должна реагировать на поступающую информацию.
Микроэлектроника
Микроэлектроника занимается разработкой и изготовлением очень малых компонентов электронных цепей для использования в интегральных схемах или, в некоторых случаях, для использования в качестве основных электронных компонентов. Самыми распространенными микроэлектронными компонентами являются полупроводниковые транзисторы, хотя все основные электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, индукторы) могут быть созданы на микроскопическом уровне.
Микроэлектронные компоненты создаются химическим изготовлением пластин из полупроводников, например, кремния (при более высоких частотах — полупроводниковых соединений, таких как арсенид галлия, фосфид индия, нитрид галлия), чтобы получить желаемую передачу заряда и управлять током. Микроэлектроника затрагивает существенную часть химии и материаловедения, и требует от инженера-электроника, работающего в данной области, хороших практических знаний квантовой механики.
Что такое электротехника?
Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами.
Только в XVII веке началось подробное изучение электричества и становление электротехники как фундаментальной науки. Первая действующая модель электротехнической машины была изобретена великим ученым О. Герике аж в 1650 году. В дальнейшем к развитию электротехники приложили свою руку Ватт и Джоуль, Петров и Фарадей, Яблочков и Ломоносов, Вольт и Эйлер, Попов и Гальвани, Тесла Эдисон, и другие ученые.
В настоящий момент выделяется три приоритетных процесса связанных с электрической энергией: передача и распределение, генерация и потребление электроэнергии. В связи с этим все электротехническое оборудование по функциональному назначению можно разделить поделить на эти значимые группы.
Передача электрической энергии может осуществляться двумя способами: по воздушным линиям либо с помощью кабельных каналов. Воздушные линии электропередач протягиваются на сериях металлических конструкциях, оснащенных изоляторами и системами молниезащиты. Кабельные каналы устанавливаются ниже поверхности грунта, они более долговечней воздушных линий передачи электроэнергии, но и более сложны в обслуживании и значительно дороже по стоимости.
В основе технологии передачи электроэнергии на значительные расстояния лежит трехфазный электрический кабель, который конструктивно изготавливается из трех алюминиевых или медных жил, разделяемых друг от друга и от внешней среды с помощью изоляторов, не проводящих электрический ток.
 |
Линии электропередач
Большинство процессов требуют для своей работы подключения к сети переменного тока, однако, существуют и такие потребители, которых можно отнести к категории потребителей постоянного тока, но их значительно меньше.
Для такой категории потребителей электрической энергии требуется особое электротехническое устройство – инвертор. Как правило, наиболее часто применяется трехфазный инвертор, но тем не менее могут применяться инверторы на одну и более фазы.
Наиболее простым коммутационным устройством для управления электрической цепью является рубильник – это устройство с ручным управлением и металлическими ножевидными контактами. Наиболее эффективным распределителем электрической энергии считается электрический щит – это панель в которую можно установить сразу несколько рубильников, как правило, закрываемая внешними дверцами, назначение которых защитить от воздействия внешних факторов.
В последние десятилетия ассортимент электротехнического оборудования уже превышает многие десятки миллионов наименований, так как микроэлектроника, системы автоматического управлении и электротехнические устройства, а так же электроэнергетика охватили буквально все сферы жизнедеятельности современного человека
Реле тока
Принцип действия реле аналогичен принципу действия контактора, и поэтому в ряде случаев, кроме своего основного назначения, контактор выполняет функции реле напряжения.
Реле регулируют на определенное напряжение, при котором оно вступает в действие.
Реле тока реагирует на изменение величины тока, протекающего по его катушке, и при этом закрывает или открывает свои контакты. Принцип действия аналогичен принципу действия реле напряжения. Разница заключается в том, что катушку реле тока включают в сеть последовательно или через трансформатор тока, она имеет небольшое число витков толстой проволоки и обладает весьма малым сопротивлением.
Применяют реле тока, главным образом, для защиты, а иногда и для автоматического управления, в частности для автоматизации пуска двигателей. Реле имеют различную конструкцию, зависящую от рода тока (постоянный или переменный). Кроме того, существуют и такие конструкции реле, которые могут быть использованы как в цепи постоянного, так и переменного тока.
Реагируют реле на ток срабатывания изменением натяжения пружины.
Для контроля работы электрооборудования на электрических кранах применяются следующие основные измерительные приборы: для измерения тока — амперметры, для измерения напряжения — вольтметры, для измерения мощности — ваттметры.
Амперметры
Амперметр в цепь измеряемого тока включают последовательно. Для того чтобы ток в цепи при включении амперметра не изменился, сопротивление прибора делают возможно меньшим.
Для измерения постоянного тока большой силы в цепь тока включают малое сопротивление (шунт), не оказывающее какого-либо влияния на изменение тока в цепи. Параллельно этому сопротивлению присоединяют амперметр. При таком присоединении через прибор проходит не весь измеряемый ток, а лишь небольшая часть его. Шкала же амперметра отградуирована таким образом, что прибор показывает весь ток в цепи.
В цепях переменного тока при значительной его величине амперметры включают в цепь через специальные аппараты — трансформаторы тока.
Электротехника и ее безопасное использование
Последние несколько сотен лет сам термин «цивилизованность» неразрывно связан с использованием электроэнергии. Бурное техническое развитие привело к тому, что в современном мире практически все известные производственные процессы зависимы от электрической энергии. Поэтому электротехника является неизменной частицей нынешнего быта.
В домашнем хозяйстве электрические приборы выполняют все затребованные функции – очищают полы и моют посуду, гладят и стирают, пекут и сверлят, и, наконец, просто играют, показывают и поют!
Электрические устройства, со временем ставшие нам не просто друзьями, а почти родственниками, используют в целях своего бесперебойного функционирования сеть с напряжением в 220 Вт. Такие сети среди энергетиков считаются низковольтными, но это вовсе не означает, что такая величина напряжения является безопасной для человека. Ведь показатель ущерба, причиненного ударом электрического тока, зависит не, сколько от напряжения в сети, сколько от силы такого тока.
Что важно, для смертельного исхода достаточной будет величина всего лишь в 0,1 Ампера. Но большинство предлагаемых ныне бытовых приборов потребляют намного больше – 10, 16 и более ампер!
Для того чтобы электричество оставалось другом, а не врагом, бытовое электрооборудование должно соответствовать современным нормам безопасности, основная задача которых – предотвратить попадание электрического тока на человека.
Немаловажное значение относительно защищенности от удара человека электрическим током имеет процесс применения бытовых приборов во влажном помещении – ванной или душевой, саунах, а также на открытой территории. Для таких механизмов важно установить электропроводку с заземлением и защитить необходимые электрические линии УЗО, либо хотя бы установить дифференциальный автомат.
Также, что очень важно, нужно строго соблюдать эксплуатационные правила использования бытовых электротехнических устройств – не оставлять все включенное в сеть оборудование без присмотра, не прикасаться к нему влажными или мокрыми руками. Также не использовать в тех местах, где существует риск нарушения целостности корпусной поверхности электроустройств.
Электрическая цепь и ее элементы
В электрической цепи должен быть источник движения электрически заряженных частиц, которое и называется электрическим током. Иными словами, электрический ток должен иметь своего возбудителя. Такой возбудитель тока, именуемый источником (генератором), является составным элементом электрической цепи.
Электрический ток может вызывать различные по характеру эффекты — так, он заставляет светиться лампочки накаливания, приводит в действие нагревательные приборы и электродвигатели. Все эти приборы и устройства принято называть приемниками электрического тока. Так как через них протекает ток, т. е. они включены в электрическую цепь, то приемники также являются элементами цепи.
Протекание тока требует, чтобы между источником и приемником существовала связь, которая и реализуется при помощи электрических проводов, представляющих со бой третий важный составной элемент электрической цепи.
Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Во внешнюю часть цепи входят соединительные провода, потребители, рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.
Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.
Под электрическими цепями постоянного тока в электротехнике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т. е. полярность источников ЭДС в которых постоянна.
Под электрическими цепями переменного тока имеют ввиду цепи, в которых протекает ток, который изменяется во времени (смотрите, переменный ток).
Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.
В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).
Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.
Для условного изображения электрических цепей служат электрические схемы. На этих схемах источники, приемники, провода и все другие приборы и элементы электрической цепи обозначаются при помощи выполненных определенным образом условных знаков (графических обозначений).
Согласно ГОСТ 18311-80:
По топологическим особенностям электрические цепи подразделяют:
на простые (одноконтурные), двухузловые и сложные (многоконтурные, многоузловые, планарные (плоскостные) и объемные);
двухполюсные, имеющие два внешних вывода (двухполюсники и многополюсные, содержащие более двух внешних выводов (четырехполюсники, многополюсники).
Устройства, передающие энергию от источников к приемникам, являются четырехполюсниками, так как они должны обладать, по меньшей мере, четырьмя зажимами для передачи энергии от генератора к нагрузке. Простейшим устройством передачи энергии являются провода.
Активный и пассивный двухполюсники в электрической цепи
Обобщенная эквивалентная схема электрической цепи
Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент.
При описании свойств электрических цепей устанавливается связь между величинами электродвижущей силы (ЭДС), напряжений и токов в цепи с величинами сопротивлений, индуктивностей, емкостей и способом построения цепи.
При анализе электрических схем пользуются следующими топологическими параметрами схем:
Старый учебный диафильм. Одна из 7 частей старого учебного диафильма «Электротехника с основами электроники», выпущенного в 1973 году фабрикой учебно-наглядных пособий: