Теорія електричних та магнітних кіл
Зміст і структура дисципліни
В умовах виробництва фахівці повинні вміти кваліфіковано використовувати сучасні засоби автоматизації, в яких дедалі більше використовується електротехнічні, електронні та мікропроцесорні пристрої, а також приймати участь в проєктуванні і розробці автоматизованих установок на базі мікропроцесорної техніки.
Рішення цих питань потребує від фахівця знань принципів дії та особливостей функціонування типових електротехнічних, електронних та мікропроцесорних елементів і пристроїв, що використовуються в даній галузі техніки та виробництва. Крім того, він повинен вміти розібратись, використовуючи інструкції, описи, технічні паспорти, в роботі блоків, пристроїв та установок, що містять електричні, електронні та мікропроцесорні кола, елементи і прилади, з метою їх ефективної та раціональної експлуатації.
Дисципліна «Теорія електричних та магнітних кіл» спрямована на ознайомлення із методами аналізу електричних та магнітних кіл, в тому числі комп’ютерних, які покладені в основу функціонування сучасних електричних та телекомунікаційних систем. Вивчення даної дисципліни дозволяє оволодіти сучасними знаннями з основ електротехніки та електроніки, на які опираються методи моделювання, розробки, експлуатації та аналізу роботи електричних та телекомунікаційних систем.
Метою дисципліни “Теорії електричних та магнітних кіл” є закріплення та поглиблення теоретичних знань та вмінь в області аналізу складних електричних кіл в стаціонарних режимах, а також здобути наступні компетентності:
– здатність розв’язувати складні задачі та практичні проблеми, що передбачає застосування теорій та методів електроніки;
– здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях;
– здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел;
– здатність інтегрувати раніше здобуті знання з фізики, вищої математики, радіоелектроніки та інженерної та комп’ютерної графіки для розуміння процесів електротехніки.
Чому в наш час найбільш широко використовується в різних галузях виробництва та побуту має електроенергія?
Інтенсивне використання електроенергії обумовлене такими особливостями:
– електроенергію порівняно легко отримувати з інших видів енергії (механічної, теплової, атомної);
– електроенергію порівняно легко передавати з малими втратами на великі відстані;
– електроенергію порівняно легко перетворювати в інші види енергії (механічну, теплову, світлову).
Завдяки цим властивостям енергія, що накопичена в природі (енергія падаючої води, вугілля, торфу, вітру та ін.), порівняно легко розподіляється по самим різним приймачам. Тому її використання в багатьох технологічних процесах витісняє органічне паливо, забезпечує різке скорочення шкідливих викидів, сприяє охороні оточуючого середовища та раціональному використанню природних ресурсів.
Галузь науки, що займається питаннями виробництва, передачі, розподілу і використання електроенергії, називається електротехнікою.
Народження електротехніки відносять до першої половини ХІХ сторіччя, коли були відкриті основні закономірності електричних явищ. У другій половині сторіччя були розроблені сучасні типи основних електричних машин – генератори, трансформатори та двигуни. Це був також період будівництва перших електричних станцій.
Початок ХХ сторіччя знаменує значний зріст централізованого виробництва електричної енергії, перехід до широкого використання електродвигунів в промисловості та зародження електроніки. Наступні десятиріччя характеризуються небаченим розвитком електрифікації. За чверть сторіччя (1929-1954) виробництво електроенергії в усьому світі збільшилось у п’ять разів.
Електротехніка, як наука теоретична і прикладна спочатку розвивалась на основі постійного струму, оскільки першими джерелами електричного струму були гальванічні елементи. В цей період (1800-1850) були відкриті основні закономірності електричних явищ: закони електричного кола (Ом і Кірхгоф), теплова дія електричного струму і його практичне використання (Ленц, Джоуль, Петров), закони електромагнітної індукції і електромагнітних сил (Фарадей, Максвел, Ленц, Ампер, Якобі), електрохімічна дія струму і т. ін. В подальшому все більше виявлявся основний недолік системи постійного струму – трудність економної передачі електричної енергії на значні відстані.
Можливість передачі електричної енергії на великі відстані, простота машин та інші переваги забезпечили системі змінного струму широкий розвиток. Однак і тепер, коли змінний струм займає центральне місце в електроенергетиці, багато користувачів користуються електроенергією постійного струму, який є для них або єдиним можливим за технологічних умов родом струму, або родом струму, що забезпечує ряд техніко–економічних переваг.
В електричних колах як постійного, так і змінного струму при будь–яких можливих режимах одночасно проходить неперервний процес утворення електричної енергії і перетворення її в інші види енергії.
Впорядкований рух вільних заряджених часток в провіднику під дією електричного поля називається електричним струмом. Для визначеності умовно прийнято за позитивний напрямок струму в провідниках вважати напрямок руху позитивних зарядів. Для виникнення струму необхідне замкнуте електричне коло і джерело електрорушійної сили. У зовнішньому колі струм направлений від клеми « + » до клеми « – », тобто від точки з більш високим потенціалом до точки з більш низьким потенціалом.
Електричне коло – сукупність пристроїв, що утворюють шляхи для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можна описати за допомогою понять електрорушійної сили, струму та напруги.
Магнітне коло – сукупність пристроїв, що утворюють шляхи для магнітного потоку, електромагнітні процеси в яких можна описати за допомогою понять магніторушійна сила, потік, магнітна індукція.
Електричне коло в загальному випадку включає такі елементи:
– джерело електричної енергії – генератори, джерела живлення,
– приймачі, що перетворюють електроенергію в інші види енергії,
– засоби, що з’єднують джерела енергії і приймачі.
Електричні кола можуть бути простими і складними. До простих відносяться кола з одним джерелом живлення або кількома джерелами в одній вітці (нерозгалужені кола); до складних – кола з двома або більше джерелами живлення в різних вітках (розгалужені кола).
Параметром елемента називається коефіцієнт у рівнянні зв’язку між напругою та струмом на цьому елементі. Якщо параметр не залежить від величини напруги чи струму, то елемент називається лінійним, а якщо залежить – нелінійним.
Коло, яке містить тільки лінійні елементи, називається лінійним. Якщо параметр є функцією часу, то елемент називається параметричним. Розрізняють електричні кола із зосередженими та розподіленими параметрами.
Графічне зображення кола називається електричною схемою. Для кожної електричної схеми існують топологічні поняття: вузол, вітка і контур. Вузол – точка з’єднання трьох або більше провідників. Вітка – ділянка кола між двома сусідніми вузлами. Контур – замкнутий шлях обходу віток (замкнута ділянка кола).