Тема 1.1 Электрическое поле.

Электротехника и электроника.

Раздел 1. Общая электротехника.

Введение. Содержание учебного материала.

Программой дисциплины предусматривается изучение двух разделов.

Раздел 1 электротехника – это область науки и техники, в которой используются электрические и магнитные явления для преобразования энергии и превращения вещества, а также для получения и передачи информации.

В курсе электротехники изучаются электрические и магнитные явления и их применение для практических целей. Можно выделить три основных направления, в которых используются эти явления:

- преобразование энергии (энергетическое);

- превращение вещества (технологическое);

- получение и передача информации (информационное).

Курс электротехники дает общие сведения, без которых нельзя изучить и понять действия разнообразных электротехнических приборов, устройств и в дальнейшем научиться эффективно применять их в различных отраслях народного хозяйства.

Раздел 2– электроника, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, их характеристики и свойства, а также применение этих приборов в различных устройствах и системах.

Тема 1.1 Электрическое поле.

Трудно найти область современного производства, отрасль народного хозяйства, культуры, быта, где бы не использовалась электрическая энергия.

Энергия– общая количественная мера различных форм движения материи. Для любого вида энергии можно назвать материальный объект, который является ее носителем. Так, механической энергией обладает вода, ветер, заведенная пружина; тепловой энергией – нагретый газ, пар, горячая вода.

Огромное значение электрической энергии объясняется рядом ее преимуществ перед другими видами энергии. Главное состоит в том, что электрическая энергия наиболее универсальна:

- электрическую энергию сравнительно легко преобразовать в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.), и наоборот, в электрическую энергию преобразуются любые другие виды энергии;

- электрическую энергию можно производить на мощных электростанциях;

- электрическую энергию передавать на огромные расстояния при сравнительно небольших потерях;

- электрическую энергию легко распределять между различными потребителями.

Зарождение электротехники относится к первой половине ХIХ в., когда все более остро начала ощущаться необходимость в использовании электрической энергии. А возможность практического применения электромагнитных явлений была обусловлена успехами в области электромагнетизма.

После создания первого химического генератора электрического тока в конце первой трети ХIХ в. (А.Вольта, В.В Петров) были обнаружены и в значительной степени изучены химические, тепловые, световые и магнитные действия тока, установлены важнейшие законы электрических цепей (А. М. Ампер, Г. С. Ом, М. Фарадей, Э. Г. Ленц). На основе этих открытий были созданы разнообразные электромашинные генераторы и электрические двигатели, проведены первые эффективные опыты по применению электричества для освещения, созданы первые электроавтоматические приборы, зарождалась электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии в этот период еще было невозможно из-за отсутствия экономического и надежного электрического генератора.

Значительный вклад в становлении электротехники был сделан русскими учеными и инженерами. Еще в 1802 г. академик В.В. Петров доказал возможность использования электрической дуги для освещения и плавки металлов. Первые практически пригодные электромагнитные телеграфы были созданы П. Л. Шиллингом (1832 г.) и Б. С. Якоби (1839 г.), в 1838 г. Б. С. Якоби осуществил электропривод на судне.

Новый этап в развитии электротехники как самостоятельной отрасли связан с созданием первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (З. Грамм,1870г)

Основными потребителями электроэнергии в эти годы были источники света, необходимость в которых все более увеличивалась по мере роста городов и развития промышленности. Началось строительство электрических станций.

Начало практическому применению электрического освещения положило изобретение П. Н. Яблочковым электрической свечи (1876 г.) Им же был внедрен в практику переменный ток, осуществлено «дробление» электрической энергии посредством трансформаторов с разомкнутым электроприводом и показана целесообразность централизованного производства и распределения электроэнергии. А.Н. Лодыгиным были созданы первые лампы накаливания с угольным стержнем (1870 г.) и вольфрамовой нитью (1893 г.).

По мере расширения практического применения электроэнергии возникает необходимость в изыскании способов экономической передачи электрической энергии на значительные расстояния и создания простых и надежных электродвигателей, удовлетворяющих требованиям промышленного электропривода.

Следует отметить первые опыты по передаче электрической энергии (Ф. А. Пироцкий, 1874г.) и теоретические исследования (Д. А. Лачинов, 1880 г., М. Депре, 1881 г.), в которых обоснована возможность экономичной передачи энергии на большие расстояния за счет повышения напряжения, первую линию электропередачи длиной 57 км при напряжении 2 кВ (М. Дюпре, 1881 г.), открытие явления вращающегося магнитного поля (Г. Ферририс и Н. Тесла, 1888 г.), разработку многофазных, в частности двухфазных и трехфазных цепей, машин и трансформаторов (М.О. Доливо-Добровольский, Н. Тесла и др., 1889-1891 г.).

Начало электрофикации было положено в трудах М.О. Доливо-Добровольского, который осуществил первую электропередачу с помощью трехфазной сети (Лауффен-Франкфурт, 1891 г.), создал трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный трансформатор. С этого времени быстро возрастают мощность электрических станций и напряжение линий передач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель все более проникает в область промышленного привода, вытесняя паровую машину. Процесс электрофикации постепенно охватывает все новые области производства: развиваются электрометаллургия, электротермия, электрохимия. Электрическая энергия широко используется в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту.

Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электрический транспорт и прочее) обусловил развитие преобразовательной техники. Вначале для преобразования переменного тока в постоянный применялись электромашинные устройства, а затем использоваться ионные приборы, что привело к зарождению новой отрасли техники – промышленной электроники.

Оптоэлектроника — раздел электроники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Приборы оптоэлектроники:

1.Для преобразования света в электрический ток – фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, пироэлектрические приемники, приборы с зарядной связью (ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ)..

2. Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания, электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые)..

3. Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.

4. Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы —интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

Но как бы ни развивались и совершенствовались автоматические системы управления, роль человека всегда будет определяющей. Чтобы уметь творчески использовать преимущества электрофикации, внедрять электронные и автоматические приборы и автоматизированные системы управления разнообразными производственными процессами, необходимо овладеть основами электротехники.

Контрольные вопросы:

1. В какие виды энергии преобразуют электрическую энергию электроприемники, имеющиеся у вас дома?

Ответ – В начале схемы электроснабжения находится источник электрической энергии, а конце ее – электроприемник. Источник преобразует энергию какого-либо вида (механическую, тепловую, атомную и т.д.) в электрическую, которая в электроприемнике преобразуется в другие виды энергии:

- механическую – электродвигатели;

- тепловую – электропечи;

- cветовую – электролампы.

2. Как вы понимаете знаменитое выражение В. И. Ленина «Коммунизм есть Советская власть плюс электроэнергия всей страны»?

Более 100 лет назад Карл Маркс и Фридрих Энгельс предсказали огромное влияние электрофикации на развитие человеческого общества. Об этом писал и В. И. Ленин. Он видел исключительное социальное значение электрофикации. «Если не перевести Россию на иную технику, более высокую, чем прежде, не может быть речи о восстановлении народного хозяйства и о коммунизме. Коммунизм есть Советская власть плюс электрофикация всей страны, ибо без электрофикации поднять промышленность невозможно».

Электрофикация, предсказывал В. И. Ленин, «переродит Россию».

3. Какие меры применяются и какие можно применить у вас дома по экономии электроэнергии?