Книга - Учебное пособие для электрика

Учебное пособие для электрика
Тимур Ахтамов


Изучив данное учебное пособие, Вы научитесь читать схемы, ремонтировать электрооборудование. Сможете работать в сфере эксплуатации и ремонта электрооборудования.





Учебное пособие для электрика



Составитель Тимур Ахтамов



ISBN 978-5-0053-2509-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero


В данном учебном пособии были использованы все необходимые теоретические и практические данные, взятые из справочных материалов. Википедия, справочники электриков и. т. д.

Изучив данное руководство занимающийся сможет выполнять работу в службе эксплуатации электроснабжения административных зданий, промышленного оборудования в цехах предприятий, в электромонтажных строительных организаций.



Содержание:

– Определения

– Формулы электротехники

– Освещение

– Проводники и диэлектрики

– Полупроводники

– Электрические аппараты до 1000в

– Электропривод

– Трансформатор

– Синхронные, асинхронные двигатели

– Системы TT TN-C TN-S

– Обозначения в электрических схемах

– АВР, принцип работы, схемы

– Чтение принципиальных схем

– Техника безопасности (технические мероприятия)



РАЗДЕЛЫ:

1.Определения:
1.1.Электричекий ток
1.2.Напряжение
1.3.Сопротивление
1.4.мощность электрического тока
1.5.Электромагнитное поле
1.6.Электроемкость

2.Формулы электротехники
2.1.Основные формулы
2.2.Основные законы

3.Освещение
3.1.Электрические источники света
3.2.Осветительные приборы
3.3.Схемы питания
3.4.Монтаж и эксплуатация

4.Проводники и диэлектрики.
4.1.Проводниковые материалы
4.2.Диэлектрические материалы

5.Полупроводники.
5.1.Обозначение полупроводниковых приборов
5.2.Диод
5.3.Резистор
5.4.Тиристор
5.5.Транзистор
5.6.Конденсатор
5.7.Интегральные микросхемы (ИМС)

) 6.Электрические аппараты до 1000в.
6.1.Рубильник, переключатель
6.2.Предохранитель
6.3.Автоматические выключатели
6.4.Узо
6.5.Дифиренциальный автомат
6.6.Контактор
6.7.Магнитный пускатель
6.8.Реле (реле времени, реле тока, фотореле

7.Электропривод
7.1.определение
7.2.Область применения
7.3.Апаратура управления и защиты
7.4.Схемы управление

8.Трансформатор
8.1.Определение
8.2.Виды
8.3.Группы соединения
8.4.Парралельная работа трансформаторов

9.Синхроные и асинхронные двигатели
9.1.Синхроные машины (машины и генераторы постоянного тока)
9.2.Двигатели постоянного тока
9.3.Ассинхроные двигатели
9.4.Пуск
9.5.Схемы подключения
9.6.Средства защиты

10. Системы TT TN-C TN-S

10.1. ТТ 10.2.TN-C

10.3. TN-S

11.Обозначение в электрических схемах



12. АВР принцип работы, схемы АВР



13. Чтение электрических схем



14. Электробезопасность

14.1. Технические мероприятия



1.Определения.



– Электрический ток.

Электри?ческий ток или электрото?к – направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц – носителей электрического заряда.



Такими носителями могут являться: в металлах – электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы), в газах – ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях – электроны, в полупроводниках – электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.



Электрический ток имеет следующие проявления:



нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках);

изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);

создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников.

Классификация:

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционным.



Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.



Постоянный ток – ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток – электрический ток, изменяющийся во времен. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.

Периодический ток – электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.

Синусоидальный ток – периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток – «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях не разветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры.

Ток высокой частоты – переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей

Пульсирующий ток – это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.

Однонаправленный ток – это электрический ток, не изменяющий своего направления.

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие – электроэнергетика.



Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).



В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,

получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,

получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,

возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,

получения звука,

получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,

создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине



диагностика – биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.

Электроэнцефалография – метод исследования функционального состояния головного мозга.

Электрокардиография – методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.

Электрогастрография – метод исследования моторной деятельности желудка.

Электромиография – метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.

Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

1.2.Напряжение

Электри?ческое напряже?ние между точками A и B электрической цепи или электрического поля – скалярная физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля (включающего сторонние поля), совершаемой при переносе единичного пробного электрического заряда из точки A в точку B

Напряжение в цепи постоянного тока между точками A и B – работа, которую совершает электрическое поле при переносе пробного положительного заряда из точки A в точку B.

Для описания цепей переменного тока применяются следующие напряжения:



мгновенное напряжение;

амплитудное значение напряжения;

среднее значение напряжения;

среднеквадратическое значение напряжения;

средневыпрямленное значение напряжения.

Мгновенное напряжение есть разность потенциалов между двумя точками, измеренная в данный момент времени. Зависит от времени (является функцией времени):

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения. Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки относительно нейтрали, а под линейным – напряжение между подводящими фазными проводами. При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному, а при соединении в звезду (при симметричной нагрузке или при глухозаземлённой нейтрали) линейное напряжение в 3 раз больше фазного.

На практике напряжение трёхфазной сети обозначают дробью, в числителе которой стоит фазное при соединении в звезду (или, что то же самое, потенциал каждой из линий относительно земли), а в знаменателе – линейное напряжение. Так, в России наиболее распространены сети с напряжением 220/380 В; также иногда используются сети 127/220 В и 380/660 В.

1.3.Сопротивление

Электри?ческое сопротивле?ние – физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивлением (резистором) также называют радиодеталь, предназначенную для введения в электрические цепи активного сопротивления.



Сопротивление (часто обозначается буквой R или r) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как

R= U/I

R – сопротивление, Ом;

U – разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, В;

I – сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов, А.

В 1826 г. Георг Ом экспериментальным путем открыл основной закон электрической цепи, научился вычислять сопротивление металлических проводников и вывел закон Ома. Таким образом, в первом периоде развития электротехники (1800 —1831 годы) были созданы предпосылки для ее развития, для последующих применений электрического тока.



Само понятие «сопротивление» появилось задолго до изысканий Георга Ома. Впервые этот термин применил и употребил русский ученый Василий Владимирович Петров. Он установил количественную зависимость силы тока от площади поперечного сечения проводника: он утверждал, что при использовании более толстой проволоки происходит «более сильное действие… и весьма скорое течение гальвани-вольтовской жидкости». Кроме того, Петров четко указал на то, что при увеличении сечения проводника (при употреблении одной и той же гальванической батареи) сила тока в нем возрастает.

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока – электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.



В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.



Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.



Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:

R=p*l/S

где ? – удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l – длина проводника, м, а S – площадь сечения, м?.



Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.



Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.



Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры (в некотором диапазоне) растёт. Сопротивление также меняется по мере увеличения тока/напряжения, протекающего через проводник/полупроводник.

В металле подвижными носителями зарядов являются свободные электроны. Можно считать, что при своем хаотическом движении они ведут себя подобно молекулам газа. Поэтому в классической физике свободные электроны в металлах называют электронным газом и в первом приближении считают, что к нему применимы законы, установленные для идеального газа.



Плотность электронного газа и строение кристаллической решетки зависят от рода металла. Поэтому сопротивление проводника должно зависеть от рода его вещества. Кроме того, оно должно еще зависеть от длины проводника, площади его поперечного сечения и от температуры.



Влияние сечения проводника на его сопротивление объясняется тем, что при уменьшении сечения поток электронов в проводнике при одной и той же силе тока становится более плотным, поэтому и взаимодействие электронов с частицами вещества в проводнике становится сильнее.



Из формулы

R=p*l/S

видно, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Величину ?, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением вещества. Удельное сопротивление различных веществ при расчетах берут из таблиц.



Величину, обратную удельному сопротивлению, называют удельной проводимостью вещества и обозначают ?.

Для расчёта опасной величины силы тока, протекающего через человека при попадании его под электрическое напряжение частотой 50 Гц, сопротивление тела человека условно принимается равным 1 кОм [6]. Эта величина имеет малое отношение к реальному сопротивлению человеческого тела. В реальности сопротивление человека не является омическим, так как эта величина, во-первых, нелинейна по отношению к приложенному напряжению, во-вторых, меняется во времени, в-третьих, гораздо меньше у человека, который волнуется и, следовательно, потеет и т. д.

Серьёзные поражения тканей человека наблюдаются обычно при прохождении тока силой около 100 мА. Совершенно безопасным считается ток силой до 1 мА. Удельное сопротивление тела человека зависит от состояния кожных покровов. Сухая кожа обладает удельным сопротивлением порядка 10000 Ом·м, поэтому опасные токи могут быть достигнуты только при значительном напряжении. Однако при наличии сырости сопротивление тела человека резко снижается и безопасным может считаться напряжение только ниже 12 В. Удельное сопротивление крови 1 Ом·м при 50 Гц

Активное сопротивление – сопротивление электрической цепи или её участка, обуславливающее превращение электрической энергии в другие виды энергии, например, в механическую энергию (в электродвигателях), в химическую энергию (при электролизе, заряде аккумуляторов), в тепловую энергию (нагрев проводников, диэлектриков), в электромагнитное излучение.

В электрических и электронных системах реактивное сопротивление (также реактанс) – это сопротивление элемента схемы, вызванное изменением тока или напряжения из-за индуктивности или ёмкости этого элемента. Понятие реактивного сопротивления аналогично электрическому сопротивлению, но оно несколько отличается в деталях.



В векторном анализе реактивное сопротивление используется для вычисления амплитудных и фазовых изменений синусоидального переменного тока, проходящего через элемент цепи. Обозначается символом X. Идеальный резистор имеет нулевое реактивное сопротивление, тогда как идеальные катушки индуктивности и конденсаторы имеют нулевое сопротивление – то есть, реагируют на ток только по наличию реактивного сопротивления. Величина реактивного сопротивления катушки индуктивности увеличивается пропорционально увеличению частоты, в то время как величина реактивного сопротивления конденсатора уменьшается пропорционально увеличению частоты.

Конденсатор состоит из двух проводников, разделённых изолятором, также известным как диэлектрик.



Ёмкостное сопротивление – это сопротивление изменению напряжения на элементе. Ёмкостное сопротивление Xc обратно пропорционально частоте сигнала f (или угловой частоты ?) и ёмкости C.



В литературе существует два варианта определения реактивного сопротивления для конденсатора. Одним из них является использование единого понятия реактивного сопротивления в качестве мнимой части полного сопротивления, и, в этом случае, реактивное сопротивление конденсатора является отрицательным числом.

Xc=-1/wc=-1/2пfC

Постоянное напряжение, приложенное к конденсатору, вызывает накопление положительного заряда на одной обкладке и накопление отрицательного заряда на другой обкладке; электрическое поле за счёт накопленного заряда является источником, который противодействует току. Когда потенциал, связанный с зарядом, точно уравновешивает приложенное напряжение, ток падает до нуля.



Приводимый в действие источником переменного тока (идеальный источник переменного тока), конденсатор будет накапливать только ограниченное количество заряда, прежде чем разность потенциалов изменит полярность и заряд вернётся к источнику. Чем выше частота, тем меньше накапливается заряд и тем меньше противодействие току.

Индуктивное реактивное сопротивление – это свойство, проявляемое индуктивностью, и индуктивное реактивное сопротивление существует благодаря тому, что электрический ток создаёт вокруг него магнитное поле. В контексте цепи переменного тока (хотя эта концепция применяется при любом изменении тока), это магнитное поле постоянно изменяется в результате изменения тока, который меняется во времени. Именно это изменение магнитного поля создаёт другой электрический ток в том же проводе (противо-ЭДС), в направлении, противоположном потоку тока, изначально ответственного за создание магнитного поля. Это явление известно как закон Ленца. Следовательно, индуктивное сопротивление – это противодействие изменению тока через элемент.



Для идеальной катушки индуктивности в цепи переменного тока сдерживающее влияние на изменение протекания тока приводит к задержке или сдвигу фаз переменного тока относительно переменного напряжения. В частности, идеальная индуктивность (без сопротивления) вызовет отставание тока от напряжения на четверть цикла или на 90°.



В электроэнергетических системах индуктивное реактивное сопротивление (и ёмкостное реактивное сопротивление, однако индуктивное реактивное сопротивление более распространено) может ограничивать пропускную способность линии электропередач переменного тока, поскольку мощность не передаётся полностью, когда напряжение и ток находятся в противофазе (подробно описано выше). То есть ток будет течь для противофазной системы, однако реальная мощность в определённые моменты времени не будет передаваться, потому что будут моменты, в течение которых мгновенный ток будет положительным, а мгновенное напряжение отрицательным, или наоборот, подразумевая отрицательную мощность передачи. Следовательно, реальная работа не выполняется, когда передача энергии является «отрицательной». Однако ток всё ещё течёт, даже когда система находится в противофазе, что приводит к нагреву линий электропередачи из-за протекания тока. Следовательно, линии электропередачи могут только сильно нагреваться (иначе они физически сильно прогибаются из-за тепла, расширяющего металлические линии электропередачи), поэтому операторы линий электропередачи имеют «потолок» в отношении величины тока, который может протекать через данную линию, и чрезмерное индуктивное сопротивление ограничивает мощность линии. Поставщики электроэнергии используют конденсаторы для сдвига фазы и минимизации потерь в зависимости от схемы использования.

Индуктивное реактивное сопротивление Xl пропорционально частоте синусоидального сигналаf и индуктивности L которая зависит от геометрических размеров и формы индуктивности.

Xl=wL=2пfL

1.4 мощность электрического тока

Электри?ческая мо?щность – физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.



Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является ватт (русское обозначение: Вт, международное: W)

Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.



По определению, электрическое напряжение – это отношение работы электрического поля, совершенной при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда. То есть можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по переносу единичного заряда из точки A в точку B. Другими словами, при движении единичного заряда по участку электрической цепи он совершит работу или над ним будет совершена работа, численно равная электрическому напряжению, действующему на участке цепи. Умножив напряжение на количество единичных зарядов, мы, таким образом, получаем работу, которую совершают эти заряды при движении от начала участка цепи до его конца. Мощность, по определению, – это работа в единицу времени.



Введём обозначения:

U – напряжение на участке A-B (принимаем его постоянным на интервале^t)

Q – количество зарядов, прошедших от A к B за время ^t,

A – работа, совершённая зарядом Q при движении по участку к A-B,

P – мощность.

P=U*I

U-напряжение

I-сила тока

В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для большинства простых практических расчётов не слишком полезна непосредственно. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.



Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность – мнимой частью, полная мощность – модулем, а угол фи (сдвиг фаз) – аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.

Активная мощность;

P=U*I/cosw

Cosw-угол сдвига фаз.

Реактивная мощность

Единица измерения, по предложению Международной электротехнической комиссии, – вар (вольт-ампер реактивный); (русское обозначение: вар; международное: var). В терминах единиц СИ, как отмечено в 9-ом издании Брошюры СИ, вар когерентен произведению вольт-ампер. В Российской Федерации эта единица допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения в области «электротехника»

Q=U* I/sin w.

Реактивная мощность – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз между ними: Q=U*I*sinw (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает – отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью P соотношением;

Q=2`|S`2-P`2

Физический смысл реактивной мощности – это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Полная мощность

Единица измерения в СИ – ватт. Кроме того, используется внесистемная единица вольт-ампер (русское обозначение: В·А; международное: V·A). В Российской Федерации эта единица допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «электротехника»

Полная мощность – величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах S=U * I

Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра, амперметра и фазометра.

Для измерения коэффициента реактивной мощности применяют фазометры



Значения потребляемой электрической мощности некоторых потребителей

Электрический прибор Мощность, Вт

Лампочка фонарика 1

Сетевой роутер, хаб 10…20

Системный блок ПК 100…1700

Системный блок сервера 200…1500

Монитор для ПК ЭЛТ 15…200

Монитор для ПК ЖК 2…40

Лампа люминесцентная бытовая 5…30

Лампа накаливания бытовая 25…150

Холодильник бытовой 15…700

Электропылесос 100… 3000

Электрический утюг 300…2 000

Стиральная машина 350…2 000

Электрическая плитка 1000…2000

Сварочный аппарат бытовой 1000…5500

Двигатель лифта невысокого дома 3 000…15 000

Двигатель трамвая 45 000…75 000

Двигатель электровоза 650 000

Электродвигатель шахтной подъёмной машины 1 000 000…5 000 000

Электродвигатель прокатного стана 6 000 000…32 000 000

1.5.Электромагнитное поле

Электромагни?тное по?ле – фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.



Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета – каждое зависит от обоих – электрического и магнитного – в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компоненты напряжённости электрического поля и три компоненты напряжённости магнитного поля (или – магнитной индукции) [~ 1], а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом – в определённом отношении ещё более важным.



Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.



Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) – предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.



Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами) [~ 2]. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью – скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Известные ещё со времён античности электричество и магнетизм до начала XIX века считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.



В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.



Французский физик и математик А. Ампер в 1824 году дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).



В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции – возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.



В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого – электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.



Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории – предсказание существования электромагнитных волн – не получило прямых экспериментальных подтверждений.



В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.



В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.



Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей – абелевым калибровочным полем).

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое [~ 3] абелево [~ 4] векторное [~ 5] калибровочное [~ 6] поле. Его калибровочная группа – группа U (1).



Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле – единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) – (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия – предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой – квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач – очень и очень хорошим.



В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) – безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определённой частотой и волновым вектором различаются на один фотон).



Электромагнитное взаимодействие – это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле – одно из фундаментальных полей.



Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно – электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено её отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, а также теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них, по меньшей мере, недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека [1]. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.



Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях – на службу охраны труда.



Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

1.6.Электрическая емкость

Электри?ческая ёмкость – характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.



В Международной системе единиц (СИ) ёмкость измеряется в фарадах, в системе СГС – в сантиметрах.



Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

C=Q/w

где Q – заряд, w – потенциал проводника.

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, – к конденсатору. В этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками.

Величина обратная ёмкости называется эластанс (эластичность). Единицей эластичности является дараф (daraf), но он не определён в системе физических единиц измерений.











































3.Освещение

3.1.Электрические источники света

3.2.Осветительные приборы

3.3.Схемы питания

3.4.Монтаж и эксплуатация



Освещение:



Уличное освещение – искусственное средство оптического увеличения видимости на улице в тёмное время суток.

Искусственное освещение растений используется для стимуляции роста растений за счет излучения волн электромагнитного спектра, благоприятных для фотосинтеза.

Светодиодное освещение – разновидность освещения, для которого в качестве источников света используются светодиоды.

Глобальное освещение – ряд алгоритмов, используемых в компьютерной 3D-графике, которые предназначены для добавления более реалистичного освещения.

Освещение в фотографии

Комбинированное освещение – сочетание направленного и рассеянного света в фотографии.



Электрический источник света

Лампа накаливания – электрический источник света, излучающий в широком диапазоне (в том числе видимый свет) за счёт нагрева до высокой температуры тела (нити) накала из сплавов на основе вольфрама при протекании через него электрического тока.

Лампочка Ильича – разговорное название бытовой лампы накаливания, использовавшейся без плафона.

Галогенная лампа – разновидность лампы накаливания, в баллон которой добавлен буферный газ: пары галогенов (брома или йода)

Светодиодная лампа – осветительный прибор с использованием светодиода в качестве излучателя.

Ксеноновая лампа-вспышка.

Газоразрядная лампа – источник света, излучающий энергию в видимом диапазоне за счет электрического разряда в газах

люминесцентная лампа – газоразрядная лампа на парах ртути, светящихся в ультрафиолетовом диапазоне, в которой нанесённый на стенки колбы люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение в видимый свет.

компактная люминесцентная лампа.

газоразрядные лампа на парах ртути, светящихся в ультрафиолетовом диапазоне с колбой, прозрачной для ультрафиолета (кварцевая ртутная лампа высокого давления).

Ртутная газоразрядная лампа (Ртутная лампа)

Кварцевая лампа

Лампа чёрного света

Эксилампа

Неоновая лампа

Ксеноновая дуговая лампа

Натриевая газоразрядная лампа

Дуговая лампа – используют электрическую дугу для создания мощных источников света.



Свети?льник – искусственный источник света, прибор, перераспределяющий свет лампы (ламп) внутри больших телесных углов и обеспечивающий угловую концентрацию светового потока. Основной задачей светильника является рассеивание и направление света для освещения зданий, их внутренних помещений, прилегающих к зданиям территорий, улиц и пр. Светильники также могут выполнять декоративную функцию и функцию сигнализации.



по светотехническим функциям

осветительные приборы

светосигнальные приборы

по условиям эксплуатации

световые приборы для помещений

световые приборы для открытых пространств (уличные, садово-парковые и пр.)

по характеру светораспределения

Прямого света (прожекторы)

Преимущественно прямого света

Рассеянного света

Преимущественно отраженного света

Отраженного света

Светильник настольный светодиодный на элементах питания АА

Светодиодная часть светильника
по типу лампы
с лампой накаливания
с разрядной лампой
с лампами смешанного света
с радиоизотопными и электролюминесцентными источниками света
с электрической дуговой угольной лампой
светодиодные
по форме фотометрического тела
симметричные световые приборы
круглосимметричные световые приборы
не симметричные световые приборы
по степени защиты от пыли и воды
Все светильники классифицируются по степени защиты от окружающей среды. Для обозначения степени защиты применяются буквы «IP» и следующие за ним две цифры. Цифры означают:

Первая цифра – Защита от твердых тел и пыли

0 – Защита отсутствует; 1 – защита от твердых тел размером более 50 мм; 2 – защита от твердых тел размером более 12 мм; 3 – защита от твердых тел размером более 2.5 мм; 4 – защита от твердых тел размером более 1 мм; 5 – защита от пыли; 6 – пыленепроницаемость.

Вторая цифра – Защита от влаги

0 – Защита отсутствует; 1 – Защита от попадания капель, падающих вертикально вниз; 2 – Защита от попадания капель, падающих сверху под углом к вертикали не более 15°(оборудование в нормальном положении); 3 – Защита от попадания капель или струй, падающих сверху под углом к вертикали не более 60°, защита от дождя; 4 – Защита от попадания капель или брызг, падающих под любым углом, защита от брызг; 5 – Защита от попадания струй воды под любым углом; 6 – Защита от волн воды; 7 – Защита от попадания воды при временном погружении в воду; 8 – Защита от попадания воды при постоянном погружении в воду.

по способу крепления или установки
Светильники стационарные
потолочные
настенные (в том числе, Бра)
встраиваемые
подвесные
пристраиваемые
венчающие (в том числе, торшерные)
консольные
торцевые
Светильники нестационарные
настольные
напольные
ручные
головные
по возможности перемещения при эксплуатации
стационарные
переносные
передвижные
по способу питания лампы
сетевые
с индивидуальным источником питания
комбинированного питания

Светильник со шторками
по возможности изменения положения оптической системы
подвижные
неподвижные
по возможности изменения светотехнических характеристик
регулируемые
нерегулируемые
по способу охлаждения
с естественным охлаждением
с принудительным охлаждением
Также светильники классифицируются:

по классу защиты от поражения электрическим током;
по климатическому исполнению и категории размещения;
по пожаробезопасности.
Примеры светильников
Бра (светильник) (настенный светильник)
Люминесцентные лампы
Лампа накаливания
Люстра
Керосиновая лампа
Паникадило
Плафон (потолочный светильник)
Масляная лампа
Торшер (напольный (венчающий) светильник)











































4.Проводники и диэлектрики.
4.1.Проводниковые материалы
4.2.Диэлектрические материалы


















5.Полупроводники.
5.1.Обозначение полупроводниковых приборов
5.2.Диод

Полупроводни?к – материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия – к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).



Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.



Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76?10—19 Дж против 11,2?10—19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04?10—19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Электронные полупроводники (n-типа)



Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорным




























5.2.Диод
5.3.Резистор
5.4.Тиристор
5.5.Транзистор
5.6.Конденсатор
5.7.Интегральные микросхемы (ИМС)

Дио?д (от др.-греч. ??? [1] – два и – от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень -од происходит от др.-греч. ???? «путь» [2]) – двухэлектродный электронный компонент, обладающий различной электрической проводимостью в зависимости от полярности приложенного к диоду напряжения. Диоды обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой, но в отличие от ламп накаливания и терморезисторов, у диодов она несимметрична.



Электроды диода носят названия анод и катод. У большинства диодов (электровакуумных диодов, выпрямительных полупроводниковых диодов) при приложении прямого напряжения (то есть анод имеет положительный потенциал относительно катода) диод открыт (через диод течёт прямой ток, диод имеет малое сопротивление). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (сопротивление диода велико, обратный ток мал, и может считаться равным нулю во многих практических случаях).

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Ф. Гутри обнаружил, что отрицательно заряженный шар электроскопа при его сильном накаливании теряет заряд, но если его зарядить положительно, то заряд не теряется. Объяснить это явления в то время не могли. Это явление вызвано термоэлектронной эмиссией и затем использовалось в электровакуумных диодах с накаливаемым катодом. Термоэлектронная эмиссия были заново открыта 13 февраля 1880 года Томасом Эдисоном в его опытах по продлению срока службы накаливаемой нити в лампах накаливания, и затем, в 1883 году, запатентовано им (патент США №307031). Однако Эдисон в дальнейшем его не изучал.



Впервые диод с термоэлектронной эмиссией был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США №803684 от ноября 1905 года).



В 1874 году немецкий учёный Карл Фердинанд Браун открыл выпрямляющие свойства кристаллических диодов, а в 1899 году Браун запатентовал кристаллический выпрямитель. Джэдиш Чандра Боус развил далее открытие Брауна в устройство, применимое для приёма радиоволн. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор (патент США №836531).

Диоды бывают электровакуумные (кенотроны), газонаполненные (газотроны, игнитроны, стабилитроны коронного и тлеющего разряда), полупроводниковые и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод состоит либо из полупроводников p-типа и n-типа (полупроводников с разным типом примесной проводимости), либо из полупроводника и металла (диод Шоттки). Контакт между полупроводниками называется p-n переходом и проводит ток в одном направлении (обладает односторонней проводимостью). Некоторые типы полупроводниковых диодов не имеют p-n-перехода, например, диоды Ганна.

Электровакуумные диоды представляют собой вакуумированный баллон с двумя электродами, один из – катод – подогревается током, получаемым из специальной электрической цепи накала. При накале катода возникает термоэлектронная эмиссия и часть электронов покидает поверхность катода. Если к другому электроду – аноду – приложить положительное относительно катода напряжение, то под действием электрического поля электроны начнут двигаться к аноду создавая ток. Если к аноду приложить отрицательное напряжение, то электроны будут отталкиваться от анода и тока не будет.

Стабилитрон (диод Зенера) – диод, работающий в режиме обратимого пробоя p-n-перехода при приложении обратного напряжения. Используются для стабилизации напряжения.

Туннельный диод (диод Лео Эсаки) – диод, в котором используются квантовомеханические эффекты. На вольт-амперной характеристике имеет область так называемого отрицательного дифференциального сопротивления. Применяются в усилителях, генераторах и пр.

Обращённый диод – разновидность туннельного диода, имеющий гораздо более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем обычный диод. Принцип работы такого диода основан на туннельном эффекте.

Варикап (диод Джона Джеумма) – диод, обладающий большой ёмкостью при запертом p-n-переходе, зависящей от величины приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости, управляемых напряжением.





Конец ознакомительного фрагмента. Получить полную версию книги.


Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/timur-ahtamov/uchebnoe-posobie-dlya-elektrika/) на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.