Руководство по изучению дисциплины «Электротехника и электроника» / Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
| Вид материала | Руководство |
- Руководство по изучению Дисциплины, 1375.16kb.
- Руководство по изучению дисциплины «Системы искусственного интеллекта», 705.89kb.
- Руководство по изучению дисциплины «Локальные сети эвм», 1457.25kb.
- Хi международная научно-практическая конференция, 60.3kb.
- 12-я Международная научно-практическая конференция, 64.65kb.
- V международная научно-практическая конференция, 57.93kb.
- 12-я Международная научно-практическая конференция, 57.13kb.
- 12-я Международная научно-практическая конференция, 64.65kb.
- Х международная научно-практическая конференция, 66.74kb.
- 12-я Международная научно-практическая конференция, 64.48kb.
К
Федеральное агентство по образованию
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета
(Новочеркасского политехнического института)
АФЕДРА МАТЕМАТИКИ, ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ Меньшенин С.Е.
Руководство по изучению
дисциплины «Электротехника и электроника»
Шахты 2005
Меньшенин С.Е. Руководство по изучению дисциплины «Электротехника и электроника» / Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).- Шахты, 2005.-151 с.
Рассмотрено и обсуждено на заседании кафедры математики, информационных систем и технологий
«_____»______________ 2005 г. Протокол № ______
Зав.кафедрой А.М. Безуглов
© Меньшенин С.Е., 2005г.
© Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), 2005 г.
Содержание
- Основные сведения об авторах 4
- Место дисциплины в процессе подготовки специалиста 4
- Для изучения данной дисциплины студент должен знать 5
- Перечень основных тем изучаемой дисциплины 6
4.1. Тема 1. Электрические цепи постоянного тока 6
4.2. Тема 2. Электрические и магнитные поля 11
4.3. Тема 3. Электрические цепи переменного тока 17
4.4. Тема 4. Трехфазные и нелинейные электрические цепи
переменного тока. Переходные процессы в электрических цепях 21
4.5. Тема 5. Электрические измерения. Электроизмерительные
приборы и их погрешности 27
4.6. Тема 6. Основы электроники. Компоненты электронных схем 29
- Список литературы ..40
- Глоссарий ..41
- Средства обеспечения освоения дисциплины ..116
- Материально-техническое обеспечение дисциплины ..117
- Перечень лабораторных работ ..117
- Рейтинг-план…………………………………………………………...118
- Тесты для самоподготовки и рубежного тестирования ..120
- Дополнительные тесты ..142
1. Основные сведения об авторах
| Фамилия, имя, отчество | Меньшенин Сергей Евгеньевич |
| ^ Ученая степень, ученое звание | Кандидат технических наук |
| Место работы, должность | Кафедра МИСТ, доцент |
| ^ Рабочий телефон | (8636) 22-15-74 |
| | |
| Страница на сайте ШИ (ф) ЮРГТУ(НПИ) | |
- ^ Место дисциплины в процессе подготовки специалиста
Аннотация:
В настоящее время электрическая энергия является основным видом энергии, обеспечивающим нормальную жизнь современного общества. Единственным недостатком электрической энергии является невозможность запасать ее в больших количествах и сохранять эти запасы в течении длительного времени. Запасы электрической энергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных устройств, причем сроки ее хранения ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда, когда ее требует потребитель, и в том количестве, в котором она ему необходима.
Непрерывное расширение области применения электрической энергии влечет за собой глубокое внедрение электротехники во все отрасли промышленности, сельского хозяйства и быта, а это требует дальнейшего подъема электровооруженности труда, широкой автоматизации производственных процессов и использования автоматизированных систем управления.
^ Формы проведения занятий: лекции (68 часов), лабораторные работы (34 часа).
Формы контроля: курсовая работа, рубежный контроль, зачет экзамен.
Ведущий преподаватель: С.Е. Меньшенин, к.т.н., доцент кафедры МИСТ
Цель: получить необходимые теоретические знания и уметь анализировать энергетические процессы в электрических и магнитных цепях, производить расчеты цепей по заданным параметрам, а также определять параметры по заданным условиям работы цепей в электротехнических устройствах
Задачи: Подготовка инженеров не электротехнических специальностей, позволяющая располагать системой знаний, умений и навыков в актуальных для них областях, связанных с электротехникой и электроникой.
^ Сфера профессионального использования:
Курс «Электротехника и основы электроники» служит базой для курса «Микроэлектроника и схемотехника» и будет необходим при глубоком изучении архитектуры и функциональных возможностей новых операционных систем и компьютерных технологий.
^ Список специальностей (специализаций), для которых предназначен курс:
Курс предназначен для студентов 2-го курса, обучающихся по специальности 230201 «Информационные системы и технологии»
^ 3. Для изучения данной дисциплины студент должен знать следующие разделы (определения, понятия, законы):
- из математики: системы обыкновенных дифференциальных уравнений, производная и дифференциал, определенный интеграл;
- из физики: электричество и магнетизм, электростатика, электрический заряд; закон взаимодействия точечных зарядов (закон Кулона), закон сохранения электрического заряда, электростатическое поле и напряженность, электрический потенциал, работа сил поля при перемещению заряда, электрическая индукция, распределения заряда на проводнике, электрическая емкость проводников, энергия электрического поля, постоянный электрический ток, электрический ток, закон Ома для участка цепи, электродвижущая сила, закон Джоуля-Ленца, закон Кирхгофа для разветвленной цепи, определение заряда электрона из законов Фарадея, сверхпроводимость, электрический ток в вакууме, газах и жидкости, термоэлектронная эмиссия, электрический ток в вакууме, газах, магнитное поле тока, магнитное взаимодействие токов, магнитная индукция, напряженность магнитного поля, электромагнитная индукция, самоиндукция и взаимная индукция, сопротивление в цепи переменного тока, физика твердого тела, полупроводники, системы единиц и универсальные постоянные.
^ 4. Перечень основных тем
4.1. Тема 1. Электрические цепи постоянного тока
4.1.1. Электрические цепи постоянного тока. Начальные сведения об электрическом токе
Характеристика дисциплины и ее связь с другими дисциплинами учебного плана, ее роль в области развития науки, техники и технологии; экологические последствия развития электроэнергетики.
Электрическая энергия, ее свойства и применение. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития производства электроэнергии. Понятия о формах материи: вещество и поле. Элементарные частицы и их электромагнитное поле. Электрический заряд. Электромагнитное поле как особая форма материи, его составляющие. Электростатическое поле.
Закон Кулона. Основные характеристики электрического поля: напряженность, электрический потенциал, электрическое напряжение. Проводники в электрическом поле.
^ 4.1.2. Электрический ток
Электропроводимость. Классификация веществ по степени электропроводимости. Физическое явление электрического тока и его разновидности: ток проводимости, ток переноса, ток смещения. Стационарное электрическое поле в проводнике.
Электрический ток в проводниках: величина и направление тока проводимости, плотность тока проводимости. Удельные электрические проводимость и сопротивление, электрическая проводимость и сопротивление проводников. Закон Ома. Зависимость сопротивления проводников от температуры. Понятие о сверхпроводимости. Резисторы и их вольт-амперные характеристики.
Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия, ее практическое использование.
Электрический ток в полупроводниках. Типы электропроводимости полупроводников. Электронно-дырочный переход, вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
^ 4.1.3. Электрическая цепь
Элементы электрических цепей и их классификация. Электродвижущая сила (ЭДС), мощность и коэффициент полезного действия источника электрической энергии. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Энергия, мощность и коэффициент полезного действия приемника электрической энергии. Количественное выражение энергии при нагревании проводника электрическим током. Закон Джоуля-Ленца.
Режим электрический цепей, работа источника электрической энергии на приемник с изменяющимся сопротивлением. Схемы замещения источников ЭДС и тока, приемников электрической энергии. Понятие о пассивных и активных элементах электрических цепей.
^ 4.1.4. Расчет электрических цепей постоянного тока
Цели и задачи расчета электрических цепей. Законы Кирхгофа. Неразветвленная электрическая цепь. Последовательное соединение пассивных элементов, эквивалентное сопротивление резисторов. Потери напряжения в проводах, делитель напряжения. Последовательное соединение источников ЭДС. Потенциальная диаграмма неразветвленной электрической цепи.
Разветвленная электрическая цепь с двумя узлами. Параллельное соединение пассивных элементов, эквивалентное сопротивление резисторов. Электрическая проводимость ветвей. Смешанное соединение пассивных элементов.
Расчет электрических цепей методом преобразования схем. Расчет электрических цепей с двумя узлами методом узлового напряжения.
Метод узловых и контурных уравнений. Метод контурных токов. Метод наложения токов. Четырехполюсники.
^ 4.1.5. Нелинейные электрические цепи постоянного тока
Нелинейные элементы электрических цепей постоянного тока. Практическое применение нелинейных элементов. Вольт-амперная характеристика нелинейных элементов. Статическое и динамическое сопротивление нелинейных элементов.
Графический расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока при последовательном, параллельном и последовательно-параллельном соединении элементов.
Изучив данную тему, студент должен:
иметь представление:
- о принципах проектирования и методах расчета электрических цепей постоянного тока;
- о принципе действия электроустановок, электроприборов постоянного тока, гальванических линий, установок электросварки, приборов освещения и т. п.;
знать:
- основные законы постоянного тока: Кулона, Ома, Кирхгофа, Джоуля – Ленца;
- основные методы расчета линейных и нелинейных цепей и устройств постоянного тока;
уметь:
- подбирать параметры элементов по заданным условиям работы цепей и устройств постоянного тока;
- выполнять расчеты цепей постоянного тока;
владеть навыком:
- сборки электрических схем.
При изучении темы необходимо:
- читать пособия [1 – 5, 8, 10, 11] (основная часть предлагаемого материала представлена в электронном виде);
- акцентировать внимание на следующих понятиях: законы: Кулона, Ома, Джоуля-Ленца, Кирхгофа, методы расчета электрических цепей постоянного тока.
Для самооценки темы необходимо ответить на вопросы:
- Сформулируйте закон Кулона.
- Перечислите основные характеристики электрического поля и дайте их определения
- Что такое электрическая энергия? Перечислите ее свойства.
- Назовите элементы электрической цепи и энергетические процессы, происходящие в основных элементах цепи.
- Что такое ток, плотность тока, ЭДС и напряжение в электрической цепи?
- Запишите математическое выражение закона Ома для участка цепи и замкнутой цепи и их производные?
- Запишите зависимость электрического сопротивления от длины, сечения проводника и температуры.
- Дайте определение ветви, узла и контура электрической цепи. Какие ветви электрической цепи называют активными, а какие пассивными?
- Проанализируйте закон сохранения энергии для замкнутой электрической цепи и уравнение баланса мощностей для нее.
- Охарактеризуйте режимы работы электрической цепи: холостой ход; короткое замыкание; режим максимальной отдачи мощности источником.
- Чем опасен режим короткого замыкания?
- Какие цепи называются линейными, а какие нелинейными?
- Как определяется величина и направление тока в неразветвленной цепи с несколькими ЭДС?
- Как определяется напряжение на клеммах источника, работающего в режиме генератора и в режиме потребителя?
- Как определяются потенциалы точек электрической цепи?
- Дайте определение первого и второго законов Кирхгофа.
- Как используются законы Кирхгофа для расчета сложных электрических цепей?
- Каковы признаки и особенности последовательного и параллельного соединения потребителей?
- Как определяются сопротивления при преобразовании звезды в эквивалентный треугольник и наоборот?
- В чем заключается метод наложения?
- Когда и как можно применять метод узлового напряжения?
- Как работает потенциометр?
- В чем заключается метод контурных токов от метода узлового напряжения и контурных уравнений?
- Что такое вольтамперная характеристика прибора, и какой она имеет вид для линейного и нелинейного сопротивлений?
- Что такое статическое и динамическое сопротивление нелинейного элемента? Как определяются эти сопротивления с помощью вольтамперных характеристик?
- Как определяются сопротивления нелинейных элементов в заданном режиме работы цепи?
^ 4.2. Тема 2. Электрические и магнитные поля
4.2.1. Электрическое поле
Цели и задачи расчета электрических полей. Применение закона Кулона для расчета электрического поля. Применение теоремы Гаусса для расчета электрического поля.
Электрическое поле в однородном диэлектрике. Поляризация диэлектрика. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Сегнетоэлектрики, электреты. Потери энергии в диэлектриках.
Электрическая емкость, расчет ее величины. Электрический пробой и электрическая прочность диэлектрика. Электрическое поле на границе двух сред с различными величинами диэлектрической проницаемости. Электростатические цепи и их расчет.
Энергия электрического поля конденсатора.
^ 4.2.2. Магнитное поле
Закон Ампера. Магнитная индукция. Проводник с током в магнитном поле. Применение закона Ампера для расчета магнитной индукции. Применение уравнения полного тока для расчета магнитной индукции.
Магнитный поток, потокосцепление. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Магнитное потокосцепление собственное и взаимное. Индуктивность, индуктивность собственная и взаимная. Коэффициент магнитной связи. Расчет индуктивности катушки, двухпроводной линии.
Магнитные свойства вещества. Намагничивание и намагниченность веществ. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Закон полного тока. Магнитное поле на границе двух сред с различными величинами магнитной проницаемости.
Энергия магнитного поля катушки с током. Энергия магнитного поля в системе магнитно-связанных катушек. Механические силы и магнитное поле. Тяговое усилие электромагнита. Силы взаимодействия двух параллельных проводников с токами.
^ 4.2.3. Магнитные цепи
Намагничивание ферромагнитных материалов. Магнитный гистерезис. Основная кривая намагничивания. Магнитно-твердые, магнитно-мягкие материалы.
Магнитные цепи, цели и задачи расчета магнитных цепей. Магнитное сопротивление. Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи. Расчет разветвленной магнитной цепи.
^ 4.2.4. Электромагнитная индукция
Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Электродвижущая сила в проводнике, движущемся в магнитном поле.
Применение закона электромагнитной индукции в практике. Явление и ЭДС самоиндукции, явление и ЭДС взаимоиндукции. Принцип работы трансформатора. Вихревые токи, их использование и способы ограничения.
Изучив данную тему, студент должен:
иметь представление:
- о принципах проектирования магнитных и электростатических цепей и методах их расчета;
- о принципах действия электроустановок и аппаратов: генераторов, двигателя постоянного тока, трансформатора и т. п.;
знать:
- основные понятия об электрических и магнитных полях, их характеристиках;
- основные законы Кулона, Ампера, полного тока, Ома, Кирхгофа, Фарадея, Ленца, их применение для расчета электростатических и магнитных цепей;
уметь:
- выполнять расчеты электростатических и магнитных полей;
производить обработку экспериментальных данных, выполнять графические зависимости.
При изучении темы необходимо:
- читать пособия [1 – 5, 8] (основная часть предлагаемого материала представлена в электронном виде);
- акцентировать внимание на следующих понятиях: законы: Кулона, Ленца, Кирхгофа, Ампера, полного тока, Ома Фарадея; способы расчета электростатических и магнитных полей.
Для самооценки темы необходимо ответить на вопросы:
- Чем отличается заряженное тело от не заряженного?
- Чем создается и чем характеризуется электрическое поле?
- Что такое напряженность, как направлен вектор напряженности и чему равна величина напряженности в каждой точке?
- Что такое потенциал и напряжение электрического поля и каково соотношение между напряженностью и напряжением?
- Что такое поток вектора напряженности?
- Напишите математическое выражение теоремы Гаусса.
- Что такое электропроводность и чем характеризуется электропроводность проводников, диэлектриков и полупроводников?
- Охарактеризуйте электропроводность проводников первого и второго рода.
- Охарактеризуйте электропроводность диэлектриков.
- Как ведут себя проводники и диэлектрики в электрическом поле?
- Что такое поляризация диэлектрика и от чего зависит ее интенсивность?
- Что такое пробой диэлектрика?
- Охарактеризуйте электропроводность полупроводников.
- Как изменится сила взаимодействия между двумя заряженными телами с зарядами Q и q, если при q = const заряд Q увеличить в два раза, причем расстояние между зарядами также удвоится?
- Как изменится сила взаимодействия между двумя заряженными телами с зарядами, если разделяющий их воздух заменить дистиллированной водой?
- Изменится ли напряженность поля уединенного точечного заряженного тела в данной точке, если знак заряда тела изменить на противоположный, а значение заряда оставить неизменным?
- Совершается ли работа при перемещении пробного заряженного тела по поверхности сферы, в центре которой находится точечное заряженное тело?
- Может ли существовать электрическое поле в металлическом проводнике?
- Какие заряды перемещаются в металле в процессе электростатической индукции?
- Сохраняется ли поле разделенных зарядов внутри металла, если убрать внешнее поле?
- Будет ли защищено внешнее пространство от поля Q (положительно заряженное тело), заключенного в металлический экран?
- Может ли поле поляризованного диэлектрика полностью компенсировать внешнее электростатическое поле?
- Какими признаками характеризуется твердый диэлектрик в состоянии пробоя?
- Нужно ли изменять емкость конденсатора, чтобы при неизменном напряжении между его пластинами заряд увеличился? Если да, то как?
- Как изменится емкость и заряд на пластинах конденсатора, если напряжение на его зажимах повысится?
- При неизменном напряжении увеличится расстояние между пластинами конденсатора. Как изменится при этом заряд конденсатора?
- Что представляет собой конденсатор, и какие различают конденсаторы?
- От чего и как зависит емкость плоского конденсатора?
- Назовите признаки и особенности параллельного и последовательного соединения конденсаторов?
- Когда применяется смешанное соединение конденсаторов?
- Назовите примеры практического применения конденсаторов?
- Что такое магнитное поле и как оно связано с электрическим током по величине и направлению?
- Что такое магнитная индукция, и от чего она зависит?
- Что такое магнитный поток?
- Чем характеризуются диа-, пара- и ферромагнитные материалы?
- Что такое напряженность магнитного поля, и как она связана с индукцией (соотношение)?
- Сформулируйте и запишите закон полного тока.
- Как определяется напряженность внутри и за пределами проводника с током?
- Как определяется напряженность внутри кольцевой и цилиндрической катушек?
- Что такое электромагнитная сила, и как определяется ее величина и направление?
- Как определяется величина и направление силы взаимодействия двух параллельных проводников с током?
- Охарактеризуйте кривые намагничивания ферромагнитных материалов.
- Что представляет собой петля гистерезиса?
- Что такое остаточная индукция и коэрцитивная сила?
- Что такое потери на перемагничивание, и от чего они зависят?
- Чем характеризуются магнитно-мягкие и магнитно-твердые ферромагнитные материалы? Где они применяются?
- Что представляют собой магнитные цепи, и как они классифицируются?
- Запишите и проанализируйте закон Ома для магнитной цепи.
- Охарактеризуйте согласное и встречное включение обмоток.
- В какой последовательности решается прямая и обратная задачи расчета однородной магнитной цепи?
- Как решается прямая задача расчета неоднородной неразветвленной магнитной цепи?
- Как решается обратная задача расчета неоднородной неразветвленной
магнитной цепи?
- Как рассчитываются разветвленные магнитные цепи?
- В чем заключается явление электромагнитной индукции, и как определяется величина и направление ЭДС электромагнитной индукции в проводнике?
- Сформулируйте в объясните правило Ленца.
- Как определяются ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре и катушке?
- Что такое индуктивность, и от чего она зависит для кольцевой нагрузки?
- В чем заключается явление самоиндукции, и как определяется ЭДС самоиндукции?
- Как определяется величина энергии магнитного поля?
- Что такое взаимная индуктивность магнитно-связанных контуров или катушек?
- От чего зависит взаимная индуктивность двух магнитно-связанных катушек?
- Что такое коэффициент связи, и в каких пределах он может изменяться?
- В чем заключается явление взаимоиндукции, и как определяется ЭДС взаимоиндукции в каждой из магнитно-связанных катушек?
- Что такое вихревые токи?
- Как в электромагнитах уменьшают потери от вихревых токов?
- Где используются вихревые токи?