2. Программа дисциплины «Электротехника»

Введение

Электрическая энергия, ее свойства и применение. Производство и распределение электрической энергии. Роль электрификации в развитии экономики. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития производства электроэнергии.

Раздел 1 Электрические цепи постоянного тока

Студент должен:

иметь представление: о физических процессах в электрических цепях, методах преобразования электрической энергии, принципе действия электрических приборов;

знать: основные законы постоянного тока (Ома, Кирхгофа, Джоуля - Ленца), основные методы расчета линейных цепей постоянного тока;

уметь: подбирать параметры элементов по заданным условиям работы цепей и устройств постоянного тока; выполнять расчеты цепей постоянного тока; измерять параметры электрической цепи;

владеть навыком: сборки и проверки работоспособности электрических схем.

Тема 1.1 Физические процессы в электрических цепях

Понятие о свойствах материи: вещество и поле. Электрический ток в различных средах: ток проводимости, ток переноса, ток смещения. Понятие электропроводности. Электрический ток в проводниках: величина и направление тока проводимости, плотность тока. Электропроводность проводника. Удельная электрическая проводимость и сопротивление проводников. Понятие о сверхпроводимости. Резисторы и их вольтамперные характеристики. Промышленные резисторы и их технические характеристики. Преобразование электрической энергии в теплоту. Закон Джоуля - Ленца. Токовая нагрузка проводов и защита их от перегрузок.

Элементы электрических цепей и их классификация. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Физические основы работы источника ЭДС, электродвижущая сила источника и напряжение на его зажимах. Работа источника в режиме генератора и потребителя. Энергетические соотношения в электрических цепях, баланс мощностей, коэффициент полезного действия источника ЭДС. Режимы работы цепи: холостой ход, короткое замыкание, режим передачи максимальной мощности. Потери напряжения в проводах. Выбор сечения проводов и кабелей по допустимому нагреву, по допустимой потере напряжения. Закон Ома для участка и полной цепи. Эквивалентное сопротивление цепи при последовательном, параллельном и смешанном соединениях резисторов.

Лабораторно-практические занятия № 1, 2, 3

Тема 1.2 Расчет электрических цепей постоянного тока

Цели и задачи расчета электрических цепей. Неразветвленная электрическая цепь с несколькими источниками, потенциальная диаграмма. Параллельное соединение источников. Первое и второе правила Кирхгофа. Способы соединения приемников, расчет методом «свертывания цепи». Взаимное преобразование треугольника сопротивлений и трехлучевой звезды. Методы расчета электрических цепей: наложения, узлового напряжения, узловых и контурных уравнений, контурных токов. Понятие об активном и пассивном двухполюснике. Метод эквивалентного генератора.

Нелинейные элементы электрических цепей постоянного тока, их практическое применение. Статическое и динамическое сопротивление нелинейных элементов. Графоаналитический метод расчета цепей постоянного тока с нелинейными элементами.

Вопросы и задачи для самопроверки:

1. Дайте определения понятий и запишите следующие формулы:

• электрический ток проводимости

• сила тока

• плотность тока

• сопротивление

• удельное сопротивление

• зависимость сопротивления от размеров проводника

• зависимость сопротивления от температуры

• напряжение, падение напряжения

• мощность (источника, потребителя, потерь)

• потери напряжения в линии

• режим холостого хода

• режим короткого замыкания

• режим согласованной нагрузки

2. Запишите законы:

• Джоуля - Ленца

• Ома

• Кирхгофа

• последовательного соединения потребителей

• параллельного соединения потребителей

3. Что понимают под электропроводностью материала? Дайте понятие проводника, диэлектрика, полупроводника.

4. Начертите схему электрической цепи, состоящую из источника, выключателя, предохранителей и двух потребителей (ламп), соединенных параллельно. Как изменятся параметры цепи (U, I, R) при перегорании одной из ламп?

5. Дайте определение электродвижущей силы, напряжения и падения напряжения на участке цепи. Определите ЭДС источника, напряжение на его зажимах и падение напряжения на его внутреннем сопротивлении, если по цепи проходит ток 2А, внутреннее сопротивление источника 0,5 Ом и внешнее сопротивление цепи 9,5Ом? (20 В, 19 В, 1 В)

6. Имеются два источника тока с внутренними сопротивлениями 0,1 и 0,5 Ом. Какой из них необходимо выбрать, чтобы изменение тока в нагрузке в меньшей степени сказывалось на значении напряжения на его зажимах? Почему?

7. Напишите формулы для определения ЭДС батареи, ее внутреннего сопротивления при последовательном и параллельном соединении источников.

8. Как изменится количество теплоты, выделяющейся в электронагревательном приборе, при ухудшении контакта в штепсельной розетке?

9. Напишите формулы сопротивления проводника через его удельное сопротивление и электрическую проводимость. Как изменится сопротивление проводника при одновременном увеличении его длины в 4 раза, а диаметра в 2 раза?

10. Для определения длины медного провода катушки к ней приложили напряжение 4В и измерили ток в цепи, который оказался равным 0,5 А. Диаметр провода 0,8 мм. Найдите длину провода. (213 м)

11. Медный провод диаметром 1,2 мм имеет длину 120 м. Определите его сопротивление при температурах 20^оСи 80^оС. (1,85 Ом; 2,29 Ом)

12. Электрическая лампа номинальной мощностью 100 Вт включена в сеть с напряжением 220 В. Из-за плохого контакта в штепсельной вилке прибора напряжение на лампе снизилось до 200В, а ток лампы составил 0,43 А. Сколько теплоты выделилось в вилке за 1 мин? Во сколько раз уменьшилось количество теплоты, выделяемой в нити накаливания лампы? (516 Дж, в 1.16 раз)

13. Электрическая печь рассчитана на напряжение 220 В и ток 5 А. Какую энергию расходует печь за 4 часа работы? (4,4 кВт*ч)

14. Какое явление называется коротким замыканием цепи? Каким должно быть соотношение между температурой плавления плавкой вставки предохранителя t_пред и температурой плавления проводов t_пров?

15. Напишите формулу для определения потери напряжения в проводах. Как изменится напряжение в конце линии, если в ее середине произойдет короткое замыкание? Чему равен КПД линии электропередачи напряжением 220В, если в ней теряется 10В? (94,5%)

16. Как нагреваются провода из одного и того же материала одинаковой длины, но разного диаметра, при одном и том же токе?

17. Последовательно включены резисторы: R₁ = 10 Ом, R₂ = 15 Ом, R₃ = 6 Ом. Чему равно общее сопротивление цепи? Каким будет падение напряжения на третьем резисторе, если к цепи приложено напряжение 62 В? (31 Ом, 12 В)

18. Резисторы, указанные в предыдущем вопросе, соединили параллельно и включили в цепь с напряжением 60 В. Чему равно общее сопротивление цепи и ток во втором резисторе? (3 Ом, 4 А)

19. Две лампы мощностью 200 и 25 Вт, рассчитанные на напряжение 127 В, соединили последовательно и включили в цепь с напряжением 220 В. Какой накал будет у каждой лампы? (24 В, 196 В) Что произойдет с лампами?

20. Для питания 40 ламп требуется проложить в трубе два медных одножильных провода (прямой и обратный). Определить их сечение, если напряжение сети 120В, а мощность каждой лампы 150Вт. (10 мм²)

21. Напишите формулы для ЭДС источника, работающего в режиме и генератора и потребителя. Какие направления в этом случае имеют ЭДС и ток в контуре?

22. Сформулируйте второй закон Кирхгофа для замкнутого контура с несколькими ЭДС. Как определяется знак каждой ЭДС при записи уравнения?

23. Сложная цепь содержит 4 узла и 5 ветвей. Сколько уравнений для ее расчета нужно написать на основании первого и второго законов Кирхгофа? (3; 2)

24. Определите напряжение на нагрузке при питании ее четырьмя последовательно включенными источниками, имеющими ЭДС по 6 В и внутренние сопротивления по 20 Ом каждый, если в цепи протекает ток 0,1 А. (16 В)

25. Назовите отличия линейных и нелинейных цепей.

26. Назовите элементы, относящиеся к нелинейным. Приведите их условное изображение на электрической схеме.

27. Как построить результирующую вольтамперную характеристику при последовательном соединении нелинейных элементов?

28. Как построить результирующую вольтамперную характеристику при параллельном соединении нелинейных элементов?

29. Два одинаковых нелинейных элемента R₁ и R₂, характеристика которых задана таблицей, и линейное сопротивление R₃ = 3 Ом соединены последовательно. Определить графически общее напряжение U₁₂₃, приложенное к цепи, если ток в первом элементе I₁ = 5 А.

    U, В	0	6	7	10	11	11,5
    I, А	0	3	5	10	15	20

30. Два одинаковых нелинейных сопротивления, ВАХ каждого из которых приведена в таблице, соединены параллельно. Определить графически ток в неразветвленной части цепи, если напряжение на лампах U₁₂ = 25 В.

U, В	0	10	20	30	40	50
I, А	0	0,4	0,55	0,62	0,65	0,7

В ыполните контрольную работу №1. Часть 1. «Методы расчета цепей постоянного тока» (Приложение А)