Васил Левски " Факултет "



страница1/4
Дата31.12.2017
Размер0.53 Mb.
  1   2   3   4


Министерство на отбраната
Национален военен университетВасил Левски

ФакултетАртилерия, ПВО и КИС

Доц. д-р инж. Георги П. Георгиев




Теоретична

Eлектротехника
Част първа

Шумен


2005

В първата част на учебника по теоретична електротехника се прави въведение в електромагнетизма и се разглеждат линейните електрически вериги със съсредоточени параметри и методите за анализ на установените режими. Материалът е съобразен с действащата програма по учебната дисциплина “Теоретична електротехника”.

Учебникът е предназначен за обучаващите се (редовно и задочно) по специалностите “Комуникационна техника и технологии” и “Компютърни системи и технологии” в Националния военен университет “Васил Левски”. Той може да се използва и от обучаващи се в други висши училища, където се изучава дисциплината “Теоретична електротехника”, както и от инженери които се интересуват от проблемите свързани с анализа на линейни електрически вериги със съсредоточени параметри.

© Георги Панайотов Георгиев, 2005

© НВУ “В. Левски”, факултет “Артилерия, ПВО и КИС”,2005

ISBN 954-9681-10-6



ПРЕДГОВОР

Първата част на учебника по теоретична електротехника включва въведение в електромагнетизма и теорията на линейните електрически вериги със съсредоточени параметри при установените режими.

Учебникът има следната структура. В глава първа са изложени основните понятия и зависимости за електрическото поле. В глава втора се разглеждат основните зависимости между електрическия ток и магнитното поле, и закона за електромагнитна индукция.

В глава трета са дадени основните понятия за електрическите вериги. Тук се разглеждат най- използваните методи за изчисление на линейни електрически и магнитни вериги при постоянен ток. В глава четвърта се разглеждат линейните електрически вериги при периодични синусоидални режими, като е обърнато внимание на физическите явления. В тази глава се разглежда символичния метод и неговото приложение за изчисление на сложни електрически вериги с индуктивни връзки.

Възприетата терминология в изложението съответства на действащите у нас стандарти (БДС- ISO) и на документите на Международната електротехническа комисия (IEC).

Включените в текста примери служат да илюстрират определени теоретични положения и са непосредствено свързани с успешното усвояване на съответните въпроси.

Авторът

ГЛАВА ПЪРВА
Основни понятия за електрическото поле


    1. Електрическо поле

      1. Форми на движение на материята

Категорията материя представлява изходно и фундаментално понятие във философията, научен светоглед като цяло. В него се концентрира огромния запас от човешки знания за заобикалящата го среда, за самия човек, за обективните условия и закономерности на развитие на обществото и човешките познания.

Най- важното свойство на материята е движението. То е несътворимо и неунищожимо, както и самата материя. Видимото многообразие на природните явления представлява различни форми на движение на материята. Всичко в света от най- малките известни на нас частици до галактиките и свръхгалактиките се намира в непрекъснато движение.

Движението- това е всеобщо обективно състояние на материята, изразяващо вътрешно присъщата ù активност. Източник на движение се явява противоречивостта, свойствена за материята във всичките ù видове и форми. Известни са пет основни форми на движение на материята, а именно: механическа, физическа, химическа, биологическа и социална. Всяка следваща форма на движение на материята е по- висша от предходната.

Електрическите явления и процеси се разглеждат като физическа форма на движение на материята. Физическата форма се проявява във вид на две специфични подгрупи: под атомно и молекулярно- физическо движение. Под атомното включва движение на макро обектите- елементарните частици и полета, вътрешно ядрените процеси и други. Молекулярно- физичното движение включва топлина, звук, процесите на прекристализация и смяна на агрегатните състояния, движение на газовете, течностите и твърдите тела, такива като намагнитеност и други.

Материята съществува в пространството и във времето. Те са форми на нейното битие. Тъй като физическата форма изучава най- общите свойства и закономерности на вечно движещата се материя, пространството и времето са нейни основни понятия.




      1. Физическо поле и вещество

Различните видове неща, които съществуват обективно- реално, независимо от нашето съзнание, се отразяват във философската категория материя. Тя обединява две общи разновидности. Едната е широко позната под името вещество. Другата има по- различно естество и се нарича физическо поле.

Веществото и полето са неразривно свързани с пространството. Отделното пространство, в което са налице само физическо поле, се нарича пустота. Без наличието на поле разглеждането на пусто (празно) пространство няма реален смисъл.

Посочените две общи разновидности на материята се намират в определени взаимоотношения помежду си. Така физическото поле изменя състоянието на веществото. На свой ред веществото влияе върху полето. Веществото и полето са проницаеми едно спрямо друго, като различните полета могат да заемат едновременно един и същ обем.

Както веществото, физическото поле се характеризира със свойства, явления и процеси, които се дефинират във всяка точка от дадена пространствена област и имат непрекъснато разпределение.

Всички физически явления и процеси, които се развиват в полето и във веществото, се подчиняват на едни и същи принципи и закони. Това са принципите за съхранение на веществото и полето и на основните им свойства- маса (материална) и енергия, законите за взаимоотношенията между тези свойства, за съхранението на количеството движение и на неговия момент.




      1. Електрическо поле и електрически заряд

Електрическото поле е особен вид материя, която се характеризира с не прекъснатост на разпределение в пространството (електромагнитни вълни, полето на заредените частици) и показващо дискретност (прекъснатост) на структурата (фотони), характеризиращо се в свободно състояние със способността да се разпространява в пустота (при отсъствие на силни гравитационни полета) със скорост, близка до 3.108 m/ s, оказващо силово въздействие на заредените частици в зависимост от тяхната скорост.

За характеристика на електромагнитните явления е необходимо да се въведат нови понятия, които не се разглеждат в механиката, и които по принцип не могат напълно да бъдат определени само чрез величините достатъчни за построяване на механиката, например само чрез маса, дължина и време. Необходимо е да се въведе четвърта основна величина, отразяваща спецификата на електромагнитните явления. За такава може да бъде избрана коя да е електромагнитна величина, например електрическия заряд. Количествено, електрическият заряд на частиците от материята или телата може да бъде определен само по тяхното взаимодействие с други електрически заредени частици или други заредени тела, или също по тяхното взаимодействие с външни електромагнитни полета.

Електрическият заряд е свойство на частиците от материята (веществата) или телата, характеризиращо тяхната взаимна връзка със собствените им електромагнитни полета и тяхното взаимодействие с външни електромагнитни полета.

Има два вида електрически заряди, известни като положителен заряд (заряда на протона, позитрона и други) и отрицателен заряд (заряда на електрона и други). Количествено електрическият заряд се определя по силовото взаимодействие на телата, притежаващи електрически заряди. Общоприето е отрицателният знак да се преписва на електрона, а положителният знак- на заряда на протона.

Количествено електрическия заряд е скаларна физическа величина. Тя носи същото име - електрически заряд (нарича се още електрически товар, количество електричество, електрическа маса) и се означава с Q. Физическата единица за електрическия заряд в система SI се нарича кулон и се означава с С. Силовото действие на електромагнитното поле върху електрическия заряд е основно отличително свойство на това поле спрямо другите видове материя.




      1. Вещество

Веществото не заема целия обем на телата и има прекъсната (дискретна) структура. Тя е от кристализиран (подреден) тип при металите и от кристализиран или аморфен (неподреден) тип при неметалните твърди тела. Аморфни тела са например различните видове стъкло, изкуствени пластични материали и други.

Когато физическите свойства във всички обемни елементи на разглежданата веществена среда са еднакви, се казва, че тя е еднородна. Ако във всички направления във всеки обемен елемент средата притежава еднакви свойства, тя се нарича изотропна. Ако във всички направления във всеки обемен елемент средата притежава различни свойства, тя се нарича анизотропна (неизотропна).


      1. Диелектрици, полупроводници и проводници

Зонната теория е квантовомеханична теория за движението на валентните електрони в кристалната решетка на твърдото тяло. Това движение може предварително да се опише с уравнението на Шрьодингер.

Свободният електрон може да има всякакви стойности на енергията, т.е. енергетичният му спектър е непрекъснат. Не свободният електрон, напротив, може да има само определени дискретни енергии (прекъснат спектър на енергията).

В твърдите тела разрешените стойности на енергията на електрона образуват квазинепрекъснати ( почти непрекъснати) области или зони, състоящи се от голям брой нива, разположени на около 10-22 eV едно от друго. Ширината на зоната на разрешените енергии е от 1 до 10 eV и зависи от разстоянието между атомите в кристала, но не и от броя им.

Разрешените зони съответстват на енергетичните нива на електрона в изолирания атом. В идеален кристал разрешените зони може да са разделени една от друга с интервал W от стойности на енергията, която електронът не може да притежава. Тази област от непозволени стойности на енергията се нарича забранена зона.

Разрешените зони може да са изцяло или частично запълнени с електрони или пък да са съвсем незаети. Изцяло запълнените зони се наричат валентни зони, а незаетите или частично запълнените зони- зони на проводимост.

От характера на енергетичния спектър на електроните зависят електрическата проводимост, оптическите, механическите и други свойства на твърдото тяло. Зонната теория дава възможност да се обясни съществената разлика в свойствата на диелектриците, полупроводниците и проводниците. Всички те са изградени от атоми, разстоянията и енергията на взаимодействието, на които са от един и същи порядък.

Ако в дадено тяло разрешените енергетични зони са изцяло запълнени с електрони и са отделени със значителен интервал Δ W от липсващите над тях незаети зони, то при нормални условия електроните от запълнените зони не участват в електрическата проводимост на тялото (фиг. 1.1.), а такива вещества са диелектрици, ако Δ W > 2 eV. Следователно количествената разлика в стойностите на ΔW е причина за различието в свойството на тези вещества.

Възможно е двете разрешени зони да се допират или даже да се препокриват (фиг. 1.3.). В такъв случай електрическата проводимост на тялото е значителна и то се отнася към групата на проводниците.

При нормални условия ширината на забранената зона (ΔW) в типичните диелектрици и полупроводници е много по- голяма от топлинната енергия к.Т на електроните, която при стайна температура е 0,025 eV (където к- константа на Болцман, Т- абсолютна температура). По тази причина преминаването на електрони от валентната зона в зоната на проводимост е малко вероятно.

При изследване на електрическото поле в някаква веществена среда трябва да се вземат под внимание нейните електрически свойства. Според електрическите си свойства всички веществени среди се разделят на три основни групи: диелектрици, полупроводници и проводници.

Диелектрици или изолатори се наричат веществата, в които няма свободни заредени частици или ако има такива, те са в съвсем незначително количество. Съгласно зонната (енергийната) теория диелектриците схематично се представят както е показано на фиг. 1.1.




Фиг. 1.1.

S- валентна зона

P- зона на проводимостта

ΔW- енергийна зона (забранена зона)
При диелектриците ΔW= 2÷ 20 eV, като 1 eV= 1,6 . 10-19 джаула (J).

Към диелектриците се отнасят всички изолационни материали, като парафин, слюда, стъкло, трансформаторно масло, въздух в не йонизирано състояние и други.

Полупроводниците според характера на своята електропроводимост заемат междинно място между проводниците и диелектриците.

Те имат редица особени свойства, които се дължат на тяхната електронна проводимост, така също и на проводимостта им, която се определя от преместването на свободни места в атомите (,,дупки”), незаети от валентни електрони. Това преместване под действието на електрическото поле е еквивалентно по своя резултат на преместването на положително заредени частици със заряд, равен на заряда на електрона.

Съгласно зонната теория полупроводниците схематично се представят както е показано на фиг. 1.2.


Фиг. 1.2.
При проводниците ΔW= 0,01÷ 2 eV.

Наличието на полупроводници с различна електропроводимост- електронна от тип n (отрицателна) и дупчеста или тип p (положителна), дава възможност за създаване на различни полупроводникови елементи с твърде важни характеристики.

Полупроводници са германий, селен, телур, силиций, антимон, индий и други.

Проводниците са вещества със значително количество свободни елементарни частици, притежаващи електрически заряд (електрони или йони- положителни или отрицателни), които могат под действието на електрическо поле да се движат в определена посока и по този начин образуват електрически ток. Следователно основно свойство на проводниците е тяхната електропроводимост.

Съгласно зонната теория проводниците схематично се представят както е показано на фиг.1.3.


Фиг.1.3.
Към проводниците се отнасят всички метали. Електролитите, които представляват разтвори на основи, киселини или соли също имат свойството да провеждат електрическия ток. Тяхната електропроводимост се осъществява от положителните и отрицателните йони, на които се разпадат молекулите на разтвореното вещество. Газовете в йонизирано състояние също имат свойството да провеждат електрическия ток.



      1. Съхранение на електрическите заряди

При електростатическите и електродинамическите състояния на проводниците, диелектриците и полупроводниците е в сила следното принципно положение за съхранение на електрическите заряди, а именно- електрическите заряди нито се създават, нито се загубват а само могат да се предават от една на друга веществена среда. Предаването се извършва без неограничено натрупване на заряди. В противен случай би се стигнало до тяхното безкрайно увеличение, което е физически невъзможно.

Разглежданото принципно положение е валидно за макроскопическа и за микроскопическа област. То не е в сила за електрически преобразувания на атомите и за разпадане на атомните ядра. Например на него не се подчиняват йонизационните и радиоактивните явления.

Въз основа на съхранението на електрическите заряди се установява, че тяхната алгебрична сума в дадена изолирана система, която не получава електрически заряди отвън, е постоянна величина. Електрическите заряди се прибавят като алгебрични величини, което оправдава въведените понятия за положителни и отрицателни заряди. Това се потвърждава експериментално по познат елементарен начин посредством електроскоп.

При разглеждане на макроскопическите процеси в различните електротехнически устройства ние ще осредняваме във времето и в пространството микроскопическите нееднородности, явяващи се в това, че изучаваните от нас процеси в действителност представляват съвкупност от огромен брой елементарни процеси.


      1. Основни понятия за електрическото поле

Всяко електрическо явление, разгледано като цяло се характеризира с двете страни- електрическа и магнитна, между които съществува тясна връзка. Така електромагнитното има две взаимно свързани страни- електрическото поле и магнитното поле. Прието е електрическото поле да се характеризира с механическите сили, които изпитват неподвижните заредени тела внесени в пространството, където то съществува.

В съответствие с това електрическото поле е една от страните на електромагнитното поле предизвикано от електрически заряди и изменение на магнитното поле, оказващо силово въздействие на заредените частици и тела и проявяващо се по силовото въздействие върху неподвижните заредени тела и частици. За изясняване на електрическото поле е необходимо да се вземе неподвижно заредено тяло, тъй като на движещото се заредено тяло действа не само електрическо но и магнитно поле.

Най- прост случай на електрическо поле се явява полето на неподвижните електрически заредени тела. Такова поле се нарича електростатическо и се изучава в електростатиката.

Всяко електрическо поле се проявява чрез електрическата (механическата) сила , с която то действа върху намиращ се в това поле неподвижен електрически заряд. Условието за неподвижност на заряда е задължително, тъй като при движение той може да попадне под едновременното действие не само на електрическото, но и на налично магнитно поле. Силата има характера на действащо поле. Например, когато се касае за електростатическо поле, неговата сила се разглежда като електростатическа. Откриването и определянето на електрическото поле се осъществява преди всичко посредством споменатата сила .

Силовото действие на електрическото поле може да се изследва с помощта на пробно заредено тяло, което се характеризира със следното. Линейните му размери са от такъв порядък, за които изследването електрическо поле да може да се приеме като практически равномерно. Същевременно се предполага, че зарядът Q0 на пробното тяло (точковиден заряд) е достатъчно малък, за да не причинява забележимо влияние върху изследваното поле.

При изследването на електрическите полета съществуващи във веществените среди е необходимо да се отчитат и електрическите свойства на последните. Изследвайки електростатичното поле ще предполагаме, че заредените тела се намират в идеална изолираща среда, т.е., че зарядите на телата могат да се запазят произволно дълго време. В следващите разглеждания, ще се спрем на електростатическото поле, но ще имаме пред вид, че въведените величини и установени зависимости се отнасят и за останалите видове електрически полета, с които ще се запознаем по- нататък.


    1. Интензитет на електрическото поле

      1. Определяне интензитета на електрическото поле

Изследвайки с помощта на пробен електрически заряд електростатичното поле съществуващо около неподвижни заредени тела ще забележим, че във всяка точка на това поле пробното тяло изпитва напълно определена по големина и посока механическа (електрическа) сила.

Експериментално се установява, че електрическата сила ,с която изследваното електрическо поле действа върху заряда Q0 на пробното тяло, зависи от големината на този заряд. Затова силата на полето не може да се разглежда като негова основна характеристична величина. Посочената зависимост се оказва от най- прост вид, като величините и Q0 са пропорционални помежду си.

Ползвайки се от това ще определим основната физическа величина характеризираща електрическото поле във всяка негова точка наричана интензитет на електрическото поле. Интензитетът на електрическото поле е равен на отношението на механическата (електрическата) сила действаща върху неподвижно положително заредено пробно тяло, поместено в дадена точка на изследваното поле към стойността на заряда на пробното тяло (фиг. 1.4.).



Фиг.1.4.
С Q1 е означен електрическият заряд на изследваното електрическо поле. Този заряд може да е както положителен, така и отрицателен.

Q01, Q02, ............, Q0n е положителния електрически заряд на пробните тела, които са сфери с минимални размери.

F1, F2, ........., Fn са механическите сили, които действат върху съответния пробен заряд от страна на изследваното електрическо поле предизвикано от заряда Q1.

Интензитетът на електрическото поле се означава с вектора съвпадащ по посока с вектора на механическата (електрическата) сила, действаща върху пробния електрически заряд и се представя с отношението:



= следователно .

За да се изключи напълно влиянието на пробния електрически заряд Q0 върху разпределението на зарядите, определящи изследваното поле е необходимо големината на положителния пробен заряд да клони към нула, т.е. можем да запишем:



= lim ,

Като се извърши съответното интегриране на последното уравнение при = const се получава израза:


(1.1.)

Следователно интензитетът на електрическото поле е векторна величина, равна на границата на отношението на силата, с която изследваното електрическо поле действа върху неподвижно точковидно заредено тяло внесено в разглеждана точка на изследваното поле, към заряда на пробното тяло когато този заряд клони към нула и имаща посока на силата действаща върху положителен точковиден заряд.

Така дефинираната векторна физическа величина се нарича вектор на електрическия интензитет в произволна точка на електрическото поле. Електрическият интензитет е основна силова характеристика на електрическото поле, която се поддава на физическо измерване във V/ m.


      1. Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%203
        СЕМЕСТЪР%203 -> Полеви транзистори с pn-преход (jfet) общи сведения и класификация
        СЕМЕСТЪР%203 -> Измерване на електрически величини с виртуални инструменти I цел на упражнението и задачи за изпълнение целта на упражнението
        СЕМЕСТЪР%203 -> Същност и разпределение на металите в периодичната система на елементите
        СЕМЕСТЪР%203 -> Защитни свойства на металните покрития. Електрохимично отлагане на метали
        СЕМЕСТЪР%203 -> Втора електрически ток и магнитно поле Видове електрически ток на проводимост


        Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница