Источники электрической энергии
ЛЕКЦИИ
ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ
Для студентов по направлению подготовки
ГЕОДЕЗИЯ И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ
Содержание
Предисловие. 3
Лекция 1. 4
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ.. 4
Электрические заряды.. 4
Электрический ток. 4
Электрическая цепь. 4
Электрическая схема и её элементы.. 5
Закон Ома. 7
Лекция 2. 9
Виды соединений в электрической цепи.. 9
Типы электрических соединений и их преобразование. 9
Лекция 3. 13
Законы токораспределения в электрических цепях.. 13
Распределение тока в параллельных ветвях. 13
Законы Кирхгофа в электротехнике. 14
Электрическая мощность и баланс мощностей. 15
Лекция 4. 16
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА.. 16
Принцип получения гармонически изменяющегося тока. 16
Понятие комплексных амплитуд. 18
Принцип расчета цепей переменного тока. 18
Индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока. 18
Закон Ома для цепей переменного тока. 19
Мощности в цепи переменного тока. 21
заключение. 23
Лекция 5. 24
Основные понятия радиоэлектроники.. 24
Диэлектрики, полупроводники и проводники. 24
Энергетические состояния электронов в твёрдых телах. 24
Электропроводность полупроводников. 26
Полупроводниковый p-n- переход. 30
Лекция 6. 32
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ... 32
Выпрямительные диоды.. 32
Стабилитроны.. 34
Туннельные диоды.. 36
Диоды Шоттки. 36
Варикапы.. 37
Фотодиоды.. 38
Светодиоды.. 39
Другие типы диодов. 40
Лекция 7. 40
ТРАНЗИСТОРЫ... 40
Биполярные транзисторы.. 41
Устройство и принцип действия биполярного транзистора. 41
Схемы включения биполярного транзистора. 42
Статические характеристики транзистора. 43
Полевые транзисторы.. 44
Область применения. 49
Лекция 8. 50
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ И ИХ РАСЧЕТ. 50
Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами. 51
Лекция 9. 52
Аналоговые устройства электроники.. 52
Источники питания электронных устройств. Выпрямители переменного тока и стабилизаторы 53
Усилители электрических сигналов. 54
Генераторы сигналов. 56
Переходные процессы в электрических цепях. 56
Интегрирующие и дифференцирующие цепи. 58
Мультивибратор. 59
Переходные процессы в цепи, содержащей RLC.. 60
Лекция 10. 61
РЕЗОНАНС в электрических цепях и БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ. 61
Принципы беспроводной связи. 63
Лекция 11. 65
Цифровая электроника.. 65
Электронные ключи. 66
Логические схемы.. 68
Генераторы и формирователи импульсов. 71
Лекция 12. 72
ПАКЕТНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАНЫХ.. 72
Структура пакета. 72
Передача данных в сети интернет. 73
Сотовая связь. 73
Методы обнаружения ошибок. 74
Заключение. 75
Предисловие
Дорогие друзья! Эти лекции по дисциплине «Основы электротехники и радиоэлектроники» написаны для студентов геодезической специальности, но могут быть полезны всем, для кого электротехника и радиоэлектроника не являются профильными предметами. Я попытался достаточно большой объём материала, предусмотренный содержанием программы, уместить в рамках небольшого издания. Содержание изложено очень лаконично и требует вдумчивого чтения. Для облегчения понимания в каждом абзаце имеются слова и фразы, выделенные курсивом. Это главные смысловые слова, особенно, если они выделены жирным шрифтом. Опираясь на эти слова и фразы, Вы сами себе сможете задать вопросы, ответы на которые найдёте в лекции. Чем больше будет вопросов, тем лучше будет усвоен материал.
Успехов Вам!
Лекция 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Электрические заряды
Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях, по которым, собственно, и удаётся обнаружить заряд. Количественно сила взаимодействия двух зарядов оценивается законом Кулона. Именно взаимодействие (притягивание и отталкивание) электрических зарядов лежит в основе всей электротехники.
Итак, заряд это свойство тел, следовательно, заряд сам по себе (без носителя заряда, тела) не существует. Носителем элементарного заряда является электрон. Тела электрически нейтральны, то есть, количество электронов, несущих отрицательный заряд, равно количеству частиц – протонов, несущих положительный заряд. Протон, являясь частью ядра атома, лишен возможности поступательного движения, в отличие от электрона, способного покинуть атом и двигаться (при наличии силы) поступательно.
Электрическое и магнитное поля.Электрическое полеэтоодна из форм электромагнитного поля, создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем.Через электрические поля происходит взаимодействие зарядов. Вокруг неподвижного заряда существует электростатическое поле. Если заряд двигается, то это поле приобретает свойства магнитного поля.
Количественно поля оцениваются по силовому параметру и по энергетическому. Силовая характеристика говорит о силе, действующей на заряд, находящейся в данной точке поля. Энергетическая характеристика оценивает потенциальные возможности поля в данной точке (если бы там был заряд). Здесь очень близкая аналогия с потенциальной энергией, и называется эта величина – потенциал в данной точке любого силового поля, включая гравитационное поле. Потенциал - величина скалярная. В электротехнике единица измерения потенциала – Вольт.
Силовая характеристика электрического поля называется: напряженность.
Силовая характеристика магнитного поля называется: индукция.
Надо помнить, что обе эти величины могут в разных точках поля иметь разные значения по величине и по направлению.
Электрический ток
Электрический ток создаётся направленным движением заряженных частиц – электронов, так как частицы с положительным зарядом не могут перемещаться поступательно. Ток электронов называют электрическим током проводимости, или, чаще, физическим. Однако, исторически принято считать, что электрический ток – это направленное движение положительно заряженных частиц. Это «математический» ток. Именно его и используют при расчетах.
Электрический ток может возникнуть только при выполнении одновременно двух условий:
- Наличие электродвижущей силы (ЭДС), то есть электрического поля в проводах. Поле создаётся источником электрической энергии.
- Замкнутости проводов и потребителей энергии на источник электрической энергии, то есть провода с источником должны образовать замкнутый контур.
Электрическая цепь
Так как электрический ток создаётся в замкнутом контуре при наличии ЭДС, то электрическая цепь это замкнутое соединение электрических элементов. Нужно различать электрическую цепь и электрическую схему.Изображение электрической цепи с использованием условных изображений называется схемой.
Электрические элементы делятся на:
- Источники электрической энергии;
- Потребители электрической энергии
Источники электрической энергии
Следует отметить, что реально существуют только источники энергии. Здесь слово «электрической» опущено специально. Источники электрической энергии имеют свои особенности – они должны создавать ЭДС, то есть разность потенциалов на своих клеммах. Эта разность потенциалов создаётся внутри источника сторонней силой, например, вгальванических элементах это химическая реакция. Сторонняя сила заставляет двигаться электроны в одном направлении внутри источника и скапливаться (преодолевая взаимное отталкивание) у одного из полюсов источника. Этот полюс становится отрицательно заряженным. У другого полюса электронов не хватает, то есть преобладает положительный заряд. Внутри источника на электроны действует электрическая сила притяжения к положительному полюсу, но их движению мешает сторонняя сила. Пока работает сторонняя сила, источник энергии способен создавать во внешней цепи ЭДС. При соединении полюсов снаружи проводником (создавая внешнюю цепь), электроны по проводу, уже под действием электрической силы (электрического поля) начнут перемещаться к положительному полюсу, создавая ток проводимости. Однако, следует запомнить (и очень крепко), что за положительное направление тока принято направление от точки сбольшим потенциалом (то есть от «плюса») к точке с меньшим потенциалом (то есть к «минусу»). Это основополагающее положение электротехники нужно помнить всегда, и действует оно на любом участке электрической цепи. Кроме участка внутри источника, но там всё решает сторонняя сила.