Шпаргалка по "Электротехнике"

2.Определение электротехники.  Основные этапы развития.

Электротехника — область технических наук, изучающая практическое применение электричества .

1.    Становление электростатики (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2.    Закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800—1830 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была пат учена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био и Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.

3.    Зарождение электротехники (1830—1870 гг.). Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фа-радеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.

4.    Становление электротехники как самостоятельной отрасти техник:: (1870—1890 гг.). Создание первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все шлее остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. Значительным стимулом к, внедрению переменного тока явлюсь изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформаторе разомкнутой магнитной системой. 
Однако однофазные двигатели были непригодны для целей промышленного электропривода.

Одновременно разрабатываются  способы передачи электрической  энергии на большие расстояния посредством  значительного повышения напряжения линий электропередач. Дальнейшее развитие электрического освещения способствовало совершенствованию электрических  машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой  магнитной системой (М. Дери, О. Блати, К. Ципернов-ский). Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развивающееся производство требовало комплексного решения  сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям  промышленного электропривода. Эта  проблема была успешно решена на основе многофазных, в частности трехфазных систем.

5.    Становление и развитие электрификации (с 1891 г.). Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными. Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами.

В разработку трехфазных систем большой  вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит  М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы. Убедительной иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франк-фуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии Доливо-Добровольского.

С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые  конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический  двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного  привода.

Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области производства: развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия.

Электрическая энергия начинает все  более широко использоваться в самых  разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве  и в быту.

Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысления и математического описания физических процессов, происходящих в электрических  машинах, линиях электропередач, трансформаторах.

Расширяются исследования явлений  в цепях переменного тока с  помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную прогрессивную роль в анализе процессов в цепях  сыграл комплексный метод, предложенный в 1893—1897 гг. Ч. П. Штейнмецом. С развитием крупных энергосистем и увеличением дальности электропередач возникла серьезная научно-техническая проблема обеспечения устойчивости параллельной работы генераторов электростанций, которая была решена отечественными и зарубежными учеными. Теоретические основы электротехники становятся базой учебных дисциплин в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

6. Зарождение и развитие электроники  (первая четверть XX в.) Рост потребности  в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал  необходимость в развитии преобразовательной  техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной  электроники.

Электротехника становится базой  для разработки автоматизированных систем управления энергетическими  и производственными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом  повысить эффективность автоматизации  процессов вычислений, обработки  информации, осуществлять моделирование  сложных физических явлений, решение  логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении  их надежности и экономичности. 
Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2—3 мкм.

3.ПЕРВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Проявления электрических  и магнитных явлений известны человеку с давних времен. Сведения о них пришли к нам из древних литературных источников. Правда, эти сообщения – отрывисты и весьма скудны. Древнегреческий философ Фалес Милетский, живший почти 2,5 тыс. лет назад, в своих сочинениях сообщает о свойстве янтаря, потертого мехом, притягивать легкие мелкие предметы – пушинки, нитки, кусочки ткани, папируса. По-гречески янтарь – электрон. Этому названию древнейшей окаменевшей смолы обязаны своим появлением термины «электрический», «электричество».

Не обойдено вниманием  в древней литературе и атмосферное  электричество – молния и «огни  святого Эльма».

Наблюдая молнию, люди заметили её «особую любовь» к металлам.  
В своей «Метрологии» Аристотель писал: «Случалось, что медь щита расплавлялась, а дерево, его покрывающее, оставалось невредимым». О подобных случаях писали наставник древнеримского императора Нерона философ Сенека и римский писатель Плиний Старший, погибший при извержении Везувия. Последний писал: «…золото, медь, серебро, заключенные в мешке, могут быть расплавлены молнией, а мешок не сгорит, и даже восковая печать не размягчится».

Было замечено также свойство молнии поражать высоко стоящие и  острые предметы. Рукописи сообщают, что  древнеримский правитель Нума Помпилий знал об этом и умел делать молниеотводы, аналогичные современным. Имеются сведения и о том, что в VIII в. французские крестьяне для защиты урожаев от молний устанавливали на своих полях высокие металлические и деревянные шесты.

Во время грозы  или при её приближении у заострённых  и высоких предметов – башен, корабельных мачт, деревьев, острых вершин скал, у высоко поднятой руки, палки и даже у головы человека наблюдалось необычное свечение воздуха в форме светящихся кисточек. Император Гай Юлий Цезарь в своих  «Комментариях Кесаря» – книге  об африканской войне – писал, что «в одну из ночей железные острия копий пятого легиона казались огненными». Римский историк Тит Ливий  наблюдал, как из дротика одного из воинов в течение более двух часов «исходил огонь, не сжигавший  деревянных частей». Плиний Старший  также неоднократно замечал такие  огни на копьях часовых. Появление таких  же огней ночью во время бури, при сильной грозе и проливном  дожде наблюдали спутники Колумба  и Магеллана. Сын Христофора Колумба  писал, что при виде этого чудесного  явления моряки плакали от радости, молились и пели благодарственные гимны.

Своё название «огни святого Эльма» получили в средние века по названию церкви святого Эльма, на башнях которой они часто наблюдались. По своей физической природе они представляют собой кистевой разряд – особую форму коронного разряда, возникающего вследствие ионизации воздуха при достижении напряжённостью электрического поля определённой величины.

С древних времён известны человеку и электрические  рыбы. По сообщениям Аристотеля электрический скат «заставляет цепенеть животных, которых он хочет поймать, побеждая их силой удара, живущего в его теле». Вероятно, поэтому древние египтяне считали священным нильского электрического сома, изображение которого попадается на стенах и колоннах древнеегипетских храмов. Сила его удара может быть весьма чувствительной, ведь электрические органы рыб вырабатывают довольно большое напряжение. Например, электрические угри способны развивать разность потенциалов до 500 В. Говорят, что с помощью «освежающего» удара электрических рыб древнеримский врач Скрибоний излечивал подагру у римских патрициев.

Было замечено также свойство некоторых камней, называемых магнитами, притягивать  железные предметы. Платон наблюдал явление, которое мы сейчас называем магнетизмом  через влияние, когда кусок железа приобретает свойства природного магнита  только от одного его присутствия, т. е. намагничивается, находясь вблизи естественного магнита, не соприкасаясь с ним. Платон пишет, что «этот камень (магнит) не только сам притягивает железное кольцо, он одаряет своей силой и кольцо, так что оно, в свою очередь, может притягивать другое кольцо, и таким образом могут висеть друг на друге множество колец или кусков железа».

В поэме «О природе вещей» римский поэт Тит Лукреций Кар  описывает это свойство в стихах и так объясняет происхождение  слова магнит: «Камень же этот по имени месторожденья магнитом назван был греками, так как он найден в пределах магнетов».

Магнетами в древней Греции называли жителей Магнесии – области на северо-востоке Греции, в которой часто встречались залежи магнетита, или магнитного железняка (31 % FeO + 69 % Fe₂O₃), одного из главнейших минералов железных руд, содержащего до 72 % железа.

Плиний Старший в своей  «Естественной истории» происхождение  слова магнит объясняет по-другому. Он говорит, что это название произошло  от имени волопаса (пастуха) Магнесса, заметившего, что железные гвозди его обуви и кончик посоха притягиваются некоторыми камнями.

Магнит был  известен и в Азии. Древнеиндийские  врачи пользовались им для извлечения железных наконечников стрел из тел  раненых воинов. В китайских летописях  описываются волшебные магнитные  ворота, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший под одеждой  оружие. В древнем Китае магнит применялся для определения направления. В летописях есть описания простейшего  компаса, состоящего из намагниченного куска железа, плавающего на куске  пробки в глиняном сосуде с водой, и служившего указателем пути караванам  в бескрайних гобийских пустынях. В одном из музеев хранится древнекитайский компас, напоминающий ложку (рис. 1).

Длительные морские  путешествия в средние века привели  к открытию двух явлений, связанных  с земным магнетизмом. Во-первых, было обнаружено, что направление магнитной  стрелки не совпадает с точным направлением на север. Открытие этого  явления приписывают Христофору Колумбу, сделанное во время его  первого путешествия в Америку  в 1492 г. Объясняется оно несовпадением географического и магнитного полюсов Земли. Угол между направлением магнитной стрелки и географическим меридианом называется магнитным склонением. Если северный конец стрелки компаса отклоняется к востоку, то магнитное склонение положительное, если к западу, то отрицательное. Колумбу была также известна зависимость магнитного склонения от географических координат. Начиная с конца XVII в. организуются научные экспедиции для составления специальных карт склонений. На таких географических картах зависимость магнитного склонения от географических координат показывается с помощью изогон – линий одинакового склонения. Первой такой экспедицией была экспедиция под руководством английского астронома Эдмонда Галлея в 1698 г. В 1701 г. им была опубликована первая карта магнитных склонений. В 1544 г. было открыто магнитное наклонение, представляющее собой в вертикальной плоскости угол, образованный осью магнитной стрелки и плоскостью горизонта. Если северный конец стрелки обращен вниз, то магнитное наклонение положительное, если вверх, – отрицательное.