Основні задачі і напрямки електротехніки. Основні історичні моменти. Три напрямки розвитку галузі

Лекція № 1

 

 

 

Тема: Основні задачі і напрямки електротехніки. Основні історичні моменти. Три напрямки розвитку галузі.

 

План.

 

1. Електромагнітні явища – основа різних напрямків науки і техніки.
2. Області використання електроенергії.
3. Три основні напрямки електротехнічної галузі.
4. Коротко про розвиток електротехніки.
5. Основні моменти розвитку електроніки.
6. Мікроелектроніка – один з напрямків розвитку електроніки.
7. Електромагнітна теорія – об'єктивна і відносна.
8. Загальний план курсу "Основи електротехніки і електроніки".

Рекомендована література:

1. Данилов И.А., Иванов П.М.  Общая электротехника с основами электроники:  Учебное пособие для неэлектротехнических специальностей техникумов. —  Москва: Высшая школа, 1989. -752с.

2. Евдокимов Ф. Е. Общая электротехника: Учебник для учащихся  неэлектро-технических специапьностей техникумов. — Москва: Высшая школа, 1987. - 352 с.

3. Общая электротехника с основами электроники. Учебник для техникумов. В.А. Гаврилюк, Б.С. Гершунский, А.В. Ковальчук, Ю.А. Куницкий, А.Г. Шаповаленко   —  Киев: Вища школа, 1980. - 480 с.
4. Китаев В.Е. Электротехника с основами промышленной электроники: Учебник для проф.-техн. Училищ.-М.:Высш. Шк..,1985.-224 с.

 

 

 

 

 

 

 

Магнітні та електричні явища  лежать в основі різних напрямів науки  та техніки. Вони є основою і електротехніки. А також електроніки та радіоелектроніки.

В електроніці  та радіоелектроніці вирішується широке коло задач, пов'язаних з використанням  електромагнітних явищ для передачі та обробки інформації (це зв'язок, вимірювання, керування, автоматизація технологічних процесів). І неможливо правильно сконструювати, модернізувати або просто відремонтувати будь-який прилад, що використовує електричну енергію, без уміння якісно і кількісно аналізувати його роботу в різних режимах і проводити необхідні обчислення, без навичок використовування електричних і магнітних величин.

Функціонування сучасного суспільства без електричної енергії фактично стало неможливим. Це випливає хоча б з переліку основних напрямків її використання: побут, реклама, інформаційні технології, зв'язок, електричні технології (виплавка сталей, електрозварювання, електроліз і т. п.), електротранспорт, силовий електропривод, що перетворює електричну енергію в механічну. Немає жодної галузі господарювання, жодної науково-дослідної роботи технічного спрямування, де б в той чи інший спосіб не була використана електротехніка. Тому знайомство з електротехнікою як наукою про практичне застосування електричних та магнітних явищ природи та законів, що їх описують, стає нагальною потребою для будь-якого технічного спеціаліста.

На сучасному етапі  можна виділити три основні напрямки електротехнічної галузі: електротехніка, електроніка, мікропроцесорна техніка.

Розвиток електротехніки практично почався після створення італійцем Алессандро Вольта у 1800 році хімічного джерела електричної енергії — електричної батареї. Наявність такого джерела відносно малої потужності дала можливість провести цілу низку наукових досліджень і відкрити фундаментальні правила та закони, що склали теоретичний фундамент електротехніки. Помітним практичним наслідком цих досліджень стало широке застосування у першій половині XIX сторіччя дротяного електричного телеграфу, найбільш вдалий варіант якого розробив американець Семюель Морзе.

Створення наприкінці XIX сторіччя електричних машин постійного та змінного струму дозволило перетворювати механічну енергію в електричну, передавати її на велику відстань та знову перетворювати електричну енергію в механічну та інші види енергії в потрібному місті і в потрібній кількості. Широкого розповсюдження набули електричне освітлення та електропривод різноманітних виробничих машин з релейно-контакторним керуванням.

Згодом електричну енергію  почали використовувати для виготовлення високоякісної сталі в електросталеплавильних печах, для електрозварювання металевих конструкцій. Для забезпечення всіх цих споживачів електричною енергією були створені потужні електричні станції та мереж. Елементною базою таких електротехнічних пристроїв є електромагнітні та електромеханічні перетворювачі, складовими яких є обмотки з міді або алюмінію та магнітопроводи з феромагнітних матеріалів, призначені для створення магнітних полів потрібної конфігурації та інтенсивності. В таких класичних електротехнічних пристроях використовуються явища електромагнітної індукції, взаємодії провідника із струмом з магнітним полем, взаємодії провідників із струмом між; собою, електромагніти.

Одночасно розвиток електротехніки дав поштовх для виникнення спорідненої галузі — електроніки, яка займається вивченням та застосуванням фізичних явищ в електровакуумних та напівпровідникових приладах, характеристик та параметрів цих приладів, властивостей пристроїв та систем, заснованих на використанні цих приладів.

Можна вважати, що електроніку започаткували досліди  Генріха Герца у 1688 p., які встановили наявність електромагнітного зв'язку між: двома віддаленими один від одного коливними контурами. На питання "Яке значення будуть мати ваші досліди для практики?" Г.Герц якось відповів: "Ніякого". Але сталося зовсім інакше. Вже у травні 1895 р. російський винахідник О. С. Попов на засіданні російського фізико-хімічного товариства у С.-Петербурзі продемонстрував пристрій для реєстрації природних електромагнітних хвиль, створених блискавками. У березні 1896 р. він же передав на відстань біля 250 м першу бездротову телеграму з двох слів: "Генріх Герц".

У червні 1896 р. італійський  інженер і підприємець Г. Марконі  отримав перший патент з бездротової телеграфії і заснував компанію, яка багато зробила для широкого впровадження радіотелеграфії і передачі інформації на великі відстані. Почалися роботи по створенню потужних генераторів радіохвилі У 1904 р. в США було створено перший електровакуумний діод, а у 1907 р. — тріод, принцип роботи яких був заснований на явищі електронної емісії, відкритого Т. Едісоном.

В наступні роки швидко розвішається радіотелеграф, радіозв'язок, виникає радіомовлення. Під час  другої світової війни було створено радіолокатори, які відіграли величезну роль у боротьбі, наприклад, з германськими підводними човнами, які полювали на транспорт союзників. Радіолокатори використовували також: і для виявлення та винищення ворожих літаків. Електроніка забезпечила появу точних і чутливих вимірювальних приладів, електроніка надала можливість створити точну зброю.

Електроніка дозволила  проводити обчислення, які раніше були недосяжні для вчених і змушували  їх вести дослідження на спрощених  моделях об'єктів: у 1946 р. у США  було створено першу електронно-цифрову обчислювальну машину (ЕЦОМ), яка містила біля 18 000 ламп.

Таким чином  електроніка перестала бути лише радіоелектронікою і знайшла  широке застосування у техніці та промисловості. Галузь технічної електроніки, яка займається застосуванням електровакуумних і напівпровідникових приладів та створених на їх основі систем в промисловості, називають промисловою електронікою.

Основні напрямки промислової електроніки: інформаційна електроніка, до якої можна віднести обчислювальну та інформаційно-вимірювальну техніку; енергетична електроніка (потужні електровакуумні та напівпровідникові перетворювачі електричної енергії); електронна технологія (застосування електронних та іонних пучків, високочастотний нагрів і плавка, ультразвукове різання та зварювання).

З виникненням  ЕЦОМ складність електронних пристроїв  стала швидко зростати, а традиційна елементна база — електровакуумні  лампи — не могли вже забезпечити  їх надійність. Тимчасовий вихід з  положення дало застосування напівпровідникових приладів — транзисторів, які за своїми функціональними можливостями могли замінити електровакуумні лампи. Поруч з транзисторами було розроблено багато інших напівпровідникових приладів (діодів, тиристорів). Застосування напівпровідникових приладів у електроніці, обчислювальній техніці, автоматиці, енергетиці набуло масового характеру, оскільки вони мали ряд суттєвих переваг перед електровакуумними приладами: високий коефіцієнт корисної дії, довговічність, надійність, порівняно малі габарити та масу.

Подальший прогрес було забезпечено завдяки бурхливому розвитку у 1970—1980 роках мікроелектроніки на ґрунті об'єднання досягнень електроніки та інтегральної технологи. Електронні пристрої, виготовлені з використанням інтегральних мікросхем, започаткували розвиток нової галузі електроніки — мікроелектроніки. На базі досягнень мікроелектроніки створені потужні швидкодіючі малогабаритні ЕЦОМ та мікропроцесорні системи. Сучасна обчислювальна техніка широко використовується не тільки для зберігання та обробки інформації, але й для керування технічними об'єктами за заданою програмою. Застосування мікропроцесорів дозволяє в багатьох випадках зменшити габарити виробів та споживання ними електричної енергії, поліпшити їх функціональні можливості. Основною перевагою мікропроцесорних систем є можливість зміни їх функцій шляхом лише зміни керуючої програми, що пояснює їх широке використання для автоматизації сучасного виробництва.

При вивченні теорії електромагнітних процесів треба брати  до уваги:

по-перше, що ця теорія є об'єктивною, тобто її використання дозволяє (при певних умовах) правильно розуміти роботу електромагнітних пристроїв і експлуатувати їх;

по-друге, що окремі закони електромагнетизму відносні і діють лише в певній області, при певних умовах і обмеженнях, і це треба враховувати при їх використанні.

У загальному випадку  електромагнітні явища описуються методами теорії електромагнітного  поля. Вони універсальні, хоча і досить складні. Ми будемо розглядати менш універсальний, спрощений варіант дослідження  процесів електромагнітних пристроїв.

Курс "Основи електротехніки і електроніки" являє собою вивчення основних закономірностей і параметрів електричних кіл, устрій та принцип дії деяких основних електротехнічних та електронних пристроїв і базових схем, спираючись на курси фізики та математики.

Цей курс є основою для  вивчення в подальшому таких предметів як "Основи комп'ютерної схемотехніки"  та  "Архітектура ЕОМ".