Что такое электротехника на ваш взгляд
Электротехника
Электротехника — область технических наук, изучающая получение, распределение, преобразование и использование электрической энергии.
Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века.
Содержание
История
Разделы
Электротехника имеет множество разделов, самые важные из которых описаны ниже. Хотя инженеры работают каждый в своей области, но многие из них имеют дело с комбинацией из нескольких наук.
Электроэнергетика
Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами. Многие государства мира имеют электрическую сеть, называемую электроэнергетической системой, которая соединяет множество генераторов с потребителями энергии. Потребители получают энергию из сети, не тратя ресурсы на выработку своей собственной энергии. Энергетики работают как над проектированием и обслуживанием сети, так и над энергетическими системами, присоединёнными к сети. Такие системы называются внутрисетевыми и могут как поставлять энергию в сеть, так и потреблять её. Энергетики работают также и над системами не присоединёнными к сети, называемыми внесетевыми, которые в некоторых случаях являются более предпочтительными, чем внутрисетевые системы. Имеется перспектива создания энергетических систем, контролируемых со спутника, имеющих обратную связь в реальном времени, что позволит избежать скачков напряжения и предотвратить нарушения энергоснабжения.
Системы автоматического управления
Задачами автоматических систем управления (и автоматизации в целом) является моделирование различных динамических систем и разработка систем управления, которые заставляют работать динамические системы нужным образом. Для создания таких устройств могут использоваться электрические схемы, процессоры цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры. Системы управления имеют широкую область применения от систем, встраиваемых в энергетические установки (например, на коммерческих авиалайнерах), автоматов постоянной скорости (имеющихся во множестве современных автомобилей) и ЧПУ в станках до систем управления на базе промышленных ПК в автоматизации промышленного производства.
Инженеры часто используют обратную связь при проектировании систем управления. Например в автомобиле с автоматом постоянной скорости скорость транспортного средства постоянно отслеживается и данные передаются системе, которая соответственно регулирует выходную мощность двигателя. Если имеется стандартная система обратной связи, можно использовать теорию управления для определения того, как система должна реагировать на поступающую информацию.
Микроэлектроника
Микроэлектроника занимается разработкой и изготовлением очень малых компонентов электронных цепей для использования в интегральных схемах или, в некоторых случаях, для использования в качестве основных электронных компонентов. Самыми распространенными микроэлектронными компонентами являются полупроводниковые транзисторы, хотя все основные электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, индукторы) могут быть созданы на микроскопическом уровне.
Микроэлектронные компоненты создаются химическим изготовлением пластин из полупроводников, например, кремния (при более высоких частотах — полупроводниковых соединений, таких как арсенид галлия, фосфид индия, нитрид галлия), чтобы получить желаемую передачу заряда и управлять током. Микроэлектроника затрагивает существенную часть химии и материаловедения, и требует от инженера-электроника, работающего в данной области, хороших практических знаний квантовой механики.
электротехника
Отрасль науки и техники, связанная с преобразованием и использованием электрической энергии в практической деятельности человека. Зарождение электротехники связано с созданием в 1800 г. первого источника постоянного электрического тока – вольтова столба, а затем и более совершенных гальванических элементов, что позволило в нач. 19 в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током. В этот период были заложены основы электродинамики, открыт важнейший закон электрической цепи – закон Ома. Из попыток практического использования электрического тока наиболее значительными были работы в телеграфии. Изучение химического действия электрического тока привело к появлению гальванотехники, а преобразования электрической энергии в световую – светотехники. Открытие электромагнитной индукции в 1831—32 гг. предопределило появление электрических машин (двигателей и генераторов). К кон. 70-х гг. 19 в. относятся первые попытки использования электроэнергии на транспорте: в 1879 г. построена опытная электрическая железная дорога в Берлине. В 80-е гг. трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (в США).
В 1892 г. был пущен первый трамвай в Киеве. В 90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 г. – в лондонском метрополитене, в 1896 г. – в будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.
В 20 в. теоретические и экспериментальные методы электротехники нашли своё развитие во многих отраслях науки и техники. Открытия термоэлектронной эмиссии и электрических свойств полупроводников составили основу электроники. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как техника высоких напряжений, теория электрических цепей, теория электрических машин, электропривод и др. Успехи электротехники оказали существенное влияние на развитие радиотехники, телемеханики, автоматики, а также кибернетики, вычислительной техники и связи. Достижения электротехники используются во всех сферах практической деятельности. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др.
Электротехника для чайников
Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.
Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.
Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше.. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.
Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.
Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.
Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.
Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!
Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.
Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).
Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.
Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Закон назвали закон Джоуля-Ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.
Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.
Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.
Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.
Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.
Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.
Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: Саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.
Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.
Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.
И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.
Что такое электротехника?
Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами.
Только в XVII веке началось подробное изучение электричества и становление электротехники как фундаментальной науки. Первая действующая модель электротехнической машины была изобретена великим ученым О. Герике аж в 1650 году. В дальнейшем к развитию электротехники приложили свою руку Ватт и Джоуль, Петров и Фарадей, Яблочков и Ломоносов, Вольт и Эйлер, Попов и Гальвани, Тесла Эдисон, и другие ученые.
В настоящий момент выделяется три приоритетных процесса связанных с электрической энергией: передача и распределение, генерация и потребление электроэнергии. В связи с этим все электротехническое оборудование по функциональному назначению можно разделить поделить на эти значимые группы.
Передача электрической энергии может осуществляться двумя способами: по воздушным линиям либо с помощью кабельных каналов. Воздушные линии электропередач протягиваются на сериях металлических конструкциях, оснащенных изоляторами и системами молниезащиты. Кабельные каналы устанавливаются ниже поверхности грунта, они более долговечней воздушных линий передачи электроэнергии, но и более сложны в обслуживании и значительно дороже по стоимости.
В основе технологии передачи электроэнергии на значительные расстояния лежит трехфазный электрический кабель, который конструктивно изготавливается из трех алюминиевых или медных жил, разделяемых друг от друга и от внешней среды с помощью изоляторов, не проводящих электрический ток.
 |
Линии электропередач
Большинство процессов требуют для своей работы подключения к сети переменного тока, однако, существуют и такие потребители, которых можно отнести к категории потребителей постоянного тока, но их значительно меньше.
Для такой категории потребителей электрической энергии требуется особое электротехническое устройство – инвертор. Как правило, наиболее часто применяется трехфазный инвертор, но тем не менее могут применяться инверторы на одну и более фазы.
Наиболее простым коммутационным устройством для управления электрической цепью является рубильник – это устройство с ручным управлением и металлическими ножевидными контактами. Наиболее эффективным распределителем электрической энергии считается электрический щит – это панель в которую можно установить сразу несколько рубильников, как правило, закрываемая внешними дверцами, назначение которых защитить от воздействия внешних факторов.
В последние десятилетия ассортимент электротехнического оборудования уже превышает многие десятки миллионов наименований, так как микроэлектроника, системы автоматического управлении и электротехнические устройства, а так же электроэнергетика охватили буквально все сферы жизнедеятельности современного человека
Реле тока
Принцип действия реле аналогичен принципу действия контактора, и поэтому в ряде случаев, кроме своего основного назначения, контактор выполняет функции реле напряжения.
Реле регулируют на определенное напряжение, при котором оно вступает в действие.
Реле тока реагирует на изменение величины тока, протекающего по его катушке, и при этом закрывает или открывает свои контакты. Принцип действия аналогичен принципу действия реле напряжения. Разница заключается в том, что катушку реле тока включают в сеть последовательно или через трансформатор тока, она имеет небольшое число витков толстой проволоки и обладает весьма малым сопротивлением.
Применяют реле тока, главным образом, для защиты, а иногда и для автоматического управления, в частности для автоматизации пуска двигателей. Реле имеют различную конструкцию, зависящую от рода тока (постоянный или переменный). Кроме того, существуют и такие конструкции реле, которые могут быть использованы как в цепи постоянного, так и переменного тока.
Реагируют реле на ток срабатывания изменением натяжения пружины.
Для контроля работы электрооборудования на электрических кранах применяются следующие основные измерительные приборы: для измерения тока — амперметры, для измерения напряжения — вольтметры, для измерения мощности — ваттметры.
Амперметры
Амперметр в цепь измеряемого тока включают последовательно. Для того чтобы ток в цепи при включении амперметра не изменился, сопротивление прибора делают возможно меньшим.
Для измерения постоянного тока большой силы в цепь тока включают малое сопротивление (шунт), не оказывающее какого-либо влияния на изменение тока в цепи. Параллельно этому сопротивлению присоединяют амперметр. При таком присоединении через прибор проходит не весь измеряемый ток, а лишь небольшая часть его. Шкала же амперметра отградуирована таким образом, что прибор показывает весь ток в цепи.
В цепях переменного тока при значительной его величине амперметры включают в цепь через специальные аппараты — трансформаторы тока.
Электротехника и ее безопасное использование
Последние несколько сотен лет сам термин «цивилизованность» неразрывно связан с использованием электроэнергии. Бурное техническое развитие привело к тому, что в современном мире практически все известные производственные процессы зависимы от электрической энергии. Поэтому электротехника является неизменной частицей нынешнего быта.
В домашнем хозяйстве электрические приборы выполняют все затребованные функции – очищают полы и моют посуду, гладят и стирают, пекут и сверлят, и, наконец, просто играют, показывают и поют!
Электрические устройства, со временем ставшие нам не просто друзьями, а почти родственниками, используют в целях своего бесперебойного функционирования сеть с напряжением в 220 Вт. Такие сети среди энергетиков считаются низковольтными, но это вовсе не означает, что такая величина напряжения является безопасной для человека. Ведь показатель ущерба, причиненного ударом электрического тока, зависит не, сколько от напряжения в сети, сколько от силы такого тока.
Что важно, для смертельного исхода достаточной будет величина всего лишь в 0,1 Ампера. Но большинство предлагаемых ныне бытовых приборов потребляют намного больше – 10, 16 и более ампер!
Для того чтобы электричество оставалось другом, а не врагом, бытовое электрооборудование должно соответствовать современным нормам безопасности, основная задача которых – предотвратить попадание электрического тока на человека.
Немаловажное значение относительно защищенности от удара человека электрическим током имеет процесс применения бытовых приборов во влажном помещении – ванной или душевой, саунах, а также на открытой территории. Для таких механизмов важно установить электропроводку с заземлением и защитить необходимые электрические линии УЗО, либо хотя бы установить дифференциальный автомат.
Также, что очень важно, нужно строго соблюдать эксплуатационные правила использования бытовых электротехнических устройств – не оставлять все включенное в сеть оборудование без присмотра, не прикасаться к нему влажными или мокрыми руками. Также не использовать в тех местах, где существует риск нарушения целостности корпусной поверхности электроустройств.