Электротехника и электроника

Занятие по рабочей программе №01

Дисциплина: ОП.06 «Электротехника и электроника»

Раздел 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Тема: Введение

1. История развития электротехники. Роль электрической энергии в жизни современного общества.

2. Вводный инструктаж «Действие электрического тока на организм человека и требования безопасности в электротехники».

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Введение.

ПЛАН

1. История развития электротехники. Роль электрической энергии в жизни современного общества.

2. Вводный инструктаж «Действие электрического тока на организм человека и требования безопасности в электротехники» (Приложение).

1. Изложение и изучение нового материала.

1. История развития электротехники. Роль электрической энергии в жизни современного общества.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее эффективной системой обновления знаний является гибкая, непрерывная на протяжении всей жизни, система самообразования и повышения квалификации. Полноценный современный специалист должен обладать способностью параллельно заниматься самообразованием как в области общетеоретических, так и специальных знаний, только тогда он сможет изыскивать эффективные пути взаимодействия с техникой будущего.

При этом человек должен помнить, что ОН – «частица биосферы» и «частица ноосферы». Свое бытиё Он должен приспосабливать к законам ноосферы. По образному выражению академика В.И. Вернадского, которое он сформулировал ещё в начале прошлого века, необходимо не покорение природы, а совместное гармоническое развитие природы и общества, иначе человечеству просто не выжить.

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электротехнике, которая, включает в себя три основных раздела: Теоретические основы электротехники (ТОЭ), Электрические машины (ЭМ) и Электронику.

Современное определение электротехники.

Электротехника - область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для осуществления процессов преоб­разования энергии и превращения вещества, а так же для передачи сигна­лов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя направлениями: информационное, технологическое и энергетическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение для научно-технического прогресса.

 В развитии электротехники и электроники можно выделить следующие 8 этапов:

I этап: до 1800г. - становление электростатики. К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследование атмосферного электричества, зарождение электромедицины (опыты Гальвани), открытие закона Кулона и закона сохранения энергии.

Рис.1. Лягушка, препарированная для опытов с электрофорной машиной и лейденской банкой. Рисунок из трактата Гальвани   

В 1744 г. М.В. Ломоносов писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимается, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает.»

Соответствующие труды М.В. Ломоносова находились в забвении до 1904 г., а будучи опубликованы в России, не могли проникнуть в Западные лаборатории, поэтому позднее А.Л. Лавуазье повторно и независимо от М.В. Ломоносова открыл закон сохранения вещества.

Выдающийся ученый – энциклопедист М.В. Ломоносов был первым в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. В 1745 г. был разработан первый электроизмерительный прибор «электрический указатель» Георгом Вильгельмом Рихманом, который погиб 25 июня 1753 г., во время сильной грозы при проведении опыта с «грозовой машиной».

II этап: 1800-1830г.г. - закладка фундамента электротехники и её научных ос­нов. Начало этого периода ознаменовано получением «Вольтова столба» - первого электрохимического генератора постоянного тока. Затем была создана «Огромная наипаче батарея» Василия Владимировича Петрова, с помощью которой была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. В этот период были открыты важнейшие законы: Георга Симона Ома, Жана Батисто Био и Феликса Савара, Андре Мари Ампера и была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. Был создан прообраз электродвигателя.

  Рис. 1.4. Вольтов столб, состоящий из металлических дисков, разделенных кружками мокрой ткани

III этап: 1830-1870г.-зарождение электротехники. Самым значительным событием этого периода было открытие явления самоиндукции Майклом Фарадеем и создание пер­вого электромагнитного генератора (на основании ЭМИ). В этот период формулируются законы Ленца, Кирхгофа, разрабатываются различные конструкции электрических машин и измерительных при­боров, зарождается электроэнергетика. Однако широкое практическое применение электроэнергии в хозяйстве и быту сдерживалось отсутствием экономичного электрического генератора.

IV этап: 1870-1890г.- становление электротехники как самостоятельной отрасли техники.

В этот период создаётсяпервый промышленный генератор с самовозбуждением (динамо-машина), что привело к созданию новой отрасли электротехники «Электрические машины». Организуются производства с использованием электро­энергии. С развитием промышленности, ростом городов возникает потребность в электрическом освещении. Начинается строительство «домовых» электростанций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром и всё более остро ощущается потребность в централизованном производстве и экономичной передаче электроэнергии. На постоянном токе эту проблему решить нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. В это время Павел Николаевич Яблочков изобрёл электрическую свечу и была разработал схему дробления постоянного электрического тока при помощи индукционных катушек, представляющих собой трансформатор с разомкнутой магнитной системой. В середине 80-х годов началось серийное производство однофазных трансформа­торов с замкнутой магнитной систеиой (Макс дёрн, Отто Блати, К Циперновский) и строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развитие производства требовало комплексного решения проблемы экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надёжного электродвигателя. Эта проблема была решена на основе многофазных, в частности 3-х фазных систам.

V этап: 1891 –1920 гг. – становление и развитие электрификации.

Предпосылкой развития 3-х фазной системы явилось открытие в 1988 г. явления вращающегося магнитного поля. 3-х фазная система оказалась наиболее рациональной. В развитие этой системы внесли вклад многие учёные разных стран, но наибольшая заслуга принадлежит русскому учёному Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому, создавшему 3-х фазные синхронные генераторы, асинхронные двигатели и трёхфазные трансформаторы. Убедительным преимуществом 3-х фазных цепей было строительство трёхфазной линии электропередачи между немецкими городами Лауфеном и Франктфуртом при активном участии М.О.Доливо-Добровольского.

Расширяются исследования явлений, протекающих в цепях синусоидального тока с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную роль в анализе процессов в таких цепях сыграл комплексный метод расчёта, предложенный 1893-1897гг. Чарльсом Протеусом Штейнмецом. Теоретические основы электротехники становятся базовой дисциплиной в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

VI этап: 1920 – 1940гг. – зарождение электроники: электровакуумные приборы, триод, диод. 1923г. – Лосев создал первый полупроводниковый диод – кристадин, который мог работать в режиме генератора высокочастотных колебаний. Выделилась радиотехника как самостоятельная наука.

VII этап: 1940 – 1970гг. – зарождение информатики: построение электронно- вычислительных машин.

VIII этап: 1970г. - по настоящее время – информатика как самостоятельная наука.

2. Роль электрической энергии в жизни современного общества

Электротехника – это область науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.

Удобство преобразования электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую…), возможность передачи на большие расстояния и простота распределения между потребителями обусловили преимущественное применение ее в промышленных электроприводах и технологических процессах, а также широкое использование в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства.

Одной из важнейших отраслей электротехники является электроэнергетика, которая рассматривает вопросы производства электрической энергии из других видов энергии природы; передачи электроэнергии на дальние расстояния, распределение ее между потребителями и преобразование электроэнергии в энергию другого вида – механическую, тепловую и т. д.

Электроника – это область электротехники, основанная на использовании электрических явлений в вакууме, газах, полупроводниках и других средах. Электроника рассматривает вопросы технического использования электронных ламп, ионных приборов, полупроводниковых приборов, фотоэлементов, солнечных батарей и других устройств. Электроника встречается в аппаратуре, выполняющей преобразование энергии, управление станками, поточными линиями, а также контроль за ними.

На основе электрификации все шире внедряется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Современная электроника позволяет создавать миниатюрные устройства для вычислительных машин, автоматов, управления производственными процессами и контроля за ними.

В настоящее время многие процессы протекают столь быстро, что человек, управляющий ими, остро нуждается в многочисленных средствах, которые могли бы увеличить чувствительность его органов, быстроту реагирования на происходящие явления, увеличить его физические и умственные усилия. Такую помощь человеку оказывают различные устройства электронной автоматики, в первую очередь – ЭВМ или в более современном варианте – компьютеры. Если первоначально ЭВМ использовались только для выполнения вычислительных операций, то в настоящее время сфера применения компьютеров значительно расширилась в сторону решения разнообразных логических производственных задач. Быстрое развитие компьютерной техники позволяет совершенствовать работу систем автоматического управления, электротехнические устройства получения, обработки, передачи и отображения информации. Под обработкой информации следует понимать математические вычисления, инженерные расчеты, обработку статистических данных, прием сведений о состоянии контролируемого объекта, выработку команд управления для этих объектов и многие другие функции.

Широкое внедрение электротехники во все отрасли народного хозяйства и все большее внедрение электроники в промышленности и в быту настоятельно требуют знания студентами основных вопросов электротехники и электроники.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы.

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.