Учебное пособие для электрика

Единица измерения, по предложению Международной электротехнической комиссии, – вар (вольт-ампер реактивный); (русское обозначение: вар; международное: var). В терминах единиц СИ, как отмечено в 9-ом издании Брошюры СИ, вар когерентен произведению вольт-ампер. В Российской Федерации эта единица допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения в области «электротехника»

Q=U* I/sin w.

Реактивная мощность – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз между ними: Q=U*I*sinw (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает – отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью P соотношением;

Q=2`|S`2-P`2

Физический смысл реактивной мощности – это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Полная мощность

Единица измерения в СИ – ватт. Кроме того, используется внесистемная единица вольт-ампер (русское обозначение: В·А; международное: V·A). В Российской Федерации эта единица допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «электротехника»

Полная мощность – величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах S=U * I

Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра, амперметра и фазометра.

Для измерения коэффициента реактивной мощности применяют фазометры

Значения потребляемой электрической мощности некоторых потребителей

Электрический прибор Мощность, Вт

Лампочка фонарика 1

Сетевой роутер, хаб 10…20

Системный блок ПК 100…1700

Системный блок сервера 200…1500

Монитор для ПК ЭЛТ 15…200

Монитор для ПК ЖК 2…40

Лампа люминесцентная бытовая 5…30

Лампа накаливания бытовая 25…150

Холодильник бытовой 15…700

Электропылесос 100… 3000

Электрический утюг 300…2 000

Стиральная машина 350…2 000

Электрическая плитка 1000…2000

Сварочный аппарат бытовой 1000…5500

Двигатель лифта невысокого дома 3 000…15 000

Двигатель трамвая 45 000…75 000

Двигатель электровоза 650 000

Электродвигатель шахтной подъёмной машины 1 000 000…5 000 000

Электродвигатель прокатного стана 6 000 000…32 000 000

1.5.Электромагнитное поле

Электромагни́тное по́ле – фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета – каждое зависит от обоих – электрического и магнитного – в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компоненты напряжённости электрического поля и три компоненты напряжённости магнитного поля (или – магнитной индукции) [~ 1], а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом – в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) – предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами) [~ 2]. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью – скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Известные ещё со времён античности электричество и магнетизм до начала XIX века считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 году дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции – возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого – электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории – предсказание существования электромагнитных волн – не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей – абелевым калибровочным полем).

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое [~ 3] абелево [~ 4] векторное [~ 5] калибровочное [~ 6] поле. Его калибровочная группа – группа U (1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле – единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) – (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия – предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой – квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач – очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) – безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определённой частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие – это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле – одно из фундаментальных полей.

Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно – электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено её отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, а также теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них, по меньшей мере, недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека [1]. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях – на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

1.6.Электрическая емкость

Электри́ческая ёмкость – характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.

В Международной системе единиц (СИ) ёмкость измеряется в фарадах, в системе СГС – в сантиметрах.

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

C=Q/w

где Q – заряд, w – потенциал проводника.

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, – к конденсатору. В этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками.

Величина обратная ёмкости называется эластанс (эластичность). Единицей эластичности является дараф (daraf), но он не определён в системе физических единиц измерений.

3.Освещение

3.1.Электрические источники света

3.2.Осветительные приборы

3.3.Схемы питания

3.4.Монтаж и эксплуатация

Освещение:

Уличное освещение – искусственное средство оптического увеличения видимости на улице в тёмное время суток.

Искусственное освещение растений используется для стимуляции роста растений за счет излучения волн электромагнитного спектра, благоприятных для фотосинтеза.

Светодиодное освещение – разновидность освещения, для которого в качестве источников света используются светодиоды.

Глобальное освещение – ряд алгоритмов, используемых в компьютерной 3D-графике, которые предназначены для добавления более реалистичного освещения.

Освещение в фотографии

Комбинированное освещение – сочетание направленного и рассеянного света в фотографии.

Электрический источник света

Лампа накаливания – электрический источник света, излучающий в широком диапазоне (в том числе видимый свет) за счёт нагрева до высокой температуры тела (нити) накала из сплавов на основе вольфрама при протекании через него электрического тока.

Лампочка Ильича – разговорное название бытовой лампы накаливания, использовавшейся без плафона.

Галогенная лампа – разновидность лампы накаливания, в баллон которой добавлен буферный газ: пары галогенов (брома или йода)

Светодиодная лампа – осветительный прибор с использованием светодиода в качестве излучателя.

Ксеноновая лампа-вспышка.

Газоразрядная лампа – источник света, излучающий энергию в видимом диапазоне за счет электрического разряда в газах

люминесцентная лампа – газоразрядная лампа на парах ртути, светящихся в ультрафиолетовом диапазоне, в которой нанесённый на стенки колбы люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение в видимый свет.

компактная люминесцентная лампа.

газоразрядные лампа на парах ртути, светящихся в ультрафиолетовом диапазоне с колбой, прозрачной для ультрафиолета (кварцевая ртутная лампа высокого давления).

Ртутная газоразрядная лампа (Ртутная лампа)

Кварцевая лампа

Лампа чёрного света

Эксилампа

Неоновая лампа

Ксеноновая дуговая лампа

Натриевая газоразрядная лампа

Дуговая лампа – используют электрическую дугу для создания мощных источников света.

Свети́льник – искусственный источник света, прибор, перераспределяющий свет лампы (ламп) внутри больших телесных углов и обеспечивающий угловую концентрацию светового потока. Основной задачей светильника является рассеивание и направление света для освещения зданий, их внутренних помещений, прилегающих к зданиям территорий, улиц и пр. Светильники также могут выполнять декоративную функцию и функцию сигнализации.

по светотехническим функциям

осветительные приборы

светосигнальные приборы

по условиям эксплуатации

световые приборы для помещений

световые приборы для открытых пространств (уличные, садово-парковые и пр.)

по характеру светораспределения

Прямого света (прожекторы)

Преимущественно прямого света

Рассеянного света

Преимущественно отраженного света

Отраженного света

Светильник настольный светодиодный на элементах питания ААСветодиодная часть светильникапо типу лампыс лампой накаливанияс разрядной лампойс лампами смешанного светас радиоизотопными и электролюминесцентными источниками светас электрической дуговой угольной лампойсветодиодныепо форме фотометрического теласимметричные световые приборыкруглосимметричные световые приборыне симметричные световые приборыпо степени защиты от пыли и водыВсе светильники классифицируются по степени защиты от окружающей среды. Для обозначения степени защиты применяются буквы «IP» и следующие за ним две цифры. Цифры означают:Первая цифра – Защита от твердых тел и пыли0 – Защита отсутствует; 1 – защита от твердых тел размером более 50 мм; 2 – защита от твердых тел размером более 12 мм; 3 – защита от твердых тел размером более 2.5 мм; 4 – защита от твердых тел размером более 1 мм; 5 – защита от пыли; 6 – пыленепроницаемость.Вторая цифра – Защита от влаги0 – Защита отсутствует; 1 – Защита от попадания капель, падающих вертикально вниз; 2 – Защита от попадания капель, падающих сверху под углом к вертикали не более 15°(оборудование в нормальном положении); 3 – Защита от попадания капель или струй, падающих сверху под углом к вертикали не более 60°, защита от дождя; 4 – Защита от попадания капель или брызг, падающих под любым углом, защита от брызг; 5 – Защита от попадания струй воды под любым углом; 6 – Защита от волн воды; 7 – Защита от попадания воды при временном погружении в воду; 8 – Защита от попадания воды при постоянном погружении в воду.по способу крепления или установкиСветильники стационарныепотолочныенастенные (в том числе, Бра)встраиваемыеподвесныепристраиваемыевенчающие (в том числе, торшерные)консольныеторцевыеСветильники нестационарныенастольныенапольныеручныеголовныепо возможности перемещения при эксплуатациистационарныепереносныепередвижныепо способу питания лампысетевыес индивидуальным источником питаниякомбинированного питанияСветильник со шторкамипо возможности изменения положения оптической системыподвижныенеподвижныепо возможности изменения светотехнических характеристикрегулируемыенерегулируемыепо способу охлажденияс естественным охлаждениемс принудительным охлаждениемТакже светильники классифицируются:по классу защиты от поражения электрическим током;по климатическому исполнению и категории размещения;по пожаробезопасности.Примеры светильниковБра (светильник) (настенный светильник)Люминесцентные лампыЛампа накаливанияЛюстраКеросиновая лампаПаникадилоПлафон (потолочный светильник)Масляная лампаТоршер (напольный (венчающий) светильник)

4.Проводники и диэлектрики.4.1.Проводниковые материалы4.2.Диэлектрические материалы

5.Полупроводники.5.1.Обозначение полупроводниковых приборов5.2.Диод

Полупроводни́к – материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия – к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76⋅10—19 Дж против 11,2⋅10—19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04⋅10—19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорным

5.2.Диод5.3.Резистор5.4.Тиристор5.5.Транзистор5.6.Конденсатор5.7.Интегральные микросхемы (ИМС)

Дио́д (от др.-греч. δις [1] – два и – от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень -од происходит от др.-греч. ὁδός «путь» [2]) – двухэлектродный электронный компонент, обладающий различной электрической проводимостью в зависимости от полярности приложенного к диоду напряжения. Диоды обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой, но в отличие от ламп накаливания и терморезисторов, у диодов она несимметрична.