1.  Электротехника - область науки и техники, использующей электрическое и магнитное явления для практических целей. История развития этой науки занимает два столетия. Она началась после изобретения первого электрохимического источника электрической энергии в 1799 г. Именно тогда началось изучение свойств электрического тока, были установлены основные законы электрических цепей, электрические и магнитные явления стали использоваться для практических целей, были разработаны первые конструкции электрических машин и приборов. Жизнь современного человека без использования электрической энергии немыслима.

  Большой вклад в развитие электротехники внесли русские ученые. Так еще в 1802 г. Выдающийся русский ученый В.В. Петров впервые указал на возможность использования электрической дуги для освещения. Было разработано большое число конструкций дуговых ламп освещения. Но наиболее экономичной оказалась электрическая свеча П.Н. Яблочкова (1876г). В предложенной Яблочковым конструкции был впервые применен для практических целей трансформатор. Но главная заслуга изображения в том, что оно повысило спрос на генераторы переменного тока.

  Все возрастающая потребность в использовании электрической энергии привело к проблеме ее централизованного производства, передачи на дальние расстояния, распределения и экономичного использования. Решение проблемы привело к разработке и созданию трехфазных электрических цепей. Огромная заслуга в создании элементов таких цепей принадлежит выдающемуся русскому ученому М.О. Доливо-Добровольскому. Он создал трехфазный асинхронный двигатель, трансформатор, разработал четырехпроводную и трехпроводную цепи (1891г.).

  Сегодня электрическая энергия используется в технике связи, автоматике, измерительной технике, навигации. Она применяется для выполнения механической работы, нагрева, освещения, используется в технологических процессах (электролиз), в медицине, биологии, астрономии, геологии и др. Столь обширное проникновение электротехники в жизнь человека привело к необходимости включить ее в состав общетехнических дисциплин при подготовке специалистов всех технических специальностей. При этом перед студентами стоят две главные задачи. Первая задача - ознакомиться и усвоить физическую сущность электрических и магнитных явлений. Это позволит понять принципы работы электромагнитных устройств, правильно их эксплуатировать.

  Однако, современному специалисту недостаточно знаний одних физических явлений. Поэтому студенты неэлектрических специальностей должны получить навыки в методах расчетов элементарных цепей и устройств, необходимых для успешного изучения последующих прикладных курсов.

  Дисциплина «Электротехника и электроника» рассчитана на 80 (88) часов. Из них 40 часов - лекций, 20 часов - практических занятий, 20 (28) часов - лабораторных занятий. Она включает два раздела «Электротехника» и «Электроника», завершается КП, зачетом (экзаменом). Курс построен так, что каждая из 7 тем закрепляется практическими и лабораторными занятиями. Эти виды занятий сопровождаются текущим контролем, который положен в основу формирования рейтинга студента. Поэтому залогом успешного освоения дисциплины является систематическая работа над материалом.

  Весь теоретический материал имеет строгое математическое обоснование. Он востребует знания студентов по математике ( разделы векторной алгебры, дифференциального, интегрального, комплексного исчисления, рядов), а также по физике (разделы электричества, магнетизма, молекулярной физики).

2. Профессиональная деятельность учителя технологии требует от пего необходимые овладения знаниями и умениями по электротехнике. В связи с быстрым развитием техники в будущем роль этих знаний и умений будет возрастать. В настоящее же время наблюдается довольно низкая подготовка будущих учителей технологии по электротехнике, что непременно не лучшим образом будет сказываться на уровне преподавания разделов электрорадиотехники в общеобразовательных учреждениях. В сложившейся ситуации необходимо предпринимать возможные шаги для повышения качества подготовки будущих учителей технологии поэлектрорадиотехническим дисциплинам.

3. Аналіз нещасних випадків, зв'язаних з дією електричного струму, дозволяє виявити основні причини, які можна об'єднати в групи: 1) Випадковий дотик до струмоведучих частин, які знаходяться під напругою, при проведенні ремонтних робіт, або з-за несправності захисних засобів, з-за помилок. 2) Поява напруги на металевих частинах виробничого устаткування (огородженнях, корпусах, кожухах), що можливо в результаті пошкодження ізоляції струмоведучих частин електроустаткування з проводом, що знаходиться під напругою; замикання фази на землю. 3) Помилкове підключення устаткування під напругу під час проведення на ньому ремонтно-профілактичних робіт; замикання між відключеними і струмоведу-чими частинами, що знаходяться під напругою; розряд блискавки безпосередньо в установку або поблизу неї. 4) Виникнення крокової напруги на поверхні землі, на якій знаходиться людина. Це може бути результатом замикання проводу на землю, несправностей у пристроях робочого або захисного заземлення, занулення. Важливою загальною причиною поразок струмом є незнання правил поводження з злектронебезпечними об'єктами та умов їх експлуатації. Наприклад неврахування характеристик приміщення - його вологості, температури, запилованості.

4. Електричний струм при дії на організм людини може викликати як місцеві, так і загальні ураження (електротравми). Місцеві електротравми - це опіки, перегрівання внутрішніх органів, розриви тканин м'язів, порушення біоелектричних процесів в організмі, електроліз органічних рідин тощо. Загальне ураження струмом відбувається при проходженні електричного струму через нервові центри дихання та серце.

Небезпека ураження тим більша, чим більший струм проходить через людину але, крім цього, впливають тривалість і шлях проходження струму через організм людини (поняття про шагову напругу), вид струму (постійний чи змінний), його частота та робочі умови.

Найбільша небезпека виникає при безпосередньому проходженні струму через життєво важливі органи: серце, легені, мозок. Найчастіше струм проходить такими шляхами: права рука-нога (через серце проходить - 6,7% струму, ліва рука - нога (3,7%), рука - рука (3,3%). Навіть короткочасна дія струму спричиняє судоми м'язів. Параліч дихання настає при порівняно тривалій дії струму (15-30 с) і не встигає розвинутись при менш тривалій дії.

Умови з підвищеною небезпекою ураження людини електричним струмом: висока вологість (відносна вологість перевищує 75%). струмопровідний пил. наявність струмопровідних підлог (металеві, залізобетонні тощо), підвищена температура (понад 35°С). а також можливість одночасного дотику людини до металевих частин електрообладнання і до частин обладнання і будівель, що сполучені із землею.

Особливо небезпечні умови - це підвищена вологість, хімічно активне середовище (ризик руйнування ізоляції), наявність одночасно двох або більше умов підвищеної небезпеки.

До технічних засобів електробезпеки включають електроізоляцію струмопровідних частин, захисне заземлення, занулення, захисне вимикання, зниження робочої напруги, вирівнювання потенціалів, загогюджувальні пристрої, запобіжну сигналізацію, блокування, знаки безпеки. Інші засоби захисту та запобіжні пристрої.

Для профілактики уражень електричним струмом слід виконувати такі дії:

- ніколи не використовуйте електричні прилади поблизу води:

- зношені електричні шнури слід відремонтувати або викинути:

- якщо у домівці є маленькі діти - надійно закривайте від них електророзетки.

Електрозахисні засоби для мереж до 1000 В за характером їх застосування підрозділяють на дві категорії: основні та додаткові.

До основних електрозахисних засобів, застосовуваних для роботи з електроустановками напругою до 1000 В, відносять: ізолюючі й електровимірювальні кліщі: покажчики напруги: діелектричні рукавички; слюсарно-монтажний інструмент із ізолюючими рукоятками. Додатковими засобами, використовуваними для роботи з електроустановками, є: діелектричні калоші й килими; переносні заземлення: ізолюючі підставки й накладки: огороджу вальні пристрої; знаки безпеки. Вибір необхідних засобів захисту для оперативних перемикань і для інших роботів виробляється на підставі нормативно-технічних документів з огляду на місцеві умови.

Ступінь порушень, що викликає електричний струм, залежить від тривалості дії струму. Відомо, що струм навіть високої напруги і великої сили не є смертельним якщо він діє менше 0,1 секунди. Чутливість до електричного струму різна в різних видів тварин і навіть індивідів одного виду. Функціональний стан організму, його нервової системи грає в цьому відношенні значну роль: чим більше збудлива нервова система, тим більш різка її реакція при ураженні струмом. Електричний струм великої сили діє і безпосередньо на тканину. У місцях входу і виходу струму (найчастіше на руках і ногах) спостерігаються важкі електричні опіки аж до обвуглювання. У більш легких випадках маються так звані мітки струму - округлі плями від 1 до 6 см у діаметрі, темні усередині і синюваті по периферії. На відміну від термічних опіків волосся не обпалене.  Загальна дія електричного струму на організм (у залежності від сили) проявляється у головному болі, нудоті, почащенням серцевого ритму і подиху, підвищенням АТ і наступним деяким його падінням, паралічем м'язів, набряком і водянкою.

Насамперед потерпілого звільняють від контакту з електрострумом (якщо це не зроблено раніше). Виключають джерело електроживлення, а якщо це неможливо, то скидають обірваний провід дерев'яним сухим ціпком. Якщо той, хто надає допомогу одягнений у гумові чоботи і рукавички, то можна відтягнути потерпілого від електропроводу. При зупинці подиху проводять штучне дихання, вводять серцеві і серцево-судинні засоби ( 0.1% розчин адреналіну - 1 мл, кординамин - 2 мл, 10% розчин кофеїну - 1 мл підшкірно), засоби, що стимулюють подих ( 1% розчин лобеліну - 1 мл внутрішньовенно чи повільно внутрішньом’язово).  Накладають стерильну пов'язку на рану від електричного опіку.  Штучне дихання не припиняють протягом тривалого часу. При зупинці серця - непрямий масаж серця, внутрішньосерцеве введення розчину адреналіну і 10 мл 10% розчину хлориду кальцію. Госпіталізація. Транспортування лежачи на носилках в опікове чи хірургічне відділення.

5. Принцип отримання змінної ЕРС лежить в основі індукційних генераторів змінного струму – електричних машин, в яких механічна енергія перетворюється в електирчну за допомогою явища електромагнітної індукції.

Найпростіший генератор складається з дротяної рамки (ротора) , що приводиться в рух зовнішньою силою у полі магніту (статора). У процесі обертання рамки змінюється магнітний потік через рамку, внаслідок чого у ній індукується ЕРС, а за допомогою контактних щіток з кілець, припаяних до виводів рамки, знімається різниця потенціалів (мал.2).

 

                               

                                                                            Мал. 2

У промислових генераторах:

1. для отримання великої ЕРС збільшують кількість витків;

2. для підсилення магнітного поля феромагнітне осердя роблять замкнутим, а зазор між ротором і статором – мінімальним;

3. для зменшення іскріння (внаслідок зняття великих струмів) магніт (постійний чи електричний) роблять ротором, а витки - статором.

Нині налагоджено виробництво сучасних генераторів змінного струму потужністю 200, 300, 500 і 800 МВт.

[Трансформатор

Для того, щоб знизити напругу, потрібну для споживачів на виході електрогенераторів (220 В), та підвищити напругу, необхідну для передачі її по ЛЕП (400-500 кВ), потрібен трансформатор. Він складається з первинної та вторинної котушок і замкненого осердя. При подачі напруги на первинну котушку виникає змінний струм. У осерді він перетворюється на магнітний потік, який потім проходить через обидві котушки і викликає їхню ЕРС (електрорушійну силу, яка утворюється внаслідок впливу на котушки магнітного поля).

Основні параметри змінної синусоїдальної величини:

1) миттєве значення (позначається малими літерами: струм - i, напруга - u, ЕРС - е) - значення змінної величини в будь-який момент часу t;

2) амплітудне значення (позначається великими літерами з індексом "m",  струм - I_m, напруга - U_m, ЕРС - Е_m) - найбільше миттєве значення   величини, що періодично змінюється за синусоїдальним законом;

3) період (позначається Т, [c]) - найменший інтервал часу, після закінчення якого  миттєві  значення змінної величини повторюються в тій же послідовності;

4) циклічна частота (позначається f=1/T, [Гц]) - величина, зворотня по відношенню до періоду, виражає кількість періодів у секунду.

Стандартна (технічна) частота для промислових установок в Україні (СНД) - 50 Гц.

5) кутова частота:

                                    , рад/с;                                                   (3.3)

6) діюче значення (позначається прописними літерами без  індексів: I,  U,  E) дорівнює величині такого постійного струму, який за час, рівний одному періоду змінного струму,  виділяє в тому ж опорі таку ж кількість тепла, що і при проходженні змінного струму.

6. Широкое применение в электрических цепях электро-,  радио- и других установок находят периодические ЭДС,  напряжения и токи.  Периодические величины  изменяются  во времени (i=i(t); u=u(t) ) по значению и направлению, причем эти изменения повторяются через  некоторые равные промежутки времени Т, называемые периодом (рис.13).

   

Синусоидальный ток характеризуется следующими параметрами:

 

а)     - угловая частота , где Т - период (с),

      - частота ( ) (Гц),

б)   - амплитудное значение тока,

в)   - начальная фаза.

     В европейских странах в качестве стандартной промышленной частоты принята f = 50 Гц, в США и Японии  f = 60 Гц.

     Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одинаковой частоты  ( ) называется сдвигом фаз между ними:

     Синусоидальный ток имеет ряд преимуществ перед постоянным  током, в связи с чем он получил очень широкое распространение:

     а) его легко трансформировать из одного напряжения в другие,

     б) при  передаче  на большие расстояния ( сотни и тысячи километров) от источника до потребителя при многократной трансформации напряжение остается неизмененным, т.е. синусоидальным,

     в) с его помощью может быть достаточно просто получено вращающееся магнитное поле, используемое в синхронных и асинхронных машинах.

     Для количественной оценки синусоидальных функций времени вводятся понятия действующего и среднего значений. Действующим значением синусоидального тока называется величина такого постоянного  тока,  который оказывает эквивалентное тепловое действие.  Действующие значения обозначаются                 

                   

     Аналогично для напряжения и ЭДС

    

     Подавляющее большинство приборов,  измеряющих синусоидальные токи и напряжения проградуированы в действующих значениях.

     Средним значением синусоидального тока или напряжения и ЭДС называется средняя за полупериод времени:

                 

     Мгновенное значение - значение периодически изменяющейся величины в рассматриваемый момент времени , обозначаются  

     Амплитудные значения синусоидальных величин обозначаются:

           

7. Для установления эквивалентности переменного тока в отношении энергии и мощности, общности методов расчета, а также сокращения вычислительной работы изменяющиеся непрерывно во времени токи. ЭДС и напряжения заменяют эквивалентными неизменными во времени величинами. Действующим или эквивалентным значением называется такой неизменный во времени ток, при котором выделяется в резистивном элементе с активным сопротивлением r за период то же количество энергии, что и при действительном изменяющемся синусоидально токе.

Энергия за период, выделяющаяся в резистивном элементе при синусоидальном  токе,

	T		T
w =	∫	i^2r dt =	∫	Im^2sin^2 ωt r dt..
	0		0

При неизменном во времени токе энергия

W = I²rT

Приравняв правые части

	T
I^2rT =	∫	Im^2sin^2 ωt r dt,.
	0

получим действующее значение тока

I =

√

1

T
∫	Im^2sin^2 ωt r dt
0

=

I_m

= 0,707I_m .

T

√2

Таким образом, действующее значение тока меньше амплитудного в √2 раз.

Аналогично определяют действующие значения ЭДС и напряжения:

Е = E_m /√2,    U = U_m /√2.

Действующему значению тока пропорциональна сила, действующая на ротор двигателя переменного тока, подвижную часть измерительного прибора и т. д. Когда говорят о значе ниях напряжения, ЭДС и тока в цепях переменного тока, имеют в виду их действующие значения. Шкалы измерительных приборов переменного тока отградуированы соответственно в действующих значениях тока и напряжения. Например, если прибор показывает 10 А, то это значит, что амплитуда тока

I_m = √2I = 1,41 • 10 = 14,1 A,

и мгновенное значение тока

i = I_m sin (ωt + ψ) = 14,1 sin (ωt + ψ).

При анализе и расчет выпрямительных устройств пользуются средними значениями тока, ЭДС и напряжения, под которыми понимают среднее арифметическое значение соответствующей величины за полпериода (среднее значение за период, как известно, равно нулю):

	2 T	T2		2Ет Тω			2Ет Тω		2Ет π
Еср =		∫	Ет sin ωt dt =		∫	sin ωt dωt =		|cos ωt|π^0 =		= 0,637Ет .
		0			0

Аналогично можно найти средние значения тока и напряжения:

I_ср = 2I_т /π;    U_ср = 2U_т /π.

Отношение действующего значения к среднему значению какой-либо периодически изменяющейся величины называется коэффициентом формы кривой. Для синусоидального тока

Кф =	Е	=	I	=	U	=	π	= 1,11.
	Ес		Iср		Uср		2√2

8. Методы электрических измерений

В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина

Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.

Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов — нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений. Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

При дифференциальном методе, так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого.

Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина.

Метод совпадений — это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.

Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во времени величин, то измерения называются динамическими. Е

Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точностиизмерения.

Абсолютная погрешность —   является оценкой абсолютной ошибки измерения. Величина этой погрешности зависит от способа её вычисления, который, в свою очередь, определяется распределением случайной величины  . При этом неравенство:  , где   — истинное значение, а   — измеренное значение, должно выполняться с некоторой вероятностью, близкой к 1. Если случайная величина   распределена по нормальному закону, то обычно за абсолютную погрешность принимают её среднеквадратичное отклонение. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина.

Существует несколько способов записи величины вместе с её абсолютной погрешностью.

• Обычно используется запись со знаком ±. Например, рекорд в беге на 100 метров, установленный в 1983 году, равен 9,930±0,005 с.

• Для записи величин, измеренных с очень высокой точностью, используется другая запись: цифры, соответствующие погрешности последних цифр мантиссы, дописываются в скобках. Например, измеренное значение постоянной Больцмана равно 1,380 6488(13)×10⁻²³ Дж/К, что также можно записать значительно длиннее как1,380 6488×10⁻²³±0,000 0013×10⁻²³ Дж/К.

Относительная погрешность — погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины (РМГ 29-99):  ,  .

Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле  , где   — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

• если шкала прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то   определяется равным верхнему пределу измерений;

• если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Класс точности средств измерений - обобщенная характеристика средств измерений, определяемые пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Классы точности присваиваются средствам измерений при их разработке с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Класс точности хотя и характеризует совокупность метрологических свойств данного средства измерений, однако не определяет однозначно точность измерений, так как последняя зависит от метода измерений и условий их выполнения.

.

9. Электроизмерительные   приборы   различаются   по   следующим признакам:

по роду измеряемой величины;

по роду тока;

по степени точности;

по принципу действия;

по способу получения отсчета;

по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать:

по способу монтирования;

по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей;

по выносливости в отношении перегрузок;

по пригодности к применению при различных   температурах;

по габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно: тока — а м пер м е т р; напряжения — вольтметр; электрического сопротивления —омметр, мосты сопротивлений; мощности — ват т м е т р; электрической энергии — с ч е т ч и к; частоты переменного   тока — частотомер;   коэффициента   мощности — ф а з о м е т р.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на магнито электрические, электромагнитные, электродинамические (ферро-динамические), индукционные, тепловые, вибрационные, термо­электрические, детекторные и др.

По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчетом и самозаписывающие.

По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

Решение любой измерительной задачи связано с реализацией того или иного принципа измерений.

Принцип измерений— физическое явление или эффект, положенный в основу измерений тем или иным средством измерений.