Жоспар
Кіріспе
1 Айнымалы ток
2 Электр тізбегі және оның схемасы
3 Қабылдағыштардың тізбектей жалғануы
Кіріспе
Қазіргі уақытта электр энергиясы барлық өнеркәсіп салаларында, транспортта, ауылшаруашылығында, ұй тұрмысында, тағы басқа халықтың тұрмыс қажеттілігіне кеңінен пайдаланады.
Электр техникасы деп электр магниті құбылыстарын практика жүзінде кең салада қолдануын айтамыз. Барық электр техникасы салалары бір-бірімен байланысты болғандықтан, техникалық жоғарғы оқу орындарында «Электр техникасының теориялық негіздері» курын ашуға тура келді. Бұл курс әр түрлі электр техникасы пәндерінің негізкі базасы болып есептелінеді.
Осы курстың негізгі бір міндеті, олқұбылыстарды токтар, кернеулер, қуаттар, магнит ағымдары тағы басқа түсініктер арқылы есептеу, зерттеу. Сондай-ақ тағы бір атқаратын міндеті ол құбылыстарды электр кернеулігі, магнит өрісінің идукциясы, қуат ағымдары тағы басқа түсініктер арқылы есептеу, зерттеу. Осы міндеттердің біріншісі тізбектерді, ал екіншісі электр магниті өрістерін есептеуге, зерттеуге арналған.
Электр техникасының өсіп-дамуы электр магниті құбылыстарын жете зерттеуді, оқып білуді, практика жүзінде пайдалануды керек етеді. Осы зор еңбекте, ізденуде көптеген жаңалықтарды ашуда орыс инженерлерінің, ғалымдарының қосқан үлесі аз емес. Олар шет елдердің көнекті ғалымдарымен бірлесе отырып електр техникасының маңызды саларыныңбастамасына жол ашты. Осы бастаманы бастағандардың бірі – М.Б.Ломоносов. Ол атмосфера электрі атты теориясын құрды.Заттың салмағының сақталу және қозғалыс заңдарын ашты.
А. Вольта (Италия физигі) ойлап тапқан гальваникалық элементтер бағанасынан кейін электр тогын алуға мүмкіншілік туды. 1802 жылы В.В.Петов электр тізбегіндегі процестерді зерттеп электр доғасын ашты және осыларды іс жүзінде жарық шығаруға, металды балқытуға, металдарды пісіріп жалғастыруға пайдалануға болады деген көз қарасын айтты.
Ағылшын ғалымы М. Фарадей 1831 жылы электр магниттік индукция заңын және оның құбылыстарын ашып, дамуына зор үлес қосты.
1883 жылы орыс академигі Э.Х: Ленц индукциялық токтардың бағыттарының араларындағы заңдылықты ашты және олардың электр магниттік, электр динамикалық байланыстарының бар екендігін ашты. Соның ішінде электр магниттік индукциясы негіздерін де ашты. 1844 жылы ол ағылшын зерттеушісі Джоульға тәуелсіз сым темір арқылы ток өткенде шығатын жылу мөлшері сол сымның кедергісіне және сондағы токтың квадратына тура пропорционал екенін анықтады. Әлемде бірінші рет Россияда П. Л. Шилинг1832 жылы электр магниті телеграфын түрғызды.
1845 жылы неміс физигі Г. Кирхгов тармақталған электр тізбектеріне арналған негізгі заңдарды ашты, сонымен ол заңдар Кирхгов атымен аталды.
1976 жылы орыс ғалымы П. Н.Яблочков элетр шамын ойлап тапты, одан бастап электремн жарықтандыру басталды. Бірінші көмір стерженді қыздырғыш шамын орыс инженері А.Н. Лодыгин құрастырғаны баршаға мәлім.
XIX ғасырдың екіеші жартысындағы орыс ғалымдыры-ның бірі А.Л.Столетовты атап өтуге болады, өйткені ол бірінші рет темірдің магниттік қасиеттерін тыңғылықты зерттеген.Ал Н.А. Умовты алсақ, ол электр магнитті энергиясының, денелер ішіндегі қозғалыстың теңдеуін шығарушы және соның алғашқы негізін салушы.
Демемк, 1800-1880 жылдардың аралығында жанама (прикладная) злектр техникасының дамуымен тығыз байланысты.
Айнымалы токтарды қолданудың алғашқы қадамы 1876 жылдан бастаған П.Н.Яблочков еді. Ол өзінің шам ішіндегі стерженнің біркелкі жануына айнымалы токтың толық қамтамасыз ететінін көрді, содан кейін көптеген шамдарды бір ғана энергия көзімен қоректендіруге мүмкіншлік алды.
Электр энергиясын пайдаланудың тез тарап көбеюіне байланысты алға жаңа талаптар қойвла бастады. Соның бірі электр энергиясын алыс жерге жеткізу. Бұл мақсатты шешу үшін шамалары әр түрлі кернеулер қажет болды.
Орыстың ғалым-инженері М.О.Доливо-Добровольскийдің ойлап тапқан үш фазалы жүйесі электр энергетикасы саласында т. б. жерлерде көп тарады. Ол 1989 жылы үш фазалы қозғалтқышты құрастырады және басқада үш фазалы тізбектердің бөліктерін ойлап шешті. Сөйтіп 1891 жылы электр енергиясын үш фазалы токпен 175 км қашықтыққа жеткізуге мүмкіншілік алды.
Айнымалы токты қолдану көптеген теориялық сұрақтарды іс жүзінде қолдануды шешуді керек етті.Сондықтан, xx ғасырдың басында электр техникасының теориялық негіздерінің көптеген салалары дамыды, әсіресе айнымалы токтың теориясы.Солардың ішінде айтарлықтайы, айнымалы токтың дамуына әсерін тигізген Америка инженері Ч.П.Штейнметцтің тізбектерді есептеу ушін енгізген комплекстік тәсілі.
Электр және магнит тізбектерін шешудегі теориялық мәселелері мен қатар практикалық электр техникасында электр магниттік өрістерді есептеу жайындағы мәселелерді де алға қойды. Электр машинасының тетіктерін жәнеэлектр магниттік аппараттарды қурастыру үшін магнит өрістерін есептеу қажет болды. Ток өткізгіштерін тұрғылықты түрде изоляциялау үшін оқшаулаушы материалдарды таду керек болды және электр өрісін есептеу мақсаты да алға қойылды. Айнымалы токтың өткізгіш сымның қима беті бойынша электр магнит өрісінің таралуын есептеуді керек етті.
1873 жылы ағылшын ғалымы Д.К.Максвелл өзінің классикалық еңбегі «Электр мен магнетизм жайындағы трактатында» электр магнит өрісі теориялық негізін математика жүзінде түсіндіреді де, Фарадейдің электр магнит өрісі реалды деген идеясын кеңейтті.
Максвелдің ойлап тапқан электр магниттік өріс теориясын Экспериментальді түрде немістің физигі Г.Герц 1887-1889 жылдары тәжірибе жасап, сол электр магниттік толқындардың пайда болуын және оның алыс қашықтықтарға жеткізуге болатындығын дәлелдеді. А орыс физигі Г.Н.Лебедев өзінің еңбегінде жарықтың қысымының болатындығын дәлелдеді.
1895 жылы А.С. Попов радио баиланысын ойлап тапты. Бұл жаңалық бүкіл адамзат өміріне, мәдениет тұрмысына кең жол ашты. Осы радио-техниканың дамыуы арқасында жаңадан электр тізбектерінің теориясы және электр магнит теориясы ашылды.
1904 жылы Петербург политехникалық институтының профессоры
В.Ф.Миткеевич «Электр және магнитизм теориясы» лекциясын бірінші рет оқыды. 1905 жылы Масквадағы жоғары техникалық училищеде профессор
К.А.Круг «Анымалы токтар теориясы» курсын бастап оқыды, содан 1906 жы-лы Россияда осы курс бірінші кітап болып шықты. Электр техникасы негізгі теориясының сұрақтары осы кітапта қаралған. 1916 жылы К.А.Круг «Электр техникасының негіздері» атты оқулық шығарды.
Орыс ғалымдарының, өнертапқыштарының әлемдік электр техникасына қосқан үлкен үлестеріне қарамастан Россияда ревалюцияға дейінгі уақытта эканомиканың артта қалуына байланысты электр техникалық өнеркәсіп кең дами алмады.
Қазақстанда индустрализацияланудың жүргізілуіне байланысты электр энергетика саласын кеңінен дамыту қажет болды. Соның салдарынан Қазахстанда электр энергетиканың ең көп дамыған республиканың біріне айналды. Сондықтан да Советтер одағында үшінші энергетикалық институты Алматыда ашылды.
Еліміз егемендік алғаннан кейін бұл институтта әртүрлі мамандықтар үшін қазақша топтар ашылды. Қазіргі таңда электр техникасы өркендеп, кең түрде дамыған заман және дамиды да.
Айнымалы ток
Айнымалы токты пайдалануды ең алғаш рет 1875 жылы орыс ғалымы П.Н.Яблочков ұсынды. Айнымалы ток Яблочков шырағындағы көмірдің біркелкі жануын қамтамасыз етті және шамдардың бір электр энергия көзінен қоректенуіне жол ашты.
Электр энергиясының қажеттілігінің өсуіне байланысты оны алыс қашықтықтарға жеткіу мәселесі алға қойылды. Бұл мәселенің шешілуі электр энергиясын таратуды, ол үшін әртүрлі кернеуді табуды соның ішіндегі тиімдісі жоғарғы кернеу, ал қабылдағыштарға берудегі қауіпсіздік ережелерін сақтау үшін төменгі кернеу қажет болды.
Кернеуді бұлай түрлендіру үшін айнымалы токты түрлендіретін құрылысы қарапайым трансформаторлар қажет болды, оны да өзінің шырақтары үшін Яблочков ойлап тапты.
Одан кейін орыстың атақты ғалымы және инженері М.О.
Долимво-Добровольскийдің басшылығымен үш фазалы жүйе ойлап шығарылды. Оның арқасында айнымалы ток кеңінен тарады. 1889 жылы ол бірінші рет үш фазфлы қозғалтқыш және үш фазалы тізбектің барлық тетіктерін жасап шығарды. 1891 жылы ол электр энергиясын үш фазалы
токпен 175 км қашықтыққа жеткізуді іске асырды.
Айнымалы токты электр энергиясы саласында кеңінен пайдалану шоғырланған түрде электр энергиясын өндіруді, алыс қшықтықтарға жеткізуді, оны таратуды және қабылдауды игерген кезеңнен басталды.
Айнымалы токқа қатысты ұйғарыммен танысайық.
Айнымалы ток депуақытқа байланысты шамасы мен бағыты өзгеріп отыратын токты айтамыз.
Айнымалы токтың кез-келген аз уақыт мезгіліндегі мәнін лездік ток деп аталады, оны i-әріпімен белгілейді.
Лездік токтың (i) зарятқа және уақытқа байланысты екендігін мына қатынастан көреміз:
I=dq/dt
0-ден t-ға дейінгі уақыт аралығында айнымалы ток мынадай зарят тасиды:
t
q =∫ i dt
0
Халықаралық СИ жүйесі бойынша ток күшінің бірлігі ретінде ампермен (А) алынған. Бұл жүйеде заряд ампер-сикунтпен немесе кулонмен өлшенеді. 1 кулон (Кл) заряд 6,29×1016 электроның зарядына тең. Егер ток күші 1 ампер болса, онда өткізгіштің көлденең қимасы арқылы сикундына 6,29×1016 электрон ағып өтеді.
Егер лездік токтың уақытқа тәуелділігі белгілі болса i=F(t) және оның бағыты көрсетілсе, онда токты белгілі деп есептеуге болады. Айнымалы токтрдың формасы әртүрлі, соның ішінде көп тарағанының бірі периодты токтар.
Периодты токтар деп токтың токтың лездік мәндері бірдей уақыт аралығында қайталанып отыратын токтарды айтамыз. Ал токтың лездік мені қайталанып отыратын ең аз уақыты сол токтың периоды аталады, оны Т әріпімен белгілейді.Периодты ток күш:
i=F(t)=F(t+T)
1-сурет. Айнымалы ток графигі
Бұл суретте электр тізбегінің АВ бөлігі көрсетілген және периодты ток үшін мысал ретінде токтың уақытқа тәуелділігі көрсетілген i=F(t)=F(t+T). Схемадағы стелка токтың оң бағытын көрсетеді. Үзік сызықты I>0 және i<0 болған кездердегі токтың нақты бағыттары көрсетілген.
Қисық сызық бойындағы кесінділер «а» мен «в», «0» және «с» аралықтарын токтың бір период кезіндегі толық циклі дейміз.
Периодқа кері шаманы жиілік дейміз, ол υ әріпімен белгіленеді және (Гц) өлшенеді.
υ=1/Т
Синусоидалы емес периодты токтар дегеніміз әр түрлі жиіліктегі синусоидалы токтардың жиынтығы.
Шоғырланған параметрлі электр тізбегі дегеніміз, ол электр тізбегіндегі электр кедергісі, индуктивтілігі және электр сыйымдылығы осы тізбектің жеке боліктерінде шоғырланған деп есептелінуде. Мысалы: электр кедергісі- резистор, индуктивтілік –орауыш (катушка),сыйымдылық –консендатор турінде тізбектің әр жеке бөліктеріде шоғырланған деп білеміз.
Электр тізбегі дегеніміз, ол электр тогы өтетін жолы үшін жасалған құрылғылармен обьектілер жиынтығы, ондағы электр магниттік процестер электр қозғаушы күші(ЭҚК), тогы, кернеуі жайындағы ұғым арқылы сипатталуы мүмкін.
Электр тізбегіндегі элементтер, олар белгілі функциялар атқаратын, электр тізбегі құрамына кіретін жеке-жеке құрылғылар.
Негізгі электр элементтеріне жататындар бір-бірімен сым өткізгіштері арқылы жалғанған электр көздері мен электр энергиясын қабылдағыштар.
Электр энергия көздерінде химялық, механикалық, жылулық энергиялары немесе басқада энергия түрлері электр энергиясына түрленеді, ал электр энергиясы қабылдағыштарында, керісінше электр энергиясы жылулық,жарықтық, механикалық тағы басқа энегияларына түрленеді.
Электр тізбегіндегі қоректендіргіш көзінен алынған электр энергиясын жеткізу кезіндегі және қабылдағыштардағы өзгерістері ток пен кернеу шамаларының уақытқа байланысты өзгермейтін тізбектерде жүретін болса, әдетте оларды тұрақты ток тізбектері деп те атайды.Тұрақты токтар да,кернеулер де, қондырғылардағы магнит және электр өрістері де уақытқа байланысты өзгермейді.
Сондықтан тұрақты ток тізбектерінде ЭҚК – нің өздік индукциясы болмайды және өткізгіштер айналасындағы диэлектриктерінде ток алмасуы болмайды.
Электр тізбегі және оның схемасы
Электр тогы магнит және электр өрістерімен үздіксіз байланысқан. Айнымалы ток кезінде бұл өрістер уақытқа байланысты өзгеріп отырады. Айнымалы (өзгермелі) магнит өрістері ЭКҚ –ін тудырады. Электр өрісінің өзгерісі өткізгіштердегі зарядтардың өзгеруімен бірдей жүреді. Өткізгіштерде, резисторларда және оларды қоршап тұрған электр –магниттік энергия жылуға айналады. Кейбір құрылғыларда магниттік энергия басқа да энергияның түрлеріне айналады ( химиялық, механикалық және т.б.), ал электр –магниттік энергияның бірге сәулеленуге жұмсалады.
Айнымалы токтың электр тізбектеіндегі процестерді тең қарапайым айналдыру үшін, оны тұрақты токтың тізбегі орнын ауыстыру схемасымен ауыстырамыз.
Айнымалы ток кезінде схеманың пассив элементтеріне R- кедергі, L- индуктивтілік, C- сыйымдылық жатады.
Олардың шартты белгілері 2-суретте көрсетілген.
Электр құрылғыларының әр бөліктерінің арасындағы индуктивті еске алып, олардың арасындағы өзара индуктивтілікті L-әріпімен белгілейді. Ол суреттегі схеманың «г» суретінде көрсетілген, және бұл жердегі өзара инуктивтілік М схеманың өзіндік (жеке) элементі бола алмайды. Осындай бөлімде түзу тізбектер қаралады, яғни тізбектегі кедергі, индуктивтілік, сыйымдылық кернеу мен токқа байланысты емес. Бұл элементтер түзусызықты вольтампер қасиетін бейнелейді.
- а-суретте кедергіде электр-магниттік энергия жылуға айналады. Осы энергияның жылуға айналу қуаты P=R i2 –не тең. Электр –магниттік энергияны энергияның басқа түрлеріне түрлендіру үшін (мысалы, механикалық түріне) және жылулық, сәулелену энергиясын ескертулер схемаға кедергілерді жиі енгізеді.
2-сурет.Схеманың пассивті элементтері
Кедергінің R қышқыштар арасындағы кернеуі және ондағы ток байланыстары Ом заңымен анықталады UR=R*i. Егер қышқыштар арасындағы синусоидалы кернеу әсер ететін болса U=Umsinωt, онда
i=U/R=(Um/R)sinωt=Im sinωt
мүнда Im = Um/R, яғни ток фаза бойынша кернеумен бірдей.
3-сурет. Резистордағы лездік токтың, кернеудің, қуаттың уақыттан
тәуелділік графиктері және олардың векторлық диаграммасы
3 а –суретте лездік токтың, кернеудің мәндерінің өзгеріс графигі берілген және 3 б- суретте лездік қуаты берілген.
P=Ui=Um sinωt*Imsinω=sin2ωt=UmIm(cos2ωt)/2=UI;
Um=√2 U;Im=√2 I
Барлық периодта қуат оң таңбалы болады. Мүнда комплекс тоғы I бойынша комплекстік кернеумен U бірдей болады. 3 в-суретте ток пен кернеудің векторлық диаграммасы көрсетілген.
Қабылдағыштардың тізбектей жалғануы
N энергия қабылдағыштарын тізбектей жалғағанда келесі комплекстік кедергілермен Z1,Z2,……..Zn, онда тізбектегі эквиваленттілік немесе жалпы комплекстік кедергісін келесі теңдік арқылы табуға болады.
n
Z=Rk+jXk=∑Zk
1
Бұдан былайғы есептеу тәртібі тізбектегі берілген шамалармен тікелей жалғанған элементтерге байланысты және нені табудың керектігіне байланысты, мысалы:
Берілгені: R1=x1=60Ом, U2=5500B
P2=500кОм, cоsφ2=0,91
φ<0 табу керек U.
Шығару жолы : I=P2/Ucоsφ2=100A Z2=U2/I=55Ом, R2+P2/I=50Ом;
X2=√Z2 2 -R2 2=22.9;R=R1+R2=56Ом;
Z=√R2+x2=63;x=x1+x2=28,9 Ом;
U=ZI=6300В; E=U=RI+jxI
X=xL1+xL2=ωL1+ωL2
4-сурет. Векторлық диаграмма
Қолданылған әдебиеттер
- Балабатыров «Электр тізбегінің теориялары».
