Elektrotechnika.pdf

Cezary Łucyk

ELEKTROTECHNIKA

PODSTAWOWA

Warszawa 2006

Podr ħ cznik akademicki

Ksi ĢŇ ka zredagowana w cało Ļ ci przez autora

¨ Copyright by Cezary Łucyk, 2006

Wszelkie prawa zastrze Ň one. Prawa autorskie przedstawionego tekstu nale ŇĢ do

autora. Pracy – w cało Ļ ci lub cz ħĻ ci – nie mo Ň na rozpowszechnia ę ani wyko-

rzystywa ę w jakiejkolwiek formie naruszaj Ģ cej prawa autora.

Druk i oprawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Wersja internetowa http://www.it.pw.edu.pl/~clucyk

Elektrotechnika podstawowa

SPIS TRE ĺ CI

PRZEDMOWA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

ROZDZIAŁ 1. W p r o w a d z e n i e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

I. PODSTAWOWE POJ Ħ CIA I WIELKO ĺ CI ELEKTRYCZNE . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Ładunki elektryczne. Przewodniki i dielektryki. Zasada zachowania ładunku. Ładu-

nek punktowy. Jednostka ładunku elektrycznego. Ładunek elementarny i g ħ sto Ļ ci

rozkładu ładunków. Pole elektryczne, magnetyczne i elektromagnetyczne. Pr Ģ d elek-

tryczny. Obwód elektryczny. Nat ħŇ enie pola elektrycznego. Napi ħ cie elektryczne.

Potencjał elektryczny. Strzałkowanie napi ħ cia i potencjału elektrycznego. Ruch ła-

dunków w ciele pod wpływem pola elektrycznego

II. ELEMENTY I PODSTAWOWE UKŁADY REZYSTANCYJNE . . . . . . . . . . . . . . 17

Pole elektryczne przepływowe. Nat ħŇ enie pr Ģ du elektrycznego i g ħ sto Ļę pr Ģ du.

Strzałkowanie pr Ģ du elektrycznego. Prawo Ohma. Rezystancja i konduktancja. Rezy-

stancja odcinka przewodu. Jednostki rezystywno Ļ ci i konduktywno Ļ ci. Rezystancja

przej Ļ cia mi ħ dzy kul Ģ a niesko ı czonym Ļ rodowiskiem. Prawo Joule’a. Zale Ň no Ļę re-

zystancji od temperatury. Rezystancje nieliniowe i liniowe. Szeregowe poł Ģ czenie re-

zystancji liniowych. Równoległe poł Ģ czenie rezystancji liniowych. Przekształcenie

gwiazda-trójk Ģ t i odwrotne

ROZDZIAŁ 2. E l e k t r o s t a t y k a . K o n d e n s a t o r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

III. INDUKCJA ELEKTRYCZNA. DIELEKTRYKI. POJEMNO ĺĘ ELEKTRYCZNA . 25

Prawo Coulomba. Pole elektrostatyczne w pró Ň ni. Zjawisko indukcji elektrostatycz-

nej. Indukcja elektrostatyczna i strumie ı indukcji elektrostatycznej. Twierdzenie

Gaussa. Indukcja elektryczna i strumie ı elektryczny. Przewodniki w polu elektrosta-

tycznym. Pole elektrostatyczne w dielektrykach. Polaryzacja dielektryków. Wektor

polaryzacji elektrycznej. Indukcja elektryczna w dielektryku i przenikalno Ļę elek-

tryczna dielektryka. Pr Ģ d przesuni ħ cia dielektrycznego. Pr Ģ d przesuni ħ cia dielek-

trycznego i pr Ģ d upływno Ļ ciowy. Rozkłady pól w dielektrykach rzeczywistych. Po-

jemno Ļę elektryczna kondensatora i ciała odosobnionego. Pojemno Ļę kondensatora

płaskiego. Jednostka przenikalno Ļ ci elektrycznej. Pojemno Ļę kondensatora cylin-

drycznego (kabla jedno Ň yłowego z powłok Ģ )

IV. UKŁADY POŁ ġ CZE İ KONDENSATORÓW. ENERGIA POLA ELEKTRO-

STATYCZNEGO. WYTRZYMAŁO ĺĘ ELEKTRYCZNA DIELEKTRYKÓW . . . . 33

Równoległe poł Ģ czenie pojemno Ļ ci liniowych. Szeregowe poł Ģ czenie pojemno Ļ ci li-

niowych. Przekształcenie gwiazda-trójk Ģ t i odwrotne. Energia pola elektrostatyczne-

go. G ħ sto Ļę energii pola elektrostatycznego. Energia tracona w czasie ładowania i

rozładowania kondensatorów. Wytrzymało Ļę elektryczna dielektryków. Zag ħ szczenie

linii pola elektrycznego przy krzywiznach powierzchni elektrod. Ci Ļ nienie elektrosta-

tyczne

Spis tre Ļ ci

ROZDZIAŁ 3. E l e m e n t y o b w o d ó w p r Ģ d u s t a ł e g o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

V. ELEMENTY UKŁADÓW I OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH . . . . . . . . . . . . . . . 43

Podstawowe elementy funkcjonalne i schemat obwodu elektrycznego. Elementy ak-

tywne i pasywne. Strzałkowanie generatorowe i odbiornikowe. Elementy struktury

obwodów elektrycznych. Prawa Kirchhoffa. Bilans mocy obwodu elektrycznego (za-

sada Tellegena). Poj ħ cie obwodu pr Ģ du stałego. Podstawowe elementy gał ħ zi obwo-

dów pr Ģ du stałego. Rezystancja statyczna i dynamiczna. Obwód nieliniowy pr Ģ du sta-

łego. Prawa Kirchhoffa dla obwodów pr Ģ du stałego. Moce wydawane i pobierane

przez gał ħ zie w obwodzie pr Ģ du stałego. Bilans mocy obwodu pr Ģ du stałego

VI. PODSTAWOWE UKŁADY PR ġ DU STAŁEGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Rzeczywiste Ņ ródło napi ħ ciowe obci ĢŇ one rezystancj Ģ . Rzeczywiste Ņ ródło pr Ģ dowe

obci ĢŇ one konduktancj Ģ . Równowa Ň no Ļę rzeczywistych Ņ ródeł napi ħ ciowych i pr Ģ -

dowych. Ł Ģ czenie Ņ ródeł pr Ģ du stałego. Linia zasilaj Ģ ca odbiornik pr Ģ du stałego.

Dzielnik napi ħ cia. Rozszerzanie zakresu pomiarowego woltomierza. Dzielnik pr Ģ du.

Rozszerzanie zakresu pomiarowego amperomierza

ROZDZIAŁ 4. R o z w i Ģ z y w a n i e o b w o d ó w p r Ģ d u s t a ł e g o . . . . . . . . . . . . 57

VII. ANALIZA OBWODÓW NIEROZGAŁ Ħ ZIONYCH PR ġ DU STAŁEGO.

ELEMENTY TOPOLOGII OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Obwód liniowy nierozgał ħ ziony, bez Ņ ródeł pr Ģ dowych. Obwód liniowy nierozgał ħ -

ziony, z rzeczywistymi Ņ ródłami pr Ģ dowymi. Obwód z rezystorem nieliniowym -

rozwi Ģ zanie analityczne. Obwód z rezystorem nieliniowym - rozwi Ģ zanie graficzne.

Obwód z rezystorem liniowym zadanym parametrycznie - rozwi Ģ zanie graficzne.

Wst ħ p topologiczny do analizy rozgał ħ zionych obwodów elektrycznych. Współczyn-

niki incydencji

VIII. GAŁ Ħ ZIE NORMALNE. PR ġ DOWE I NAPI Ħ CIOWE RÓWNANIA RÓWNO-

WAGI. RÓWNANIA RÓWNOWAGI WZGL Ħ DEM PR ġ DÓW . . . . . . . . . . . . . . 65

Sposoby przedstawienia gał ħ zi. Liczby pr Ģ dowych i napi ħ ciowych równa ı równowa-

gi obwodu. Równania pr Ģ dów w w ħ złach. Równania napi ħę w oczkach. Równania

równowagi wzgl ħ dem pr Ģ dów – posta ę ogólna. Równania równowagi wzgl ħ dem pr Ģ -

dów dla obwodów z gał ħ ziami napi ħ ciowymi

IX. RÓWNANIA RÓWNOWAGI WZGL Ħ DEM NAPI ĦĘ . METODA OCZKOWA.

METODA W Ħ ZŁOWA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Równania równowagi wzgl ħ dem napi ħę . Metoda oczkowa (dla obwodów ze Ņ ródłami

napi ħ ciowymi). Metoda w ħ złowa (dla obwodów ze Ņ ródłami pr Ģ dowymi)

X. ZASADA SUPERPOZYCJI. „PRZENOSZENIE” ń RÓDEŁ W OBWODZIE.

TWIERDZENIA: THEVENINA, NORTONA, O WZAJEMNO ĺ CI,

O KOMPENSACJI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Zasada superpozycji. „Przenoszenie” Ņ ródeł do innych gał ħ zi. Konduktancje mi ħ dzy-

gał ħ ziowe i wej Ļ ciowe. Twierdzenie Thevenina. Rezystancje mi ħ dzygał ħ ziowe i wej-

Ļ ciowe. Twierdzenie Nortona. Przykład wyznaczenia ogólnej zale Ň no Ļ ci na podstawie

twierdzenia Thevenina. Przykład wyznaczenia ogólnej zale Ň no Ļ ci na podstawie

twierdzenia Nortona. Twierdzenie o wzajemno Ļ ci. Twierdzenie o kompensacji

ROZDZIAŁ 5. M a g n e t o s t a t y k a . C e w k i i n d u k c y j n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

XI. POLE I OBWODY MAGNETYCZNE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Pole magnetyczne i jego Ņ ródła. Indukcja magnetyczna. Strumie ı magnetyczny. Na-

t ħŇ enie pola magnetycznego. Przenikalno Ļę magnetyczna. Prawo Biota-Savarta-

Elektrotechnika podstawowa

Laplace’a. Prawo przepływu pr Ģ du (prawo Ampere’a). Oddziaływanie elektrodyna-

miczne. Definicja jednostki pr Ģ du elektrycznego. Diamagnetyki i paramagnetyki. Fer-

romagnetyki. Polaryzacja magnetyczna (magnetyzacja). Prawa dotycz Ģ ce obwodów

strumienia stałego (magnetostatycznych). Obwód magnetostatyczny nierozgał ħ ziony.

Obwód magnetostatyczny rozgał ħ ziony

XII. INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Prawo indukcji elektromagnetycznej (prawo Faradaya). Reguła Lenza. Cewka induk-

cyjna. Indukcyjno Ļę własna. Indukcyjno Ļę wzajemna. Energia pola magnetycznego

cewki. Energia pola magnetycznego cewek sprz ħŇ onych. G ħ sto Ļę energii pola magne-

tycznego. Transformator bezstratny. Transformator idealny a transformator bezstrat-

ny. Transformator rzeczywisty

ROZDZIAŁ 6. E l e m e n t y o b w o d ó w p r Ģ d u s i n u s o i d a l n e g o . . . . . . . . . 109

XIII. PRZEBIEGI WIELKO ĺ CI ZMIENNYCH W CZASIE.

ELEMENTY R, C, L i M PRZY PR ġ DZIE SINUSOIDALNYM . . . . . . . . . . . . . . 111

Klasyfikacja przebiegów zmiennych w czasie. Składniki przebiegu okresowego. War-

to Ļ ci Ļ rednie pr Ģ du i napi ħ cia okresowego. Moc Ļ rednia i energia w obwodzie pr Ģ du

okresowego. Warto Ļ ci skuteczne pr Ģ du i napi ħ cia okresowego. Warto Ļ ci wyprosto-

wane pr Ģ du i napi ħ cia okresowego. Współczynniki szczytu oraz kształtu pr Ģ du i na-

pi ħ cia okresowego. Współczynniki szczytu oraz kształtu pr Ģ du i napi ħ cia sinusoidal-

nego. Współczynniki sinusoidalno Ļ ci pr Ģ du i napi ħ cia przemiennego. Współczynniki

udziału wy Ň szych harmonicznych pr Ģ du i napi ħ cia przemiennego. Wielko Ļ ci charak-

teryzuj Ģ ce dwójnik liniowy przy pr Ģ dzie sinusoidalnym. Elementy R, C, L, M w ob-

wodzie pr Ģ du sinusoidalnego

XIV. UKŁADY DWÓJNIKÓW Z ELEMENTAMI R, L, C.

MOCE DWÓJNIKÓW. REZONANS ELEKTRYCZNY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Układ szeregowy R, L, C (gał ĢŅ R, X). Układ równoległy R, L, C (gał ĢŅ G, B). Pa-

rametry dwójników równowa Ň nych. Moce dwójnika pasywnego (czynna, bierna i po-

zorna). Rezonans elektryczny. Charakterystyki szeregowego obwodu rezonansowego.

Rezonans w dwójniku o układzie mieszanym

XV. WYKRESY WSKAZOWE PR ġ DU I NAPI Ħ CIA SINUSOIDALNEGO.

METODA SYMBOLICZNA ROZWI ġ ZYWANIA OBWODÓW . . . . . . . . . . . . . . 123

Wskazy pr Ģ du i napi ħ cia sinusoidalnego. Idea wykresu wskazowego obwodu. Wykre-

sy wskazowe i wykresy trójk Ģ towe dwójników pasywnych. Warto Ļ ci symboliczne

pr Ģ du i napi ħ cia sinusoidalnego. Własno Ļ ci metody symbolicznej rozwi Ģ zywania ob-

wodów pr Ģ du sinusoidalnego. Moc zespolona. Posługiwanie si ħ rachunkiem symbo-

licznym w rozwi Ģ zywaniu obwodów

ROZDZIAŁ 7. R o z w i Ģ z y w a n i e o b w o d ó w p r Ģ d u s i n u s o i d a l n e g o . . 131

XVI. WYBRANE KONFIGURACJE OBWODÓW PR ġ DU SINUSOIDALNEGO . . . . 133

Przekształcenie trójk Ģ t-gwiazda i odwrotne, przy pr Ģ dzie sinusoidalnym. Układy

dzielników napi ħ cia i pr Ģ du sinusoidalnego. Charakterystyki zewn ħ trzne sinusoidal-

nych Ņ ródeł napi ħ ciowych. Równowa Ň no Ļę rzeczywistych sinusoidalnych Ņ ródeł na-

pi ħ ciowych i pr Ģ dowych. Dopasowanie odbiornika do Ņ ródła napi ħ ciowego ze wzgl ħ -

du na moc czynn Ģ . Dopasowanie odbiornika do Ņ ródła napi ħ ciowego ze wzgl ħ du na

moc pozorn Ģ . Dopasowanie impedancji odbiornika do Ņ ródła poprzez doł Ģ czenie re-

aktancji. Dopasowanie impedancji odbiornika do Ņ ródła za pomoc Ģ transformatora.

Dwójnik z poł Ģ czonymi szeregowo dwiema cewkami sprz ħŇ onymi magnetycznie.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: