1. Демірчян К.С., Нейман Л.Р, Коровкін Н.В, Чечуріна В.Л. Теоретичні основи електротехніки У першому...
2. Вступ

Демірчян К.С., Нейман Л.Р, Коровкін Н.В, Чечуріна В.Л.
Теоретичні основи електротехніки

У першому томі узагальнені основні відомості про електромагнітні явища і сформульовані основні поняття і закони теорії електричних і магнітних кіл. Описуються властивості лінійних електричних ланцюгів; наводяться методи розрахунку усталених процесів в електричних ланцюгах; розглядаються резонансні явища в ланцюгах і питання аналізу трифазних ланцюгів. У підручник включені розділи, що сприяють самостійного вивчення складного теоретичного матеріалу. Всі розділи супроводжуються питаннями, вправами і завданнями. До більшості з них наведено відповіді і рішення. Підручник призначений для студентів вищих технічних навчальних закладів, в першу чергу електротехнічного і електроенергетичного напрямів.

Завантажити том 1 зміст

У другому томі викладено методи аналізу перехідних процесів в електричних ланцюгах, особливу увагу приділено їх чисельного аналізу. Розглянуто методи синтезу і діагностики електричних ланцюгів, аналізу чотириполюсників, а також сталих і перехідних процесів в електричних ланцюгах з розподіленими параметрами. Аналізуються елементи нелінійних електричних ланцюгів, наводиться розрахунок нелінійних електричних і магнітних кіл. Дано основи теорії коливань і методів розрахунку перехідних процесів в нелінійних електричних ланцюгах. У підручник включені розділи, що сприяють самостійного вивчення складного теоретичного матеріалу. Всі розділи супроводжуються питаннями, вправами і завданнями. До більшості з них наведено відповіді і рішення. Підручник призначений для студентів вищих технічних навчальних закладів, в першу чергу електротехнічного і електроенергетичного напрямів.

Завантажити том 2 зміст

У третьому томі наведені рівняння електромагнітного поля і граничні умови на поверхнях розділу середовищ з різними властивостями, а також рівняння електростатичного поля, електричного і магнітного полів постійного струму і змінного електромагнітного поля. Наведено методи розрахунку електричної ємності і індуктивності, сучасні методи чисельного аналізу електромагнітного поля. У підручник включені розділи, що сприяють самостійного вивчення складного теоретичного матеріалу. Всі розділи супроводжуються питаннями, вправами і завданнями. До більшості з них наведено відповіді і рішення. Підручник призначений для студентів вищих технічних навчальних закладів, в першу чергу електротехнічного і електроенергетичного напрямів.

Завантажити том 3 зміст

Передмова

Курс «Теоретичні основи електротехніки» в нашій країні ставав протягом всього ХХ ст. в умовах інтенсивного розвитку промисловості, а також масштабного виробництва, перетворення, передачі і розширюєтьсяобластей застосування енергії електромагнітного поля. У Ленінграді він створювався і розвивався дійсними членами Академії наук СРСР В. Ф. Міткевич, Л. Р. Нейманом і професором П. Л. Калантарова. Після Великої Вітчизняної війни вони створили і в 1948 р видали унікальний підручник саме по курсу ТОЕ, який став провідним у СРСР. Цей підручник був переведений і виданий в багатьох країнах і зіграв вирішальну роль у створенні в них власних шкіл по ТОЕ. У 1966 р розвиток курсу ТОЕ знайшло своє відображення в новому підручнику, створеному Л. Р. Нейманом і його учнем К. С. Демірчяном. Цей підручник за курсом ТОЕ виходить через 20 років після його останнього, третього видання.

Первісну програму робіт з підготовки четвертого видання довелося змінити після подій 1991 р і подальшого якісного зміни економічних і організаційних основ мотивації підготовки наукових і інженерних кадрів в Росії. За 20 років істотно змінилися також технічні засоби обчислень і їх доступність. Значно підвищилася роль інформаційних технологій в процесі навчання і професійної діяльності. У новий підручник довелося ввести також і корективи, пов'язані зі зменшенням аудиторних годин безпосереднього спілкування студентів з викладачами і збільшенням частки курсу, освоюваної самостійно. У зв'язку з цим підручник доповнений розділами, що дозволяють забезпечити його самостійне освоєння. Н. В. Коровкін та В. Л. Чечуріна були розроблені і включені в підручник нові розділи, питання, методичні вказівки, задачник і приклади розв'язання найбільш типових задач.

Столітній досвід викладання курсу ТОЕ в СРСР і Росії показує, що первісна орієнтація курсу на первинність розуміння особливостей електромагнітних процесів в розглянутому конкретному пристрої над формально-розрахунковими методами набуває все більш важливе значення. Розвиток можливостей ЕОМ і їх програмного забезпечення в даний час і в перспективі такі, що вивчення розрахункових методів для їх освоєння і розвитку перестає бути пріоритетним. На передній план виступає необхідність розуміння суті досліджуваних явищ і методичних основ стандартних програмних засобів для оцінки надійності отриманих чисельних і графічних даних і їх відповідності реальним особливостям розраховується пристрою або явища. Однією з найважливіших завдань пропонованого підручника є створення у читача саме вміння і звички вникати в суть фізичних явищ, що відбуваються в досліджуваних системі або пристрої.

Слід відзначити особливу роль одного з авторів цього підручника, видатного вченого-електротехніка, академіка АН СРСР Л. Р. Неймана, в розвитку предмета і курсу «Теоретичні основи електротехніки» не тільки в СРСР, а й у багатьох країнах, де цей предмет з'явився, завдяки його працям і підручниками. Мені і моїм учням В. Л. Чечуріна і Н. В. Коровкін дісталася почесна і важке завдання бути гідними продовжувати традиції, закладені в курс ТОЕ його засновниками - завідувачами кафедрою ТОЕ Ленінградського політехнічного інституту академіками АН СРСР Володимиром Федоровичем Міткевич, Леонідом Робертович Нейманом і професором Павлом Лазаровичем Калантарова.

Автори вважають своїм обов'язком перш за все подякувати професора І. Ф. Кузнєцова за його велику працю по редагуванню цього підручника, завідувача кафедри ТОЕ Санкт-Петербурзького державного політехнічного університету професора В. Н. Боронина - за організацію роботи зі створення підручника, завідувача кафедри ТОЕ Московського енергетичного інституту, члена-кореспондента РАН П. А. Бутиріна та професора В. Г. Миронова, надали допомогу при виданні підручника.

Автори вдячні доценту Е. Е. Селін і старшому викладачеві Т. І. Королевою за допомогу в розробці питань, вправ і завдань. Дуже корисною була допомога аспірантів А. С. Адалева, Ю. М. Балагули, Т. Г. Міневіч, М. В. Ейдеміллер, які підготували рішення пропонованих завдань, що допомогло їм при завершенні роботи над дисертаціями. Автори вдячні кандидату технічних наук А. Н. модуліни і інженеру В. А. Кузьміної за неоціненну допомогу в підготовці рукопису до друку, а також доценту Р. П. Кіяткіну і всім співробітникам кафедри ТОЕ Санкт-Петербурзького державного політехнічного університету, які зробили корисні зауваження при обговоренні нових розділів підручника на основі використаних в цьому виданні методичних розробок кафедри.

Завершення і оформлення видання цього підручника у вирішальній мірі сприяла фінансова допомога РФФД.

Вступ

Теоретична електротехніка в Росії і СРСР розвивалася на основі визнання матеріальності електромагнітного поля і важливості розуміння картини протікання даних фізичних процесів для їх практичного використання та опису у вигляді математичних моделей. Розвиток цієї школи протягом ХХ століття відрізняється освоєнням досягнень в областях, головним чином, фізики електромагнітних явищ і прикладної математики. Характерним для цього періоду для вчених Росії і СРСР слід вважати практичну неподільність досліджень фізичних явищ, розробки моделей цих явищ і вирішення прикладних завдань, пов'язаних з розрахунком досліджуваних фізичних величин.

Перші праці в області електрики в Росії належать геніальному російському вченому академіку М. В. Ломоносову. М. В. Ломоносов, який створив в різних областях науки багато чудових праць, присвятив велику кількість робіт вивченню електрики. У своїх теоретичних дослідженнях він висував положення, які значно випереджали його епоху, і ставив проблеми виключної глибини. Так, за його пропозицією в 1755 р Академія наук висунула в якості конкурсної теми на премію завдання «знайти справжню електричній сили причину і скласти точну її теорію».

Сучасником М. В. Ломоносова був російський академік Ф. Епінус. Йому належить пріоритет відкриття термоелектричних явищ і явища електростатичної індукції. Особливо слід відзначити зроблений ним в 1758 р в Академії наук доповідь на тему «Мова про спорідненість електричній сили і магнетизму».

В даний час нам добре відомо, що між електричними і магнітними явищами існує нерозривний зв'язок, і це положення лежить в основі сучасного вчення про електромагнітні явища. Однак до такого переконання наукова думка прийшла лише в результаті тривалого накопичення досвідчених фактів, і протягом довгого часу явища електричні та явища магнітні розглядалися як самостійні, не мають між собою зв'язку. Перше ґрунтовне наукове твір про магнітних і електричних явищах, що належить Гильберту, вийшло в 1600 р У цій праці Гільберт прийшов, однак, до неправильного висновку, що електричні та магнітні явища не мають між собою зв'язку.

Подібність між механічним взаємодією електрично заряджених тіл і механічним взаємодією полюсів магнітів природно призвело до спроби однаково пояснити ці явища. Виникло уявлення про позитивної та негативної магнітних масах, розподілених на кінцях магніту і є причиною магнітної взаємодії. Однак подібне припущення, як нам тепер відомо, не відповідає фізичній природі магнітних явищ. Воно виникло історично по аналогії з поданням про позитивний і негативний електриці, що відповідає фізичної сутності електричних явищ. Відповідно до сучасних уявлень, електричний заряд будь-якого тіла утворюється сукупністю зарядів, що знаходяться в безперервному русі позитивно або негативно заряджених елементарних частинок - протонів, електронів і т. Д.

Кількісні співвідношення, що характеризують механічні взаємодії електрично заряджених тіл і механічні взаємодії магнітних мас полюсів магніту, першим опублікував в 1785 р Кулон. Але вже Кулон звернув увагу на суттєву різницю між магнітними масами і електричними зарядами.

Різниця випливає з таких простих дослідів. Нам без праці вдається відокремити один від одного позитивний і негативний електричні заряди, але ніколи і ні за яких умов не вдається зробити досвід, в результаті якого були б відокремленими один від одного позитивна і негативна магнітні маси. У зв'язку з цим Кулон висловив припущення, що окремі малі елементи обсягу магніту при його намагнічуванні звертаються в маленькі магнітики і що лише всередині таких елементів обсягу позитивні магнітні маси зміщуються в одному напрямку, а негативні - в протилежному напрямку.

Однак якби позитивна і негативна магнітні маси мали самостійне існування всередині елементарних магнітиків, то все ж можна було б сподіватися в будь-якому досвіді, в якому здійснювалося б безпосередній вплив на ці елементарні магнітики, відокремити негативну масу від позитивної подібно до того, як, впливаючи на молекулу, що має сумарний електричний заряд, рівний нулю, нам вдається розщепити її на негативно і позитивно заряджені частинки - так звані іони. Але і в елементарних процесах ніколи не виявляються окремо існуючі позитивна і негативна магнітні маси.

Розкриття дійсної природи магнітних явищ відноситься до початку позаминулого століття. Цей період знаменується низкою чудових відкриттів, які встановили найтісніший зв'язок між явищами електричними і явищами магнітними.

У 1820 р Ерстед зробив досліди, в яких виявив механічний вплив електричного струму на магнітну стрілку.

У 1820 р Ампер показав, що соленоїд з струмом по своїм діям аналогічний магніту, і висловив думку, що і для постійного магніту справжньою причиною виникнення магнітних дій є також електричні струми, замикаються за деякими елементарним контурам всередині тіла магніту. Ці ідеї знайшли конкретний вияв в сучасних уявленнях, згідно з якими магнітне поле постійного магніту обумовлено елементарними електричними струмами, що існують в речовині магніту і еквівалентними магнітним моментам елементарних частинок, що утворюють речовину. Зокрема, ці елементарні струми є результатом обертання електронів навколо своїх осей, а також обертання електронів по орбітах в атомах.

Таким чином, ми приходимо до переконання, що магнітних мас насправді не існує.

Всіма згаданими дослідженнями було встановлено найважливіше положення, що рух електрично заряджених частинок і тіл завжди супроводжується магнітними явищами. Цим самим уже було показано, що магнітні явища не є, як вважав Гільберт, чого-небудь самостійного, ніяк не пов'язаного з явищами електричними. У 1831 Фарадей повідомив про відкриття явища електромагнітної індукції. Він виявив виникнення електричного струму в контурі, що рухається щодо магніту або щодо іншого контуру зі струмом. Таким чином, було показано, що і електричні явища можуть виникати як наслідок процесів, що відносяться до області магнітних явищ.

У 1833 р російський академік Е. Х. Ленц вперше сформулював надзвичайно важливе положення, в якому встановлювалися спільність і оборотність явищ, відкритих Ерстед і Фарадеєм. У цьому положенні містилася основа важливого принципу оборотності електричних машин. Е. X. Ленц встановив правило визначення напрямку индуктированного струму, що виражає фундаментальний принцип електродинаміки - принцип електромагнітної інерції.

У зв'язку з усіма цими відкриттями необхідно особливо відзначити основну ідею, якої незмінно керувався в своїх дослідженнях Фарадей і яка була розвинена в працях академіка В. Ф. Миткевича, - ідею про фізичну реальність процесу, що здійснюється в просторі між електрично зарядженими тілами і між контурами з електричними струмами. Згідно з цими уявленнями, взаємодія заряджених тіл, а також взаємодія контурів зі струмами здійснюються за посередництвом навколишнього їх електромагнітного поля, що є особливим видом матерії.

Заслуга створення теорії електромагнітного поля належить Максвеллу, виклавши її в класичній праці «Трактат про електрику і магнетизм», що вийшов в 1873 р Цей трактат містить виклад в математичній формі і подальше поглиблення і розширення основних фізичних ідей Фарадея.

Експериментальне підтвердження і розвиток максвелловой теорії електромагнітного поля здійснені Герцем (1886-1889 рр.) В його чудових дослідах по отриманню та поширенню електромагнітних хвиль, в роботах П. Н. Лебедєва (1895 г.) з генерування та поширення електромагнітних хвиль дуже короткої довжини, в його класичних дослідах (1900-1910 рр.), в яких було експериментально доведено тиск світла, у винаході радіо А. С. Поповим (1895 г.) і в здійсненні ним радіозв'язку, а також у всьому подальшому розвитку практичного та теоретичного й радіотехніки.

Всі перераховані відкриття привели до визнання глибокої зв'язку між явищами електричними і явищами магнітними. У загальній сукупності теоретичних проблем, що відносяться до області електромагнітних явищ, все більшого розвитку набуває теорія електричних і магнітних кіл. В основі теорії електричних ланцюгів лежать закони, встановлені Омом (1827 г.), Джоулем (1841 г.), Ленцем (1842 р) і Кирхгофом (1847 р). У наступну розробку цієї теорії великий вклад внесли багато вітчизняних і зарубіжних вчених.

У Сейчас годину у зв'язку з ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ ускладненням електроенергетічніх систем, радіотехнічної та електровімірювальної апаратури, систем автоматичного контролю і управління, швідкодіючіх Електрон обчислювальних машин и інформаційних технологій вінікає необходимость создания узагальненіх методів АНАЛІЗУ, при якіх цілі комплекси елементів електричного кола, что є частинами ціх Складна систем и виконують певні функції, розглядаються за допомогою їх узагальнених параметрів. Такими комплексами елементів ланцюга є, наприклад, генеруючі, передавальні або перетворюють електромагнітну енергію пристрої в електроенергетичних системах, генератори, підсилювачі і перетворювачі сигналів в системах проводового зв'язку, радіо- і телепередачі, електричних вимірювань та автоматичного управління і контролю, джерела живлення, блоки, виконують логічні операції в електронних обчислювальних машинах, дискретні цифрові перетворювачі і т. п.

Ці окремі комплекси включають в себе лінійні елементи ланцюга, параметри яких не залежать від струму, наприклад резистори, індуктивні котушки, конденсатори, а також нелінійні елементи ланцюга з параметрами, залежними від струму або напруги, наприклад електронні лампи, транзистори, індуктивні котушки з феромагнітними сердечниками . Ці елементи ланцюга по-різному з'єднані між собою і утворюють уже всередині таких комплексів досить складні електричні ланцюги. Самі ж комплекси, в свою чергу, тим або іншим способом з'єднуються між собою, утворюючи складні системи.

Узагальнені методи аналізу складних систем дають можливість досліджувати взаємодію цих окремих комплексів, що є частинами системи. Вихідними для побудови таких узагальнених методів є ті ж основні фізичні закони електричних ланцюгів - закони Ома і Кірхгофа, які використовуються і для розрахунку порівняно нескладних електричних ланцюгів.

Точно так же отримує подальший розвиток теорія електромагнітного поля в зв'язку з розвитком наземного і космічного радіозв'язку і радіоастрономії, а також з усе більш широким використанням електричних і магнітних полів і електромагнітних випромінювань в нових електротехнологічних і електрофізичних установках.

Все викладене подавала завжди і особливо пред'являє в даний час вимоги до організації на високому науковому рівні вищого електротехнічного освіти. В цьому відношенні історично мало велике значення створення перших наукових дисциплін для вищої школи, в яких викладалися теоретичні проблеми електротехніки. У 1904 р професор В. Ф. Міткевич почав читати в Петербурзькому політехнічному інституті створений ним курс «Теорія явищ електричних і магнітних», а потім курс «Теорія змінних струмів». У 1905 р професор К. А. Круг почав читання в Московському вищому технічному училищі свого курсу «Теорія змінних струмів», а потім курсу «Основи електротехніки».

В подальшому ці теоретичні дисципліни розвивалися відповідно до нових фізичними ідеями, новими теоретичними та експериментальними методами дослідження електромагнітних явищ і виключно швидким розвитком технічних застосувань цих явищ і утворили дисципліну, що має нині найменування «Теоретичні основи електротехніки».

Курс «Теоретичні основи електротехніки» містить чотири частини. Перша, порівняно коротка частина, іменована «Основні поняття і закони теорії електромагнітного поля і теорії електричних і магнітних кіл», містить узагальнення понять і законів з області електромагнітних явищ на основі відомостей, отриманих в курсі фізики, і розвиток формулювань і визначень основних понять і законів теорії електричних і магнітних кіл, що відносяться до всіх розділів цієї теорії. Ця частина повинна розглядатися як зв'язує курс фізики з курсом теоретичних основ електротехніки і забезпечує фізичне уявлення про процеси, що відбуваються в електричних і магнітних колах і в електромагнітних полях. Вона має велике значення для правильної математичної формулювання завдань, що вирішуються методами, що викладені в наступних частинах курсу. Освоєння матеріалу цієї частини має важливе значення в зв'язку з тим, що програмне забезпечення сучасних і перспективних ЕОМ здатне реалізувати чисельні розрахунки для широкого спектра математичних моделей. Щоб уникати помилкових трактувань результатів розрахунку, представлених у вигляді чисельних і графічних даних, фахівцям необхідно глибоке розуміння фізичної суті досліджуваного явища.

Друга, найбільша за обсягом частина курсу іменується «Теорія лінійних електричних ланцюгів». У ній викладаються властивості лінійних електричних ланцюгів і методи розрахунку процесів в таких ланцюгах. В основному в цій частині розглянуті методи аналізу ланцюгів, т. Е. Визначення процесів в заданих ланцюгах, але також приділяється увага і синтезу і діагностики ланцюгів, т. Е. Питань про побудову електричних ланцюгів з наперед заданими властивостями і методам експериментального визначення параметрів реальних пристроїв . Лінійними називають ланцюга, параметри всіх елементів яких не залежать від струму і напруги. По відношенню до них застосуємо важливий принцип, званий принципом накладення. За принципом накладення слідства, що викликаються в деякої фізичної обстановці спільною дією кількох однорідних причин, є сумою наслідків, що викликаються в тій же фізичної обстановці кожної з цих причин окремо. Використання цього принципу дає можливість поширити результати, отримані для простих випадків, на випадки більш складні. І навпаки, застосування цього принципу дозволяє розчленувати складну задачу на кілька простіших. Ми будемо широко користуватися принципом накладення при вивченні лінійних електричних ланцюгів, а також при вивченні електромагнітних полів в лінійних середовищах, параметри яких не залежать від інтенсивності процесу.

Третя частина має назву «Теорія нелінійних електричних і магнітних кіл». У ній викладаються властивості нелінійних електричних і магнітних кіл і методи розрахунку відбуваються в них процесів. Параметри таких ланцюгів залежать від струму, напруги або магнітного потоку, і це призводить до суттєвого ускладнення математичного аналізу процесів в цих ланцюгах. Разом з тим ці питання мають велике значення в зв'язку з широким використанням елементів ланцюгів з нелінійними характеристиками в сучасних пристроях.

Остання, четверта, частина має назву «Теорія електромагнітного поля». Багато електротехнічні проблеми не можуть бути повністю розглянуті за допомогою теорії ланцюгів і можуть бути вирішені лише методами теорії електромагнітного поля. Перш за все, для розрахунку параметрів електричних і магнітних кіл необхідно знати електричні і магнітні поля, пов'язані з цими ланцюгами. Це цілком закономірно, оскільки параметри електричних і магнітних кіл, фактично, відображають в собі в інтегральної формі конфігурацію електричних і магнітних полів, пов'язаних з розглянутими ланцюгами, і фізичні властивості середовища, в якій існують ці поля. Ряд дуже важливих питань може бути вирішене тільки методами, що розвиваються тільки в теорії поля. До таких питань належать, наприклад, випромінювання електромагнітних хвиль антеною і поширення їх в просторі. Наявність основних закономірностей, сформульованих в першій частині курсу, дає можливість почати розгляд теорії електромагнітного поля з загальних рівнянь, що характеризують це поле в цілому, і показати, що випадки, в яких виявляється тільки електричне або тільки магнітне поле, є окремі випадки, коли умови спостереження такі, що в деякій обмеженій області простору виявляється тільки одна сторона електромагнітного процесу. Цим яскраво виділяється думка про єдність електричних і магнітних явищ.

У підручник введено велику кількість нових методичних матеріалів у вигляді питань, вказівок і прикладів вирішення найбільш типових задач, а також задачник. Ці нові розділи допоможуть заповнити збиток, нанесений безпосередньому спілкуванню студентів з викладачами в зв'язку зі зменшенням аудиторних годин. Вони можуть бути корисними для більш свідомого і ефективного освоєння тих розділів курсу, які повинні бути вивчені самостійно.

Питання, вправи і завдання групуються так, щоб вони охоплювали кілька глав теоретичного курсу. Наприклад, група нових методичних матеріалів слід після першої частини курсу (фізичні основи електротехніки). Наступна група питань, вправ і завдань об'єднує другий розділ курсу -основні поняття теорії електричних і магнітних кіл. Таким чином, при вивченні курсу з'являється можливість, використовуючи ці методичні матеріали, закріпити отримані теоретичні знання.

Складність пропонованих питань і вправ різна, питання і вправи з розділу курсу розташовані по мірі зростання їх складності. Найбільш складні вправи виділені в групи завдань.

Підбір питань, вправ і завдань здійснювався з міркувань не тільки засвоєння теоретичної частини курсу, а й більш поглибленого розуміння і вивчення найбільш складних ідей і методів теоретичної електротехніки. Деякі з пропонованих питань і завдань можуть виявитися важкими для тих, хто вивчає курс студентів, але будуть корисними не тільки для них, але і для аспірантів та інженерів.

Ув'язнені в дужки літери (О) і (Р) в розділах «Питання, вправи, завдання до глав ...» означають, що в кінці тому наведені відповідь або рішення на відповідне питання, вправа або завдання.

Зміст, розташування і виклад цього методичного матеріалу в підручнику такі, що істотно полегшується процес заочного або самостійного освоєння курсу ТОЕ.