КІРІСПЕ

Заманауи электроэнергетика – бұл әлемдік экономиканың негізгі бастауы. Ол ғылыми-техникалық дамуда, өндірістің кез-келген саласының қарқынды дамуында маңызды рөл атқарады. Заманауи қоғамның барлық қызметтері аумағында электрлік энергия қолданылады. Оның керемет қасиеттері басқа энергия түрлерін былай қамтамасыз етеді:

• энергияның басқа түрге (механикалық, химиялық, жылулық, жарықтық, атомдық) түрленуіне қатысты қарапайым ауысуы;

• жоғары ПӘК бар энергияны үлкен қашықтықтарға жеткізе алудың оңайлылығы және оның тұтынушылар арасындағы орнын үлестіру;

• басқа энергия түріне түрлендірудің қарапайымдылығы;

• әртүрлі қуатты тек бір ғана құрылғы көзіне қосу мүмкіншілігі;

• параметрлерді (кернеу мен ток) қарапайым түрде өлшеу;

• практикада сигналды үлкен қашықтыққа тез арада беру мүмкіншілігі

(телефон, телеграфия, радиотехника).

Электрлік энергияның бұл қасиеттері өте қысқа тарихи мерзімде электрониканың негізгі қасиеттерін шешіп қана қойған жоқ, сонымен қатар "электрлік техниканы" жетілдіріп, оны бақылау және басқаруды электрлік құралдардың көмегімен жоғары сапалы дәрежеге жеткізді.

Электроника, радиотехника, әртүрлі электірлік және электрмеханикалық қондырғылардың өндірілуі, соның ішінде есептеу техникасы электротехникалық ғылымның базасында даму бастады.

Электротехниканың ең алғашқы басталуы кезеңі (ХІХ ғ. басы) тұрақты ток көзі шыққанан периодқа және содаң кейінгі табылған электрлік пен магнетизм обасындағы ашылымдарға жатады. Электрлік және магниттік қасиеттер терең ескі заманнан белгілі болған, бірақ осы қасиеттердің ғылыми дамуы 1600 жылы деп есептелінеді,ол ағылшын физигі Гильберттің еңбегілерінің арқасында, сондайақ электрлік және магниттік қасиеттері туралы зерттеу нәтижелерін баспадан шығарғанда. Электріктің қасиеттерінің табиғатын зерттеу нәтижелерін табқан М.В. Ломоносовтың, Г.В. Рихманның, Б.Франклиннің, Ш.О. Кулонның жұмыстары электрлік ғылымның маңызды даму этапы болып саналады.

Қоғамның дамуындағы электр энергияның рөлі мен маңызы елеулі орын алатындығы көпшілікке белгілі. Өндірістің, көліктің әр түрлерінің, ауыл шаруашылығының, байланыстың және тұрмыстың барлық салаларында электр энергиясы кеңінен пайдалануда.

Электр энергиясы өмірдің балық салаларында соншалықты кең таралуының басты себебінің бірі - электромагниттік энергияны өте аз шығынмен алыс қашықтыққа беру және оны энергияның басқа да түрлеріне: механикалық, жарық, жылу, химиялық және т.б. түрленендіру ыңғайлы.

Электр энергиясы кез-келген қуаты бар қабылдағыштарға оңай таратылады. Байланыс техникаларындағы, автоматикадағы және есептеу техникаларындағы қолданылатын қондырғылардың пайдаланатын қуаттың өлшемдері ваттың үлестерімен есептелінсе, электрлік қондырғыларда (қозғалтқыштарда, жылытқыш қондырғыларда) қуаттың өлшемдері мыңдаған және он мыңдаған ваттарды көрсетеді.

ХІХ және ХХ ғасырларда электр туралы ілім даму үстінде болды. Мұнда көңіл аударатын мәселе, электротехниканың дамуының алғашқы сатысында, ол физиканың тарауы ретінде жүріп, өрбіді.

В.В.Петров электр тізбегіне тәжірибе жасады. Соның нәтижесінде ол 1802 ж. атмосфералық қысым жағдайнда екі көмір электродтардың арасындағы электр доғасын тауып және оны зерттеді. Бұл зерттеулердің нәтижелері "Гальвани вольттік тәжірибелерден хабар" атты кітапта жарық көрді (1803ж.).

1819 ж. Эрстед электр тогының магнит тіліне механикалық әсерін тапты, ал Ампер 1820 ж. тогы бар соленоидтың магниттік қасиетін ашты. Сонымен токтың жүрісі магниттік құбылыспен үштасатыны белгілі болды.

1831 ж. М.Фарадей электрмагниттік индукция құбылысын ашып, оны тұжырымдады.

Электрдинамикалық фундаменталдық принципінің яғни электромагниттік инерция принципінің көрінісі болатын, индукциялық токтың бағытын анықтау ережесін 1833 ж. Э.Х. Ленц тағайындады. 1844 ж. Ленц өз бетімен, Джоульдан тәуелсіз, Джоуль-Ленц заңы деп аталатын, электротехниканың маңызды заңын ашты.

ХІХ ғасырдың екінші жартысында, электр және магнитизм жөніндегі тәжірибелерді теориялық жағынан қорытындылаудың нәтижесінде, Дж.Максвелл кеңістікте таралатын, электромагниттік өрістің болатындығы жөнінде болжам жасады. Оның жасаған өріс теориясы, 1873ж. шыққан, "Электр және магнетизм туралы трактат" деген еңбегінде жарық көрді.

Г.Герц 1888ж. жариялаған еңбегінде, кеңістікте таралатын өрісті тәжірибе жүзінде дәлелдегенін хабарлады. Алайда Г.Герц және сол заманда электромагниттік өрісті зерттеген көптеген ғалымдар, өздерінің лабораторияларының шегінен шыға алмады, электромагниттік толқынды сымсыз байланысқа қолдану жолын ойластыра алмады.

Мұндай мақсатты алғаш рет ойдағыдай шешкен атақты орыс ғалымы А.С.Попов болды. Ол дүние жүзінде алғаш рет радиобайланысты 1895ж. жүзеге асырды. Радионың ашылуы адамзат тарихында жаңа дәуірдің бастамасы болды.

Ресейде "Электротехниканың теориялық негіздері" өз алдына пән болып қалыптасыу ХІХ ғасырдың аяғымен ХХ ғасырдың басына сәйкес келеді.

1904 ж. профессор В.Ф.Миткевич Петербор политехникалық институтында "Электрлік және магниттік құбылыстардың теориясы" деген курстан дәрістер оқыды. Шамамен сол кезде, Мәскеудің жоғары техникалық училищесінде, электротехникалық мамандықтан инженерлер даындалып, онда 1905ж. проф. К.А.Круг "Айнымалы токтар теориясы" курсынан дәрістер оқуға кірісті.

"Электротехниканың теориялық негіздері" курсының пәні деп, тізбектер мен өрістердегі өтетін электромагниттік процесстерді сандық және сапалық жағынан оқып үйренуді айтады. Физика және жоғары математика курстарына негізделген бұл курс, осы заманғы электротехникалық құрылымдардың әр түрлі кең кластарына қолданылатын инженерлік есептеулер және талдау әдістеріне толы болады. Сонымен қатар ЭТН курсы өндіріске қажетті болашақ мамандардың электротехника мен радиотехникадан ғылыми көзқарастарының қалыптасып жетілуіне аса маңызды рөль атқарады және бұл курста арнайы электротехникалық және радиотехникалық пәндер негізделеді.

ЭТН курсында электрлік және магниттік құбылыстарды екі тәсілмен сипаттап жазу қолданылады. Оның бірі тізбектер теориясы, ал екіншісі өріс теориясы.

Тізбектер теориясында нақты электротехникалық құрылымдарды жобамен идеализацияланған схемалармен ауыстыру қолданылады. Бұл схема анықталуға тиісті кернеулері және токтары бар тізбектің бөліктерінен тұрады. Инженерлік практикада, тізбектер теориясы аралық токтар арасындағы кернеуді есептеуге жүгінбей-ақ, қарастырылып отырған тізбектің бөлігінің ұштарының арасындағы кернеуді тікелей дәл анықтауға мүмкіндік береді. Токтарды және өткізгіштің қимасының әр түрлі нүктелеріндегі оның тығыздығтарын ешқандай есептеусіз-ақ анықтайды.

№ 1 ДӘРІС

Электр тізбегі және оның элементтері

Электромагниттік процестері кернеулік және ток түсініктерінің көмегімен сипатталатын, электр тогын жүргізуге арналған қондырғылар жиынын электр тізбегі деп айтады. Жалпы жағдайда, электр тізбегі ток көзі мен қабылдағышты байланыстыратын электр энергиясының көзі мен қабылдағыштардан және аралық бөлімдерден (өткізгіш сымдардан, аппараттардан) тұрады.

Электр тізбегіндегі электромагниттік процесстерді "ток", "кернеу", "э.қ.к-і", "кедергі", ("өткізгіштік"), "индуктивтік", "сыйымдылық" түсініктерінің көмегімен сипаттауға болады.

Электр энергиясының көзі ретінде гальвани элементтері, аккумуляторлар, жылулық элементтер, генераторлар және басқа да қондырғылар алынады. Оларда химиялық, молекула кинетикалық, жылулық, механикалық немесе энергияның басқа түрінің электр энергиясына айналу процестері жүріп жатады. Жоғарыда айтылған ток көздерімен салыстырғанда, энергияның ешқандай түрі өзгермейтін, энергия көзіне қабылдағыш антенна да жатады.

Электр энергиясының көздері өздерінің мәндері және бағыттарымен, сол сияқты ішкі кедергілерінің мәндерімен де сипатталады.

Электр энергиясының қабылдағышы немесе жүктемесі деп, электр энергиясын жарық, жылу, механикалық және т.б. энергияға айналдыратын электр шамдарының, электр қыздырушы құралдардың, электр қозғалтқыштардың және басқа қондырғылардың қызметін айтады.

Электр тізбектерін есептеулер, оларда жүретін процесстерді зерттеулер, әр түрлі жорамалдауларға және электрлік тізбектердің нақты объектілерін бірқатар идеализациялауға негізделеді. Демек, электрлік тізбектер теориясында элементтер түсінігіне көбіне электротехникалық қондырғылардың құрамды бөліктері емес, олардың идеализацияланған үлгілері алынады да, оларға белгілі бір электрлік және магниттік қасиеттер тағылады, соның нәтижесінде, олар нақты қондырғыларда пайда болатын құбылыстардың жиынтығын жуықтап бейнелейді.

Электрлік тізбектер жүйесінде элементтерді активтік және пассивтік деп бөледі. Активтік элементтерге жататын электр энергиясының көздері, кернеу көздері және ток көздері. Электр тізбегінің пассивтік элементтеріне кедергі, индуктивтік және сыйымдылық жатады. Соған сәйкес активті және пассивті тізбектер болады.

Электр тогы және кернеудің оң бағыты

Өткізгіш ортадағы электр тогы деп, электр зарядтарының бағытталған қозғалысын айтады. металдардағы және вакуумдық приборларда электр тогы дегеніміз теріс зарядталған бөлшектердің (электрондардың) қозғалысы болса, ал электролидтерде оң және теріс зарядталған бөлшектердің (иондардың) қозғалыстары болады.

Электр тогының бағыты болады. Практикада токтың бағытына оң зарядталған бөлшектердің қозғалысының бағыты алынады. Бұл бағыт теріс зарядты бөлшектердің қозғаласының бағытына қарма-қарсы, былайша айтқанда, қабылдағышта ток көзінің оң қысқышынан оның теріс қысқышына дейін жүретін бағыт болады.

Ток дегеніміз сан жағынан қарастырылып отырған өткізгіштің көлденең қимасы арқылы тасымалданатын зарядты бөлшектердің, электр мөлшерін уақыт аралығы нөлге ұмтылғандағы шамасының, сол уақыт аралығына тең шама. Демек, t-уақыт аралығында, өткізгіштің көлделең қимасы арқылы өткен электрдің мөлшерін q арқылы белгілесек, онда токтың ілездік мәні, яғни оның, t-нің кез-келген мерзімдегі мәні: арқылы анықталады. Бұл жерде , мұндағы және - t уақыты ішінде қарама-қарсы жаққа орын ауыстыратын оң және теріс зарядтар. Халығаралық СИ бірлік жүйесінде i- ампермен (A), q- кулонмен (Кл) немесе ампер-секундпен (А∙с), t- секундпен (с) өлшенеді.

Электр тогы тұрақты (өзгермейтін) немесе айнымалы, былайша айтқанда, уақытқа тәуелді қзгеріп тұратын болады. Толтың бағыты токтың таңбасымен сипатталады. Өткізгіштегі оң немесе теріс ток бағытының түсінігі, тек қана оң бағыт деп аталатын алдын-ала алынған бағдармен салыстырғанда ғана мәні болады.

Токтың оң бағыты еркімізше алынады. ол көбіне бағдар (стрелка) арқылы көрсетіледі. Егер жоғарыда айтылған ережені ұстап, токты есептеу кезінде токтың таңбасы плюс (i ˃ 0) дейтін болсақ, онда оның бағыты таңдап алған оң бағытпен сәйкес келеді деген сөз. Ал керсінше жағдайда, яғни (i ˂ 0) болғанда, ол қарама-қарсы жаққа бағытталады.

Сонымен, оң бағыттағы ток үшін таңдап алынған бағыт, өзімен-өзі электр зарядының орын ауыстыратын бағытын бермейді; ол тек қана ток таңбасына белгілі бір мағына береді.

Бойымен өтетін токтың шамасы і болатын төрт бұрышты электр тізбегінің бөлігін сызып, оның қысқыштарын 1- және 2-цифраларымен белгілейік (1-сурет). 1- және 2-нүктелерінің электрлік потенциалдарының айырымы тізбектің сол бөлігіндегі кернеуді береді.

Таңдалып алынған оң бағыты бар ток пен кернеудің бағыттары көрсетілген электр тізбегінің бөлігі болып табылады. Бұл жерде еске түсіретін жағдай мынау: электрлік потенциалдар айырымы оң бірлік зарядты 1-ші нүктеден 2-ші нүктеге көшіргенде жасалатын жұмыс арқылы сипатталады.

Кез-келген уақыт кезеңі өткендегі кернеудің мәні и арқылы анықталады. Ол тұрақты не айнымалы болуы мүмкін. Халықаралық жүйеде кернеу вольтпен (В) өлшенеді.

Тізбектің бөлігіне жоғарыда анықтағанымыздай кернеудің таңбасына анықтанғалдық мағына беру мақсатында, ток үшін таңдалғандай кез-келген оң бағыт таңдалып алынады. Көбінесе ол бағыт, токтың оң бағытына сәйкес болатындай етіп таңдалады және бағдар сызығымен көрсетіледі.

Айталық, 1-ші суретінде кернеудің санағының басталуы 1-ші нүктеден 2-ші нүктеге дейін өтсін дейік. Егер 1-ші нүктенің потенциясы 2-ші нүктеден көп болса, онда кернеу оң болады, ал керсінше жағдайда ол теріс болады.

Кернеудің таңдап алынған санақ анықтау (айқындау) үшін, бағдар сызықтарының орына индекспен белгілеу қолданылады. Мұнда тізбектің тиісті нүктелеріне кернеу үшін таңдап алынған оң бағытқа индекстердің орналасу тәртібі сәйкес келеді. Демек, 1-ші суреттегі токтың оң бағыты бойынша саналатын кернеу и₁₂-ге тең болады. Керсінше бағытта саналатын кернеу теріс таңбалы болады: и₂₁ = -и₁₂.

Екі индекстік белгілеу ток үшін де орынды. Мысалы, і₁₂ деп токты белгілесек, ол тізбектің бөлігіндегі 1-ші нүктеден 2-ші нүктеге дейінгі оң бағытты кқрсетеді. Алайда, практикада көбінесе оны баңдар сызығымен көрсету кең орын алған.

Токтың және кернеудің оң бағыттары электротехникалық қондырғыларда жүретін процесстерді зерттеуде және электр тізбектерін есептеулерде қолданылады. Оң бағыт деп қайталай бермес үшін, бұдан әрі оны тек қана бағыт деп айтамыз.

Өндірістік электрлендіруде электр энергиясын оның көзімен электр қабылдағыштарға жеткізу, тарату және басқару үшін әр түрлі қондырғыларды сым рақылы бірімен-бірін қосып Электр тізбегін құрайды.

Электр тізбегі дегеніміз электрлік үрдістері электр қозғаушы күш (ЭҚК), ток және кернеу ұғымдарымен түсіндерілетін, электр тогы жүретін жол түзетін құрылғылыр мен объектілердің жиынтығы.