ЛЕКЦИЯ 1
ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КУРСА
План лекции:
1.1. Введение
1.2. Краткие исторические сведения
1.3. Основные понятия курса
1.1. Введение
Основы теории электрических цепей являются одной из важнейших дисциплин в подготовке специалистов в области радиотехники (по направлению 210300). Можно с уверенностью утверждать, что курс "Основы теории цепей" – ОТЦ – является фундаментом для изучения специальных радиотехнических дисциплин. Теория цепей занимается разработкой методов анализа и синтеза радиотехнических устройств различного назначения на уровне схемотехнических решений. В соответствии с этим курс ОТЦ, с одной стороны, является теоретической базой для изучения специальных дисциплин, а с другой – основой для расчёта (разработки) и исследования самых разнообразных устройств и систем передачи и обработки информации.
Электротехника и радиотехника являются науками, изучающими физические процессы в электромагнитном поле и технические методы использования его энергии для практических целей.
Электромагнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно характеризуется связанными между собой электрическими и магнитными явлениями, которые следует рассматривать как две стороны единого процесса.
Радиотехника возникла из электротехники и вначале развивалась как часть электротехники. Поэтому обе они имеют много общего.
Главной задачей электротехники является передача по проводам, преобразование и использование энергии электромагнитного поля, а основной задачей радиотехники – передача и обработка информации, переносимой от отправителя к получателю с помощью электромагнитного поля без проводов.
На первом плане для электротехники стоит передача большого количества энергии потребителю при минимуме потерь. В радиотехнике же передаваемая без проводов энергия не может быть непосредственно использована для приведения в действие сколько-нибудь мощных устройств. В радиотехнике энергия используется для передачи сигналов, несущих информацию. Главная цель в радиотехнике – не потерять передаваемую информацию, а энергетические соображения отходят на второй план.
Для решения этих задач в электротехнике и радиотехнике используют переменные напряжения, изменяющиеся по синусоидальному или косинусоидальному закону. Это обусловлено как простотой получения напряжения такой формы, так и удобством работы с ними.
Общими для электротехники и радиотехники являются три основные научно-технические проблемы:
1) генерирование электромагнитного поля посредством устройств, называемых генераторами или передающими устройствами,
2) передача электромагнитного поля от генератора к потребителю через разделяющую их среду, называемую линией передачи (проводной для электротехники и беспроводной для радиотехники),
3) преобразование и использование отправленного передающим устройством электромагнитного поля у потребителя с помощью приёмного устройства (рис. 1.1).
Развитие электротехники и радиотехники потребовало проведения больших работ в области изучения и разработки теории электромагнитных явлений и их практического применения.
Рис. 1.1. Схема канала связи
1.2. Краткие исторические сведения
Изучением электричества занимались Бенджамин Франклин (1706-1790) – выдающийся американский политический деятель и дипломат, крупный учёный и Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) – гениальный русский учёный, создавший, в частности, оригинальную теорию атмосферного электричества.
После изобретения в 1800 году итальянским физиком и физиологом Алессандро Вольта (1745-1827) гальванического столба – первого в мире искусственного источника длительного постоянного напряжения – появилась возможность получать электрический ток.
Исследуя процессы в электрической цепи, выдающийся русский физик и электротехник Василий Владимирович Петров (1761-1834) открыл электрическую дугу (1802 г.) и указал на возможность практического применения её как для освещения, так и для плавки и сварки металлов.
Немецкий физик Георг Симон Ом (1787-1854) в 1826 году установил основной закон электрической цепи, связывающий между собой сопротивление цепи, электродвижущую силу и силу тока.
Очень важную роль в развитии учения об электромагнитных явлениях сыграл английский учёный Майкл Фарадей (1791-1867), который в 1831 году открыл явление и закон электромагнитной индукции.
Первый в мире электромагнитный телеграфный аппарат был построен в 1832 году в России выдающимся русским физиком и востоковедом Павлом Львовичем Шиллингом (1786-1837).
В 1833 году русский академик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) открыл закон, устанавливающий связь между направлениями индукционных токов и их электромагнитными и электродинамическими взаимодействиями. В 1844 году Ленц независимо от английского учёного Джемса Прескотта Джоуля (1818-1889) установил, что количество тепла, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника и квадрату величины тока. Этот результат сейчас известен как закон Джоуля-Ленца.
В 1845 г. выдающийся немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) сформулировал основные законы разветвлённых электрических цепей.
Законы Ома и Кирхгофа являются основными при анализе электрических цепей и, кроме того, имели и имеют огромное значение для развития теоретической и практической радиотехники.
Выдающийся английский физик Джемс Клерк Максвелл (1831-1879) в ставшем теперь классическом труде "Трактат об электричестве и магнетизме" в 1873 году изложил в математической форме основы теории электромагнитного поля, представляющей расширение и дальнейшее развитие идей Фарадея о физической реальности электромагнитного поля.
Основы для вывода уравнений движения электромагнитной энергии заложил выдающийся русский физик Николай Алексеевич Умов (1846-1915) в 1874 году в своей докторской диссертации.
Начало применению переменных электрических токов положил русский военный инженер и изобретатель в области электротехники Павел Николаевич Яблочков (1847-1894) в 1876 году.
Экспериментальное подтверждение и развитие теории поля, разработанной Максвеллом, было выполнено знаменитым немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (1857-1894) в его опытах (1887-1889 годы) по получению и передаче электромагнитных волн.
Великий русский учёный Александр Степанович Попов (1859-1905) является изобретателем радио. На заседании физического отделения Русского физико-химического общества 7 мая 1895 года он выступил с докладом, продемонстрировал работу приёмника электромагнитных волн и выразил надежду, что его прибор при дальнейшем усовершенствовании может быть применён для передачи сигналов на расстояние. В январе 1896 года в "Журнале Русского физико-химического общества" он опубликовал статью со схемой и подробным описанием принципа действия разработанного им приёмника. То есть фактически А.С. Попов открыл радиосвязь, положив тем самым начало развитию радиотехники.
Итальянский предприниматель Гульельмо Маркони (1874-1937), ознакомившись с работами Герца, занялся опытами в области электромагнитных волн. В 1896 г. он переехал в Англию, где подал заявку, а в 1897 году получил английский патент на применение электромагнитных волн для связи без проводов, воспользовавшись тем, что А.С. Попов своё изобретение не запатентовал.
Поэтому у нас в России изобретателем радио считают Александра Степановича Попова, а на Западе – Маркони.
Выдающийся русский физик Пётр Николаевич Лебедев (1866-1912) в 1899 году доказал наличие давления световых волн.
Курс "Теория электрических и магнитных явлений" впервые в России начал читать профессор В.Ф. Литкевич в Петербургском политехническом институте. Первой книгой в России, охватывающей основные вопросы курса теоретических основ электротехники, явилась вышедшая в 1916 году книга профессора К.А. Круга "Основы электротехники" (Московское высшее техническое училище).
В связи с быстрым развитием радиотехники, радиоэлектроники, технологии производства больших интегральных микросхем роль курса "Основы теории цепей" непрерывно возрастает. Например, задачи анализа схем, содержащих десятки и сотни тысяч компонентов, требуют поиска новых эффективных методов расчёта электрических цепей. Возникают задачи синтеза цепей, обладающих целым рядом таких технико-экономических показателей как низкая чувствительность характеристик к изменению параметров элементов и условий внешней среды, отсутствие элементов настройки, минимальные масса, габариты, потребляемая мощность и, в конечном итоге, возможно меньшая стоимость.
При изучении курса ОТЦ возникают определённые трудности, обусловленные несколькими причинами.
Во-первых, в курсе ОТЦ вводится множество новых понятий и определений, каждое из которых является достаточно простым, но освоение и применение их в совокупности представляет собой сложную задачу.
Во-вторых, при анализе и синтезе схем требуется знание различных разделов высшей математики, например, таких как теория дифференциального и интегрального исчисления, теория функций комплексного переменного, численные методы решения алгебраических и дифференциальных систем уравнений, методы аппроксимации, теория функциональных рядов, матричное исчисление, графы и др. Кроме того, необходимы также глубокие знания по физике в области электричества, колебаний и волн.
В-третьих, анализ и синтез современных радиотехнических устройств немыслимы без применения вычислительной техники.
В-четвёртых, применение абстрактных математических методов к решению конкретных задач практики даже при достаточном уровне подготовки является трудной задачей.
Студенты изучают дисциплину ОТЦ в течение четвёртого семестра, в котором предусмотрено по 4 часа лекций, по одному часу практических и по 2 часа лабораторных занятий в неделю. Кроме того, в течение семестра студенты делают курсовую работу и защищают её. Семестр заканчивается сдачей экзамена.