Решение задачи по электротехнике: вопросы и ответы

Ниже представлены краткие и емкие ответы на экзаменационные вопросы по электротехнике, оформленные для удобного переписывания в тетрадь. Вопрос 1. Электрическая энергия и ее свойства. Взаимодействие зарядов, строение молекул. Закон Кулона. Электрическая энергия — это энергия электромагнитного поля. Она легко передается на расстояния и преобразуется в другие виды (тепловую, механическую). Все тела состоят из молекул и атомов. В центре атома — положительное ядро, вокруг — отрицательные электроны. Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: \[ F = k \cdot \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2} \] Вопрос 2. Напряженность эл. поля. Графическое изображение эл. поля. Напряженность \( E \) — это силовая характеристика поля, равная отношению силы, действующей на заряд, к величине этого заряда: \[ E = \frac{F}{q} \] Графически поле изображается силовыми линиями. Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Вопрос 3. Металлы и диэлектрики в эл. поле. В металлах (проводниках) есть свободные электроны. Под действием поля они перемещаются (явление электростатической индукции). Внутри проводника поле становится равным нулю. В диэлектриках свободных зарядов почти нет. Происходит поляризация — смещение связанных зарядов, что ослабляет внешнее поле. Вопрос 4. Электрическое поле плоского конденсатора. Поле внутри плоского конденсатора считается однородным (силовые линии параллельны). Напряженность поля: \[ E = \frac{U}{d} \] где \( U \) — напряжение, \( d \) — расстояние между пластинами. Вопрос 5. Электрический потенциал, напряжение. Потенциал \( \phi \) — энергетическая характеристика точки поля. Напряжение \( U \) — это разность потенциалов между двумя точками: \[ U = \phi_1 - \phi_2 \] Оно численно равно работе по перемещению единичного положительного заряда. Вопрос 6. Электрический ток, направление, величина, плотность. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. За направление тока принято движение положительных зарядов (от "+" к "-"). Сила тока: \[ I = \frac{q}{t} \] Плотность тока: \[ J = \frac{I}{S} \] Вопрос 7. Закон Ома, его разновидности. Для участка цепи: \[ I = \frac{U}{R} \] Для полной цепи: \[ I = \frac{E}{R + r} \] где \( E \) — ЭДС, \( r \) — внутреннее сопротивление источника. Вопрос 8. Электрическое сопротивление, проводимость. Сопротивление \( R \) зависит от материала, длины \( l \) и сечения \( S \): \[ R = \rho \cdot \frac{l}{S} \] Проводимость \( G \) — величина, обратная сопротивлению: \[ G = \frac{1}{R} \] (единица измерения — Сименс). Вопрос 9. Зависимость сопротивления от температуры. При нагреве сопротивление металлов растет: \[ R = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot \Delta t) \] где \( \alpha \) — температурный коэффициент сопротивления. Вопрос 10. Эл. цепь и ее основные элементы. Электрическая цепь — совокупность устройств для прохождения тока. Основные элементы: 1. Источник энергии (ЭДС). 2. Потребители (резисторы, лампы). 3. Провода и коммутационная аппаратура (выключатели). Вопрос 11. Закон Ома для одноконтурной эл. цепи с несколькими ЭДС. Сила тока в контуре равна алгебраической сумме ЭДС, деленной на полное сопротивление цепи: \[ I = \frac{\sum E}{\sum R + \sum r} \] Вопрос 12. Работа источника. ЭДС в режиме генератора и двигателя. Источник совершает работу по перемещению зарядов. Режим генератора: ток совпадает по направлению с ЭДС (\( P = E \cdot I \)). Режим двигателя (потребителя): ток направлен против ЭДС (противо-ЭДС). Вопрос 13. Потенциальная диаграмма. Это график распределения потенциала вдоль замкнутого контура. По оси абсцисс откладывают сопротивления участков, по оси ординат — потенциалы. Вопрос 14. Первый и второй законы Кирхгофа. 1-й закон (для узлов): Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю: \[ \sum I = 0 \] 2-й закон (для контуров): Алгебраическая сумма ЭДС в контуре равна сумме падений напряжения на резисторах: \[ \sum E = \sum (I \cdot R) \] Вопрос 15. Последовательное соединение сопротивлений. Ток везде одинаков. Общее сопротивление: \[ R_{общ} = R_1 + R_2 + ... + R_n \] Вопрос 16. Параллельное соединение резисторов. Напряжение везде одинаково. Общая проводимость суммируется: \[ \frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... + \frac{1}{R_n} \] Вопрос 17. Смешанное соединение резисторов. Метод свертывания. Это комбинация последовательного и параллельного соединений. Метод свертывания заключается в постепенном упрощении схемы путем замены групп резисторов одним эквивалентным. Вопрос 18. Эл. емкость. Различные соединения конденсаторов. Емкость: \[ C = \frac{q}{U} \] При параллельном соединении: \( C_{общ} = C_1 + C_2 \). При последовательном: \( \frac{1}{C_{общ}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} \). Вопрос 19. Метод узловых напряжений. Метод расчета, где за неизвестные принимаются потенциалы узлов схемы относительно одного базового узла. Вопрос 20. Метод наложения. Ток в любой ветви равен алгебраической сумме токов, вызванных каждым источником ЭДС в отдельности (при условии, что остальные источники исключены). Вопрос 21. Метод преобразования треугольника в звезду и наоборот. Используется для упрощения схем. Формула перехода от треугольника (\( R_{12}, R_{23}, R_{31} \)) к звезде (\( R_1, R_2, R_3 \)): \[ R_1 = \frac{R_{12} \cdot R_{31}}{R_{12} + R_{23} + R_{31}} \] Вопрос 27. Магнитное поле. Особый вид материи, возникающий вокруг движущихся зарядов и проводников с током. Характеризуется вектором магнитной индукции \( B \). Поле графически изображается замкнутыми линиями магнитной индукции.