Ответы на вопросы по электронике, электротехнике, радиотехнике

Уравнения электромагнитного поля 1. Что является источником электромагнитного поля и как оно проявляется? Источниками электромагнитного поля могут быть: электрические заряды, электрические диполи, движущиеся электрические заряды, электрические токи, магнитные диполи. Проявлением электромагнитного поля являются электромагнитные волны. 2. Дайте определение сплошной среды, однородной изотропной среды. Сплошной средой называется физическое тело, свойства которого в соседних точках мало отличаются, то есть физические величины, определяющие рассматриваемые свойства сплошной среды, близки в соседних точках. Изотропной однородной средой называется среда, свойства которой во всех направлениях являются одинаковыми. 3. Дайте определение основным характеристикам электрического поля: вектор электрического смещения, напряженность электрического поля, вектор поляризации. Вектором электрического смещения (D ⃗) называют физическую величину, которая определяется в системе СИ как: D ⃗=ε_0 E ⃗+P ⃗, где ε_0 — электрическая постоянная, E ⃗ — вектор напряженность, P ⃗ -вектор поляризации. Напряженностью электрического поля считается физическая величина, характеризуемая силой воздействия поля на пробный положительный заряд, помещенный в заданную точку пространства: E ⃗=F ⃗/q, где: E ⃗ — напряженность электрического поля, F ⃗ — сила, воздействующая на заряд q, q — заряд. Вектор электрической поляризации (P ⃗) — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика: P ⃗=(∑_iϵV▒P ⃗_i )/V, где P ⃗_i – дипольный момент одной молекулы. 4. Какой из трех видов тока — проводимости, смещения и переноса — может существовать в любой среде, а также в пространстве, свободном от вещества? Только ток смещения может существовать в любой среде, а также в пустоте. 5. В чем отличие первого уравнения Максвелла от закона полного тока для постоянного тока? Первое уравнение Максвелла является обобщением открытого Ампером закона полного тока. Ампер сформулировал этот закон следующим образом: циркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равна току, пронизывающему контур: ∮_L▒Hdl=∫_S▒JdS Под током, пронизывающим контур, Ампер понимал только ток проводимо¬сти, что справедливо для постоянного во времени поля. В переменном поле необходимо учесть введенный Максвеллом ток смещения: ∮_L▒Hdl=∫_S▒〖J_пр dS〗+∫_S▒〖∂D/∂t dS〗 Магнитное поле постоянного тока 1. Запишите систему уравнений Максвелла для стационарного магнитного поля (поля постоянных токов). ∮_L▒〖H ⃗dl ⃗ 〗=I, то есть циркуляция вектора H ⃗ по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов I, охватываемых этим контуром L (I – стационарный ток, являющийся источником постоянного магнитного поля). ∮_S▒〖B ⃗dS ⃗ 〗=0, то есть поток вектора индукции B ⃗ магнитного поля через произвольную замкнутую поверхность S равен нулю (теорема Гаусса). 2. Является ли магнитное поле проводников с постоянным током потенциальным? Магнитное поле проводников с постоянным током является потенциальным. 3. Дайте определение векторам магнитной индукции B, напряженности H и намагниченности M магнитного поля. Вектор магнитной индукции (B ⃗) определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле. B=F_max/I∆l, где B – модуль вектора магнитной индукции поля, F_max – максимальная сила, действующая на отрезок проводника со стороны поля, I – сила тока в проводнике, ∆l – длина прямолинейного отрезка. Напряженность магнитного поля (H ⃗) векторная физическая величина, в общем случае равная разности векторов индукции магнитного поля B ⃗ и намагниченности (P_m ) ⃗: H ⃗=1/μ_0 B ⃗-(P_m ) ⃗, где μ_0 — магнитная постоянная. Вектором намагниченности (M ⃗) называется отношение суммарного магнитного момента выделенного части вещества к объему этой части. M ⃗=1/∆V ∑_(i=1)^n▒P ⃗_(m i) , где P ⃗_(m i) – магнитный момент I – го атома из числа n атомов, содержащихся в объеме ∆V. 4. Всегда ли выполняется уравнение B=μ_0 μH? Для большинства сред (пара- и диамагнетики, объединяемые под названием «слабые магнетики») имеет место линейная связь между B и H, B=μ_0 μH , где µ — магнитная проницаемость среды. Отклонение от линейной связи между В и Н в случае антиферромагнетиков и некоторых парамагнетиков возникает при величине магнитной индукции порядка нескольких тесла. В ферромагнетиках и ферримагнетиках из-за наличия спонтанной намагниченности магнитная индукция отлична от нуля даже в отсутствие магнитного поля. 5. Индуктивность контуров равны L1 и L2. Чему равна максимальная взаимная индуктивность контуров? M=√(L_1*L_2 ) Электрическое поле постоянного тока 1. Запишите систему уравнений Максвелла для стационарного поля (поля постоянных токов). ∮_L▒〖E ⃗dl ⃗ 〗=0, то есть циркуляция вектора напряженности E ⃗ электростатического поля по произвольному замкнутому контуру L равна нулю. ∮_S▒〖D ⃗dS ⃗ 〗=q, то есть поток вектора смещения D ⃗ электростатического поля через произ¬вольную замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов q. 2. В чем формальная аналогия электростатического поля и электрического поля постоянного тока в проводящей среде? Электростатическое поле Электрическое поле в проводящей среде 3. Запишите закон Ома и законы Кирхгофа в дифференциальной форме. Закон Ома j=σE 1 закон Кирхгофа div j ⃗=0 2 закон Кирхгофа ( E ⃗+E ⃗_стор)=ρj ⃗ 4. Как определить удельную мощность тепловых потерь (в единице объёма)? P_уд=σ/2∙|E ̇ |^2+(〖ω∙ε〗_c^»)/2∙|E ̇ |^2+(〖ω∙μ〗_c^»)/2∙|H ̇ |^2 5. Как определить сопротивление заземлителя растеканию тока с поверхности заземлителя? R=∫_0^∞▒〖ρ dx/(S(x)),〗 где R — сопротивление заземлителя; ρ — удельное сопротивление грунта; S(x) — поверхность, через которую происходит растекание тока. Расчет трехфазных цепей синусоидального тока 1. Дайте определение многофазной системы электрических цепей. Какую многофазную систему называют симметричной? Дайте определение трехфазной цепи, фазы трехфазной цепи. Многофазной системой электрических цепей называют совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые общим источником электрической энергии. Симметричной называют многофазную систему, в которой ЭДС в отдельных фазах равны по амплитуде и отличны по фазе друг от друга на углы, равные q 2π/m, где q – любое целое число. Трехфазные цепи — это совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2π/3. Отдельные цепи, составляющие многофазную цепь, называются ее фазами. 2. Почему трехфазные системы получили такое распространение в энергетике? Экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями; возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя; возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений – фазного и линейного. 3. Как характеризуют несимметрию напряжений в трехфазной системе? Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями: — коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности; — коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности. 4. К чему приведет обрыв нулевого провода в несимметричном режиме? Обрыв нулевого провода — это аварийный режим работы трехфазной электросети при котором, в случае несимметричной нагрузки, на подключенных к данной сети однофазных электроприемниках возникает напряжение значительно ниже либо наоборот значительно превышающее номинальное напряжение однофазной сети. Последствия обрыва — это вышедшее из строя электрооборудование и в первую очередь это дорогостоящие электронные приборы, такие как компьютеры, телевизоры, современные стиральные машины и т.д., которые являются наиболее чувствительными к перепадам напряжения. 5. Какое напряжение называется фазным и какое линейным? Фазное напряжение – это напряжение, которое определяется между началом фазы и ее концом, на практике оно определяется между нулевым проводом и фазой. Линейное напряжение – это когда измеряется величина между двумя фазами, между выводами разных фаз. Переходные процессы в линейных цепях 1. Дайте определение независимых и зависимых начальных условий. К независимым начальным условиям относятся токи в катушках iL(0) и на¬пряжения на конденсаторах uC(0). Независимые начальные условия определя¬ются законами коммутации, они не могут измениться скачкообразно и не зави¬сят от вида коммутации. Их значения опре¬деляются из расчета схемы цепи в ус-тановившемся докоммутационном режиме на момент коммутации t=0. К зависимым начальным условиям относятся значения всех остальных то¬ков и на¬пряжений, а так же значения производных от всех переменных в мо¬мент коммутации при t=0. Зависимые начальные условия могут изменяться скачкообразно, их значения зависят от вида и места коммутации. Зависимые начальные условия определяются на момент коммутации t=0 из системы дифференциальных уравнений (уравнений Кирхгофа), составленных для схемы в состоянии после коммутации, путем подстановки в них найденных ранее независимых начальных усло-вий. 2. Дайте определение критического сопротивления. Критическое сопротивление – это сопротивление контура, при котором колебательный процесс переходит в апериодический: R_кр=2√(L/C) 3. Какие преимущества и недостатки классического метода расчета переходных процессов? Преимущества: предельная простота и легкость в использовании, ведь фактически отпадает необходимость в использовании каких — либо таблиц или специальных преобразований. Достаточным является умение решать линейно — дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами, на которых и основывается данный метод. Недостатки: громоздкость, в особенности при расчете сложных цепей, когда порядок и степень сложности дифференциального уравнения определяется порядком и степенью сложности цепи. 4. Какие преимущества и недостатки операторного метода расчета переходных процессов? Преимущества: не нужно определять постоянные интегрирования из начальных условий решением какой-либо системы уравнений, при расчете изображений в эквивалентных операторных схемах можно пользоваться всеми ранее известными методами расчета цепей при установившихся режимах. Недостатки: утомительность вычисления слагаемых сумм в теореме разложения. 5. Когда используют формулы Дюамеля для расчета переходных процессов? Можно ли использовать формулы Дюамеля при расчете переходных процессов при ненулевых начальных условиях? Интеграл Дюамеля (интеграл наложения) применяют для расчета переходного тока (напряжения) в ветвях схемы с нулевыми начальными условиями при подключении ее к источнику э. д. с. произвольной формы. При ненулевых начальных условиях формулы Дюамеля не используют. Начальные сведения об электромагнитном поле 1. Как устроен атом вещества с точки зрения электронной теории? Согласно электронной теории строения вещества атом любого химического элемента представляет собой систему, состоящую из центрального ядра, вокруг которого вращаются «элементарные» вещественные частицы, называемые электронами. Ядра атомов, согласно общепринятым взглядам состоят из совокупности «элементарных» вещественных частиц — протонов и нейтронов. 2. Что произойдет с диэлектриком, если его внести в электрическое поле? Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате влияния заряженного тела на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика. 3. Как определить направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле? Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить по «правилу левой руки»: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы. 4. Дайте определение понятиям «электрический ток», «электрическое напряжение», «электродвижущая сила». Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Электрическое напряжение – это величина, которая показывает, какую работу необходимо произвести для перемещения заряда на определенном участке цепи. Электродвижущая сила (ЭДС) – способность источника энергии создавать и поддерживать на зажимах разность потенциалов. 5. Что понимают под явлением электрического сопротивления? Под электрическим сопротивлением понимают величину, которая характеризует свойство материала препятствовать протеканию электрического тока. Основные понятия теории электрических и магнитных цепей 1. Дайте определение понятиям «электрическая цепь», «магнитная цепь». С помощью каких понятий описывают процессы в электрических и магнитных цепях? Электрическая цепь — совокупность соединенных друг с другом устройств и объектов, по которым может протекать электрический ток. Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью понятий «ток», «напряжение», «ЭДС», «сопротивление» («проводимость»), «индуктивность», «емкость». Магнитная цепь — совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела, по которым замыкается магнитный поток. Электромагнитные процессы в магнитной цепи можно описать с помощью понятий «МДС», «магнитное напряжение», «магнитный поток». 2. В чем отличие пассивного участка цепи от активного? Участок называется активным, если внутри участка находится активный элемент. Участок называется пассивным, если внутри участка находится пассивный элемент. Активные элементы вносят энергию в электрическую цепь, а пассивные ее потребляют. 3. Объясните, в чем различие понятий «резистор» и «сопротивление». Как изображают резистор на схеме? Резистор – элемент электрических цепей, а сопротивление – его параметр. На схемах резисторы обозначаются белым прямоугольником с линиями электрической связи, символизирующими выводы резистора. Рядом с обозначением резистора (по возможности сверху или справа) указывают его условное буквенно-цифровое позиционное обозначение и номинальное сопротивление. 4. Что называется электрической емкостью? В каких единицах она измеряется? Свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрический заряд, измеряемое отношением заряда уединенного проводника к его потенциалу, называется электрической емкостью. В Международной системе единиц (СИ) ёмкость измеряется в фарадах. 5. Как устроены электрические конденсаторы и для чего они предназначены? Конденсатор – это устройство способное накапливать энергию в электрическом поле. В простейшем варианте состоит из двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком. Применяется в фильтрах, как накопитель энергии в источниках питания, как компенсатор реактивной мощности, а также в других сферах. Линейные цепи с распределенными параметрами. Линии без потерь. 1. Является ли линия без потерь неискажающей линией? В линии без потерь отсутствует затухание сигнала (α=0), а фазовая скорость v не зависит от частоты, следовательно, линия без потерь является неискажающей. 2. Какие возможны режимы в линии без потерь? Режим бегущих (падающих волн); Режим стоячих волн; Режим смешанных волн. 3. В каком случае в линии без потерь возникает режим чисто бегущей волны? Почему его называют также режимом согласования с нагрузкой? Режим бегущих волн возникает только в согласованно нагруженной линии, то есть когда сопротивление нагрузки линии Z_H будет равно волновому сопротивлению линии Z_B: Z_H=Z_B. 4. В каком случае в линии без потерь возникает режим стоячих волн? Режим стоячих волн возникает в том случае, когда сопротивление нагрузки линии равно бесконечности (холостой ход): Z_H=∞. 5. Что такое узлы и пучности? Какое минимальное расстояние между двумя узлами, между узлом и пучностью? От чего зависит это расстояние? Пучность — участок стоячей волны, в котором колебания имеют наибольшую амплитуду. Противоположностью пучности является узел — участок волны, в котором амплитуда колебаний минимальна. Расстояние между двумя соседними пучностями или узлами стоячей волны равно половине длины волны: λ/2, а расстояние узла от ближайшей пучности равно λ/4. Расстояние зависит от длины волны. Линейные цепи с распределенными параметрами. Линии с потерями. 1. Какая линия называется однородной? Однородной называется линия, у которой первичные параметры распределены равномерно вдоль линии. 2. Дайте определение первичных параметров однородной линии. Электрические свойства линии характеризуются первичными параметрами, т.е. параметрами, отнесёнными к единице длины линии. К первичным параметрам однородной линии относятся: R_0 — активное сопротивление на единицу длины, Ом/км; L_0 — индуктивность на единицу длины, Гн/км; G_0 — проводимость изоляции между проводами на единицу длины, См/км; C_0 — емкость на единицу длины, Ф/км. 3. Дайте определение неискажающей линии. Неискажающая линия — линия, в которой нет искажения формы при передаче сигнала. 4. Возможно ли возникновение в линии с потерями режима чисто бегущей волны? Если да, то при каком условии? Если линию с потерями нагрузить на конце активным сопротивлением, равным ее волновому сопротивлению, то в ней, так же как и в линии без потерь, установится чисто бегущая волна. Отличие от линии без потерь будет состоять лишь в том, что амплитуда тока или напряжения при бегущей волне в линии с потерями уже не будет оставаться неизменной, а будет постепенно убывать в направлении от генератора к нагрузке вследствие потерь в линии. 5. Возможно ли возникновение в линии с потерями режима стоячих волн? Если да, то при каком условии? Режим стоячих волн может установиться только в линии без потерь. Основные понятия теории электрических цепей. Расчет цепей постоянного тока 1. Дайте определения понятиям «электрическая цепь», «участок электрической цепи», «элемент электрической цепи» Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока. Участок электрической цепи — часть электрической цепи, содержащая выделенную совокупность ее элементов. Элементы цепи — это такие идеализированные устройства в электрической цепи, которые отображают какое-либо из свойств реальной электрической цепи. 2. Дайте определение активного и пассивного участка электрической цепи, двухполюсника, многополюсника. Участок называется активным, если внутри участка находится активный элемент. Участок называется пассивным, если внутри участка находится пассивный элемент. Активные элементы вносят энергию в электрическую цепь, а пассивные ее потребляют. Двухполюсники, содержащие источники электрической энергии, называются активными, а двухполюсники, не содержащие электрической энергии — пассивными. Пассивные многополюсники не содержат идеализированных активных элементов, активные включают в себя управляемые или неуправляемые идеализированные источники энергии. 3. Сформулируйте первый закон Кирхгофа. Какое число уравнений необходимо составить по первому закону Кирхгофа? Первый закон гласит: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю: ∑_(i=1)^n▒I_i =0. Используя первый закон Кирхгофа, можно записать n-1 уравнений для цепи. Например, если количество узлов n=2, значит нужно составить только одно уравнение. 4. Изложите суть метода наложения для расчета токов в линейных электрических цепях. Метод наложения основан на свойстве линейности электрических цепей. Метод наложения справедлив только для линейных цепей. Применяется для определения токов в ветвях схемы с несколькими источниками. Алгоритм метода наложения: 1) выбирают положительные направления токов в ветвях цепи; 2) находят частичные токи в ветвях, вызванные каждым источником по отдельности (схему рассчитывают столько раз, сколько источников действует в схеме); 3) токи в ветвях по методу наложения находят как алгебраическую сумму частичных токов (знак частичного тока при суммировании определяется по положительному направлению тока ветви). 5. Как составляется уравнение баланса активных мощностей в цепи постоянного тока? Баланс мощностей – это выражение закона сохранения энергии, в электрической цепи. Определение баланса мощностей звучит так: сумма мощностей, потребляемых приемниками, равна сумме мощностей отдаваемых источниками. То есть если источник ЭДС в цепи отдает 100 Вт, то приемники в этой цепи потребляют ровно такую же мощность. ∑▒P_пр =∑▒P_ист или ∑▒〖I^2 R〗=∑▒EI Расчет однофазных цепей синусоидального тока 1. Дайте определение понятия «сдвиг фаз» синусоидальных величин. Сдвиг фаз показывает, на какую часть периода или на какой промежуток времени t = φ/ω = φT / 2π одна синусоидальная величина достигает начала периода раньше другой величины. За начало периода считают момент времени, в который синусоидальная величина проходит через нулевое значение, после которого она положительна. Та величина, у которой начало периода достигается раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та, у которой то же значение достигается позже — отстающей по фазе. 2. Дайте определение резистора как элемента электрической цепи переменного тока. В чем различие понятий линейный резистор и сопротивление? Резистор – это элемент электрической цепи, оказывающий сопротивление протекающему через него току. Линейными называются резисторы, сопротивления которых не зависят (т. е. не изменяются) от значения протекающего тока или приложенного напряжения. Сопротивление – параметр. 3. Дайте понятие мгновенной, полной, активной и реактивной мощности. Что такое треугольник мощностей? Мгновенная мощность – это произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-то участке электрической цепи. Полная мощность – это векторная сумма активной и реактивной мощности. Часть полной мощности, которую удалось передать в нагрузку за период переменного тока, называется активной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус угла сдвига фаз между ними (cos φ). Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ). Взаимосвязь активной, реактивной и полной мощности для синусоидального тока переменных значений представляется геометрически тремя сторонами прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей. 4. Для чего проводят компенсацию реактивной мощности? Компенсация реактивной мощности позволяет существенно сократить расход электроэнергии, снизить нагрузку на кабельные сети и трансформаторы, продлив тем самым их ресурс. 5. Дайте определение «потери напряжения», «падения напряжения», «потери мощности». Потеря напряжения – это арифметическая разность напряжений по концам линии, т. е. ΔUw = U1 – U2. Потеря напряжения показывает, насколько напряжение в конце линии отличается от напряжения в ее начале. Падение напряжения – разность между напряжением у источника тока и напряжением на зажимах приемника, затрачиваемая на преодоление сопротивления проводника при прохождении по нему электрического тока. Потери мощности – это разность между потребляемой мощностью и отдаваемой мощностью какой-либо системы или устройства Четырехполюсники и фильтры 1. Сколькими независимыми параметрами характеризуется пассивный четырехполюсник? Пассивный четырехполюсник полностью тремя независимыми параметрами. 2. Сколько опытов необходимо для экспериментального определения параметров пассивного четырехполюсника? Обычно для экспериментального определения параметров четырехполюсника проводят опыты холостого хода и короткого замыкания. 3. Дайте определение симметричного пассивного четырехполюсника. Сколькими независимыми параметрами характеризуется симметричный пассивный четырехполюсник? Четырехполюсник называется пассивным, если он не содержит источников электрической энергии, или же имеющиеся внутри схемы источники компенсируют друг друга так, что на разомкнутых зажимах напряжения отсутствуют. Симметричные четырехполюсники имеют одинаковые параметры со стороны входных и выходных зажимов. Симметричные пассивные четырехполюсники имеют только два независимых параметра, для них выполняется принцип взаимности. 4. Дайте определение ZC1 и ZC2 несимметричного четырехполюсника. Приведите формулы для расчета. По определению характеристическим сопротивлением несимметричного четырехполюсника со стороны входа ZС1 и со стороны выхода ZС2 называется такая пара сопротивлений, когда при сопротивлении нагрузки на выходе ZС2 входное сопротивление со стороны входных зажимов равно ZС1 и, наоборот, при сопротивлении нагрузки на входе ZС1 входное сопротивление со стороны выходных зажимов равно ZС2. Z_C1=√(Z_1K Z_1X ) Z_C2=√(Z_2K Z_2X ) 5. Дайте определения согласованного режима пассивного четырехполюсника и вторичных параметров четырехполюсника. Режим работы четырехполюсника, для которого справедливо ▁Z_C=▁Z_вх=▁Z_H называется режимом согласованной нагрузки. Вторичные параметры – характеристическое сопротивление и постоянная передачи – полностью определяют симметричный пассивный четырехполюсник как устройство, входящее в тракт передачи и преобразования сигналов.