ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

Кафедра «Радиоэлектроника»

Руденко Н.В.

ЛЕКЦИЯ № 1

Тема лекции: «ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ»

по дисциплине ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ

Ростов-на-Дону

ЛЕКЦИЯ №1

Тема лекции: «ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ»

Учебные вопросы

1. Введение.

2. Понятие об электрической цепи.

3. Основные электрические величины: электрический ток, напряжение,

ЭДС, мощность и энергия.

4. Идеализированные пассивные элементы. Схемы замещения реальных элементов электрических цепей.

5. Идеализированные активные элементы. Схемы замещения реальных источников.

Литература:

1. Попов В.П. Основы теории цепей: Учебник для вузов спец. "Радиотехника".-М.: Высшая школа, 2007, с. 6-36.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учебник для студентов неэлектрических специальностей вузов.–М.: Высшая школа, 2003, с. 4-15.

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных тенденций развития человеческого общества на рубеже XX и XXI столетия является стремительный рост потоков разнообразной информации, обеспечивающей его жизнедеятельность. Мировое сообщество вступает в новую эру-эру информатизации.

Технологическую базу информатизации составляет связь, вычислительная техника и радиоэлектронные системы, грань между которыми все больше стирается.

В основе развития радиоэлектронных систем и в том числе, радиоэлектронных устройств бытового назначения лежат современные достижения многих наук и в первую очередь электротехники, радиотехники и электротехники электроники. Общим для этих наук является изучение электромагнитных процессовв пассивных и активных электрических цепях с целью создания различных устройств для преобразования, передачи, обработки и хранения информации. На основе достижений в области радиотехники и электроники развиваются средства связи, автоматика и вычислительная техника, телеметрия, радиолокация и навигация, системы управления технологическими процессами и др.

Основными задачами электротехники является генерирование, передача и преобразование электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т.д.).

Основные задачи радиотехники - передача, преобразование информации и осуществление связи на расстоянии с использованием электромагнитных волн.

Зарождение науки об электричестве относится к XVI в., когда английский ученый У. Гильберт (1544-1603) написал свой знаменитый трактат "О магните, магнитных телах и большом магните - земле." В XVII – XVIII вв. были проведены многочисленные опыты, позволяющие установить существование электрических зарядов двух типов - положительных и отрицательных, изобрести первый конденсатор (Ж. Нолпе, 1745), разработать первую последовательную теорию электрических явлений (Б. Франклин ).

Во второй половине началось "количественное изучение" электрических и магнитных явлений, появились первые измерительные приборы - электроскопы. В 1756 г. петербургский физик Ф. Эпинус (1724-1802) изобрел воздушный конденсатор, с помощью которого показал, что стекло в «лейденской» банке обладает свойством накапливать электричество, открыл явление электризации некоторых тел (турмалин) при нагревании (пироэлектричество). В работе Ф. Эпинуса впервые предпринята систематическая попытка подойти к изучению электрических явлений не только с качественной, но и с количественной стороны. В частности, им было установлено, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна величине этих зарядов. И хотя он не установил. как эта сила зависит от расстояния, однако значение его работы очень велико, так как она дала определенное направление дальнейшим исследованиям. Наконец, в 1784 г. французский 48-летннй военный инженер Ш. Кулон (1736-1806) открывает закон, согласно которого сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. С помощью созданных им крутильных весов, а также ряда оригинальных методов (методы колебаний) этот человек, никогда специально не занимавшийся электричеством и магнетизмом, проводя в качестве побочного занятия свои исследования, заложил основы количественной электростатики.

21 июля 1820 г. появилась небольшая заметка датского физика Г. Эрстеда (1777 — 1851), в которой он доказал, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет от него магнитную иглу. Это сообщение произвело большое впечатление на ученый мир, так как из опыта Эрстеда явствовало, что сила, действовавшая между элементом тока и магнитным полюсом, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к ней. Эта работа вызвала первую трещину в ньютоновской модели мира.

Особое значение в развитии теории электрических явлений сыграли открытия законов Ома (1826) и Кирхгофа (1847), а также открытие М. Фарадеем (1831) явления электромагнитной индукции. В 1833 г. русский ученый Э. Ленц (1804-1865) открыл закон, устанавливающий связь между направлением индукционных токов и их электромагнитными взаимодействиями. Таким образом, к концу XIX в. было установлено единство электромагнитных явлений, получивших свое логическое завершение в работах Дж. Максвелла, сформулировавшего в 1873 г. фундаментальные уравнения классической электродинамики.

В конце XIX - начале XX исков с открытий дискретного характера зарядов (Дж. Томсон, 1897 г.) начался новый этан в развитии науки об электричестве. В этот период были заложены основы электронной теории строения вещества как совокупности электрически заряженных частиц, создана квантовая теория электромагнитных процессов, что привело к рождению электроники как науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств.

Со второй половины XIX в. началось широкое использование электрических и магнитных явлении в технике: построены электродвигатели и генераторы тока, появились первые электромагниты, массовое распространение получило электрическое освещение, начало которому положило изобретение электрической свечи русским ученым П.П. Яблочковым.Начало применения электрической энергии для технологических целей положили работы Б.С. Якоби (1838 г.), предложившего использовать электрический ток для нанесения различных металлических покрытий. Электроэнергию стали использовать при получении алюминия, меди, цинка, для резки и сварки металлов, упрочения деталей и в других технологических процессах; начинается применение электроэнергии на транспорте. Большое значение для развития электротехники имели изобретения русского инженера М.О. Доливо-Добровольского, разработавшего к концу 90-х гг. ряд промышленных конструкции трехфазных асинхронных двигателей, трансформаторов и построившего трехфазную линию электропередачи Лауфен—Франкфурт длиной 175 км, положившей начало современному развитию электротехники.

Подлинную революцию в электросвязи произвел П.Л. Шиллинг (1786—1837) в 1832 г. в России, который построил первый в мире электромагнитный телеграф и осуществил связь между Зимним дворцом и Министерством путей сообщений. Дальнейшее развитие эта идея получила в 1835 г., когда американцем С. Морзе (1791 — 1872) был разработан специальный алфавит и создана модель телеграфа в Нью-Йоркском университете. Это были первые практические применения науки об электричестве в электросвязи. А уже в 1866 г. вступило в строй первое величайшее сооружение того времени — линия трансатлантической кабельной связи между Европой и Америкой. К 1870 г. в России было создано свыше 700 телеграфных станций и введена в эксплуатацию 91 тыс. км телеграфных линий, в том числе линия Москва — Владивосток протяженностью 12 тыс. км.

Качественно новый этап в развитии электросвязи возник после изобретения в 1876 г. А. Беллом телефона. Существенный вклад в развитие телефонной связи внес русский физик Л.М. Голубицкий, в 1882—1883 г. были построены первые телефонные станции в Москве и С.-Петербурге.

Особенно важное значение имело изобретение А.С. Поповым (1895) радио, открывшее новую страницу в развитии научно-технического прогресса. Значительную роль в практической реализации радио в телеграфии сыграл итальянский радиотехник и предприниматель Г. Маркони (1874-1937).

Открытие радио привело к рождению радиотехники как области науки и техники, занимающейся вопросами изучения и применения электромагнитных колебаний и волн радиодиапазонов для передачиинформации - и радиосвязи, радиовещании и телевидении в радиолокации и радионавигации, в радиотелеметрии и радиоуправлении, при контроле зa различными технологическими процессами и механизмами, в научных исследованиях и др.

В XX в. начинается бурное развитие электроники – обширной области науки, техники и производства, охватывающей исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования, в частности, в электросвязи. В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп, транзисторов, интегральных схем и функциональных устройств.

Первый этап начался в 1904 г., когда английским ученым Д.А. Флемингом была изготовлена первая электронная лампа — диод. Прототипом электронной лампы явилась лампа накаливания, созданная русским электротехником А. Н. Лодыгиным в 1872 г. В 1907 г. была предложена электронная лампа с управляющим электродом — триод, способная усиливать и генерировать электрические сигналы. В последующие годы, наряду с совершенствованием электронных ламп, разрабатывались и другие электронные приборы: электронно-лучевые, ионные, фотоэлектронные.

Начало второго этапа развития электроники связано с открытием в конце 1947 г. американскими учеными У. Браттейном, Дж. Бардиным и У. Шотки транзисторного эффекта. В 1948 г. были изготовлены первые промышленные образцы биполярных транзисторов, а в 1952 г. — полевые транзисторы. В транзисторах были реализованы идеи, которые впервые были сформулированы русским ученым О.В. Лосевым в 1922 г.

Непрерывное расширение функции электронной аппаратуры и ее усложнение привели в 1958 г. к началу третьего этапа – возникновению микроэлектроники. В настоящее время разработаны сверхбольшие интегральные схемы (БИС), содержащие более 10⁵ элементов. Однако сейчас уже становится ясным, что увеличение степени интеграции не может быть беспредельным.

Научно-техническое направление, связанное с отказом от компонентной структуры микроэлектронных изделий и основанное на использовании объемных эффектов в твердом теле, является началом четвертого этапа развития электроники, получившего название функциональной микроэлектроники.

В перспективе – использование оптоэлектронных, магнитооптических, криогенных и других объектов электрических цепей, базирующихся на новейших достижениях физики, радио- и микроэлектроники.

Крупный вклад в развитие электротехники, радиотехники и электроники внесли русские ученые. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных и полупроводниковых приборов выполнили М.А. Бонч-Бруевич, Л.И. Мендельштам, А.Ф. Иоффе, С.И. Вавилов, А.А. Чернышев; по проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, распространения и приема радиоволн – Б.А. Введенский, В.О. Калмыков, М.В. Шулейкин, А.А. Расплетин и др

В современных радиоэлектронных устройствах бытового назначения сконцентрированы все самые последние достижения научно-технической революции в области радиотехники, электроники и вычислительной техники. Разработка, обслуживание и ремонт подобных устройств потребует подготовки качественно новых специалистов. Среди дисциплин, составляющих основу базовой подготовки инженеров по бытовой радиоэлектронной аппаратуре, важнейшее место отводится дисциплине «Основы теории цепей»(ОТЦ).

Содержание этой дисциплины составляют задачи анализ и синтеза линейных и нелинейных электрических цепей, изучение как с качественной, так и с количественной стороны установившихся и переходных процессов, протекающих в различных электронных приборах и устройствах.

Для исследования электромагнитных явлений в этих устройствах применяются методы теории цепей, основанные на замене реального устройства некоторой упрощенной моделью, процессы в которой описываются скалярными величинами – токами и напряжениями. Отдельные составные части (элементы) устройства при этом заменяются моделями, приближенно отражающими основные (в рамках решаемой задачи) свойства соответствующих элементов.