1.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33899

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Маленький фон і перспектива

Цей текст зосереджений на аналізі електричних ланцюгів постійного струму (постійного струму). Це не передбачає попередніх знань електричних величин, систем або теорії ланцюгів. Як і у випадку з будь-якими новими зусиллями, важливо визначити термінологію та інструменти, які будуть використовуватися на початку. Ми будемо вивчати основні електричні величини, їх співвідношення, належну термінологію та різноманітні методи аналізу та теореми, які мають широке застосування в цій галузі. У зв'язку з цим нашими аналітичними «інструментами» є відповідна математика і стандарти, і науковий метод, які детально описані в даному розділі. Визначення питомих електричних величин та їх взаємозв'язків починається з глави другої. Різні методи аналізу та теореми детально описані в наступних розділах.

Початкові дослідження електрики відбулися наприкінці вісімнадцятого та початку дев'ятнадцятого століть такими особами, як Алессандро Вольта, Андре-Марі Ампер, Майкл Фарадей та Георг Ом. Ця робота була розширена пізніше в дев'ятнадцятому столітті Густавом Кірхгофом, Джеймсом Клерком Максвеллом, Леоном Шарлем Тевеніном та іншими. Наприкінці 1800-х і початку 1900-х років побачили практичне застосування електричної теорії для вирішення практичних завдань (тобто галузі електротехніки). Мабуть, два імена, найбільш пов'язані з цим періодом, - Томас Едісон і Нікола Тесла. Численні інші особи також внесли внески, врешті-решт призвевши до епохи електроніки, повністю вступаючи в свої власні до середини двадцятого століття з введенням твердотільних пристроїв, таких як біполярний транзистор переходу. Темпи цих розробок були досить швидкими. Наприклад, трохи більше століття тому у звичайної людини не було готового доступу до чогось такого простого, як сучасний ліхтарик. Щоб поставити це в перспективу, якби ми масштабували всю історію людства від появи сучасних homo sapiens до сьогоднішнього дня в один рік; радіо, телебачення, цифрові комп'ютери та все інше з'являлися б лише протягом останніх кількох годин до півночі в останній день року.

У цей момент нам потрібно розрізняти електрику та електроніку. Термін електрика, як правило, стосується загальних взаємозв'язків між електричними величинами, такими як напруга та струм. У практичному використанні електрична система, як правило, відноситься до системи, де електрична енергія використовується безпосередньо для виконання певної фізичної роботи. Прикладами можуть служити комерційні та житлові системи розводки для освітлення, опалення тощо. Вироблення та передача електроенергії зазвичай потрапляють до цієї категорії, наприклад, високовольтна лінія електропередачі, показана на малюнку Template:index.

Рисунок Template:index: лінії електропередачі 345000 вольт.

Навпаки, електронні системи або просто електроніка мають тенденцію посилатися на системи, де електричні сигнали використовуються для представлення, зберігання та/або маніпулювання якоюсь інформацією. Це працює діапазон від радіо і телебачення до обчислювальних пристроїв, стільникових телефонів, неакустичних музичних інструментів і т.д. деякі з цих додатків можуть бути очевидними, коли людина безпосередньо взаємодіє з пристроєм, таким як мобільний телефон або планшет. З іншого боку, взаємодія людини може бути мінімальним, як, наприклад, з системою управління двигуном сучасного автомобіля. Хорошим прикладом сучасного пристрою, упакованого електронікою, є DSLR, або Digital Single Lens Reflex камера. Ці пристрої включають численні електронні датчики та виконавчі механізми для регулювання під навколишнє освітлення, для автоматичного фокусування тощо. Приклад наведено на малюнку Template:index. Використання та масштаб ліній електропередачі порівняно з цифровими камерами можуть здатися дико відокремленими, але, врешті-решт, вони обидва стають можливими завдяки застосуванню основних законів теорії електричних кіл.

Рисунок Template:index: Цифрова дзеркальна камера.

Ще одним хорошим прикладом різниці шкали зсуву є погляд на один електричний пристрій, такий як двигун постійного струму. На малюнку Template:index показано простий двигун для хобі постійного струму, тип пристрою, який може бути використаний для моторизованої іграшки. Цей пристрій працює від 12 вольт, як це доступно від акумулятора, і витягує лише кілька сотих ампер струму (щоб поставити це в перспективу, типова старомодна лампочка розжарювання тягне між половиною і одним ампер струму від розетки 120 вольт).

Рисунок Template:index: Мотор хобі постійного струму

Порівняйте це з промисловим двигуном постійного струму, показаним на малюнку Template:index. Це двигун потужністю 4000 кінських сил, який використовується для зменшення мідних плит товщиною вісім дюймів до товщини 1/2 дюйма. Він витягує максимум 4680 ампер при 700 вольт. Це явно карликує техніку, що стоїть поруч.

Рисунок Template:index: Промисловий двигун постійного струму

Тепер, коли у нас є трохи передісторії та перспективи, настав час поглянути на математику, зокрема, як ми представляємо та маніпулюємо значеннями, які можуть бути дуже, дуже великими або дуже, дуже маленькими, і все це зберігаючи відповідну точність.