ELEKTROTECHNIKA TEORETYCZNA I

1.       Godziny zajęć wg planu studiów

2. Tematyka wykładów

Pojęcia podstawowe. Oznaczenia, wymiary i jednostki wielkości fizycznych występujących w elektrotechnice. Sygnały. Natężenie pola elektrycznego, potencjał elektryczny , napięcie elektryczne i związki między nimi. Prąd elektryczny, natężenie prądu, gęstość prądu. Prawo Ohma w postaci różniczkowej. Pojęcie siły elektromotorycznej. Indukcja i natężenie pola magnetycznego. Siła Lorentza. Indukcja elektromagnetyczna. Elementy obwodu elektrycznego – klasyfikacja, moc i energia. Obwód elektryczny: klasyfikacja, stacjonarność liniowość, parametry skupione, odwracalność i pasywność. Prawa Kirchhoffa. Zasada Tellegena.

Elementy pasywne. Rezystor: prawo Ohma, moc, energia i równoważność elementów rezystancyjnych. Induktor: indukcyjność własna, sem indukcji własnej z regułą Lenza, zależności prądowo- napięciowe w dziedzinie czasu, moc i energia, łączenie szeregowe i równoległe cewek. Cewki sprzężone magnetycznie: indukcyjność wzajemna, współczynnik sprzężenia, sem indukcji wzajemnej, zależności prądowo-napięciowe w dziedzinie czasu. Kondensator: pojemność elektryczna, zależności prądowo-napięciowymi w dziedzinie czasu, moc i energia, łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów.

Elementy aktywne. Klasyfikacja. Napięciowe i prądowe źródła autonomiczne: charakterystyki napięciowo-prądowe, charakterystyki obciążenia i zewnętrzne, moc źródeł, dopasowanie odbiornika do źródła, sprawność źródeł, równoważność połączeń źródeł. Źródła sterowane: źródło napięcia sterowane prądowo, źródło napięcia sterowane napięciowo, źródło prądu sterowane napięciowo, źródło prądu sterowane prądem. Elementy aktywne nieźródłowe: dioda tunelowa, tranzystor i wzmacniacz operacyjny.

Analiza złożonych liniowych obwodów elektrycznych prądu stałego.  Analiza na podstawie praw Kirchhoffa.  Zasada superpozycji. Metoda oczkowa i węzłowa w ujęciu nietopologicznym. Zasada wyodrębnienia i twierdzenie o wzajemności. Twierdzenie Thevenina-Nortona. Twierdzenie o przenoszeniu źródeł idealnych. Obwody ze źródłami sterowanymi i wzmacniaczami operacyjnymi.

Nieliniowe obwody prądu stałego. Elementy nieliniowe i ich charakterystyki. Prawa obwodów nieliniowych. Rezystancja statyczna i dynamiczna. Linearyzacja charakterystyk nieliniowych. Charakterystyki zastępcze gałęzi nieliniowych. Obwody z elementami nieliniowymi.

Obwody magnetyczne. Klasyfikacja obwodów magnetycznych. Prawa obwodów magnetycznych. Liniowe obwody magnetyczne. Nieliniowe obwody magnetyczne. Obwód magnetyczny magnesu trwałego.

Wartości średnie i skuteczne przebiegów okresowych. Prąd i napięcie zmienne dla liniowych elementów R, L, C.  Sygnały zmienne okresowe i ich charakterystyczne wielkości. Wartości średnie i skuteczne. Addytywność wartości średnich i skutecznych prądów i napięć.

Obwody prądu sinusoidalnie zmiennego – metoda klasyczna. Zależności energetyczne w elementarnych obwodach liniowych dla wymuszeń sinusoidalnych. Idealny liniowy rezystor, kondensator i induktor (cewka): przebiegi czasowe prądu, napięcia i mocy chwilowej, moc i energia, miejsce geometryczne zależności pomiędzy prądem a napięciem, wykresy wektorowe. Szeregowe (dwójnik szeregowy R,L,C) i równoległe (równoległy dwójnik R, L, C) połączenie rezystora, cewki i kondensatora: przebiegi czasowe prądów, napięć i mocy chwilowej, moc czynna, bierna i pozorna, wykresy wektorowe, moduł i argument impedancji oraz admitancji, kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem.

Analiza obwodów dla przebiegów sinusoidalnych metodą liczb zespolonych. Podstawowe działania na liczbach zespolonych. Metoda symboliczna dla dwójnika szeregowego i równoległego   R, L, C: impedancja, admitancja, prawo Ohma dla wielkości zespolonych prądu i napięcia, wykresy wektorowe. Analizy złożonych liniowych obwodów elektrycznych metodą liczb zespolonych. Wykresy topograficzne. Obwody prądu sinusoidalnie zmiennego ze wzmacniaczami operacyjnymi i źródłami sterowanymi.

Obwody elektryczne wielozaciskowe. Pojęcie wielobiegunnika i wielowrotnika. Moc i energia, liniowość, stacjonarność i pasywność n – wrotnika. Twierdzenia i zasady stosowane w obwodach  n – zaciskowych i wielowrotnikowych: wzajemności, superpozycji, kompensacji, wyodrębnienia, równoważności, Thevenina i Nortona.

Topologiczna analiza obwodów SLS. Elementy teorii grafów liniowych. Drzewo, dopełnienie, oczko, przekrój. Macierze: incydencji, oczek fundamentalnych, przekrojów fundamentalnych, ortogonalność tych macierzy. Transformacja oczkowa i przekrojowa. Macierzowy opis obwodu RLCM. Metoda prądów strun i napięć konarowych.

3.       Tematyka ćwiczeń tablicowych

1.       Proste liniowe obwody prądu stałego i obwody z kondensatorami.

2.       Dwójniki pasywne; kartkówka.

3.       Złożone liniowe obwody prądu stałego; kartkówka.

4.       Liniowe obwody prądu stałego ze wzmacniaczami operacyjnymi

5.       Złożone liniowe obwody prądu stałego ze źródłami sterowanymi; kartkówka.

6.       Twierdzenie Thevenina i Nortona, moc i energia w obwodach prądu stałego; kartkówka.

7.       Nieliniowe obwody prądu stałego; kartkówka.

8.       Obwody magnetyczne liniowe; kartkówka.

9.       Obwody magnetyczne nieliniowe.

10.   Wartości skuteczne i średnie przebiegów okresowych.

11.   Proste obwody prądu sinusoidalnie zmiennego – metoda klasyczna; kartkówka.

12.   Proste obwody prądu sinusoidalnie zmiennego – metoda symboliczna; kartkówka.

13.   Złożone obwody prądu sinusoidalnie zmiennego; kartkówka.

14.   Obwody prądu sinusoidalnie zmiennego ze wzmacniaczami operacyjnymi i źródłami sterownymi.

15.   Repetycje.

6.   Literatura

Wykład:

1.       Cichowska Z., Pasko M.: Wykłady z elektrotechniki teoretycznej. Część I: Działy podstawowe. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995.

2.       Cichowska Z., Pasko M.: Wykłady z elektrotechniki teoretycznej. Część II: Prądy sinusoidalnie zmienne. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.

3.       Pasko M., Piątek Z., Topór-Kamiński L.: Elektrotechnika ogólna. Część I. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.

4.       Lubelski K.: Elektrotechnika teoretyczna. Część I, II i III. Wyd. Pol. Cz., 1994.

5.       Bolkowski St.: Teoria obwodów elektrycznych. WNT, Warszawa 1995.

6.       ...