1.1. Основні поняття електротехніки

Електроустановками називається сукупність машин, апаратів, ліній та допоміжного устаткування (разом зі спорудами і приміщеннями, в яких вони встановлені), призначених для виробництва, перетворення, трансформації, передавання, розподілу електричної енергії та перетворення її в інший вид енергії (визначення приведено в п. 1.1.3 нормативного документа "Правила улаштування електроустановок" (ПУЕ)).

Електричне коло – сукупність провідних частин, через які може протікати електричний струм у нормальному або аварійному режимах роботи електроустановки (визначення приведено у п. 1.7.41 ПУЕ). В підручнику розглядатимуся електричні кола із зосередженими параметрами – електричні кола, в яких електричні опір, індуктивність та ємність зосереджені на окремих ділянках цього кола (відповідно існують і електричні кола з розподіленими параметрами). Електричне коло може бути замкненим і незамкненим.

Електричний струм – фізичне явище спрямованого руху електричних зарядів. Електричний струм виробляється джерелом електричної енергії (генератором, акумулятором, термопарою).

За своєю природою електричний струм буває:

– струмом провідності (спрямований рух вільних носіїв електричного заряду в речовині або вакуумі, наприклад рух електронів у металах);

– струмом поляризації (спрямований рух пов’язаних заряджених часток (диполів) у діелектрику за зміни його поляризації);

– струмом переносу (спрямований рух заряджених тіл, наприклад рух іонів в електролітах і газах).

Постійний електричний струм – електричний струм, що не змінюється в часі за напрямком. Напрямком постійного електричного струму вважається напрямок руху позитивних зарядів (напрямок, що є зворотним напрямку руху електронів).

Сила (величина) електричного струму (позначається латинською літерою  (в електротехніці позначення латинськими літерами виконуються курсивом); одиниця виміру позначається [A], називається "ампер") – фізична величина, що є мірою інтенсивності спрямованого руху заряджених часток – кількість  електрики, що протікає через поперечний переріз провідника в одиницю часу:

,                                                       (1.1)

де  – заряд, одиниця виміру позначається [Кл], називається "кулон"; 
t – час, одиниця виміру позначається [с], називається "секунда".

Всі речовини поділяються на:

– провідники – речовини, що мають високу електропровідність (метали, електроліт тощо);

– діелектрики (ізолятори) – речовини, що мають малу електропровідність (гума, кераміка, полімери, нафтопродукти тощо);

– напівпровідники – речовини, електропровідність яких займає проміжне положення між провідником і  діелектриком  (силіцій, германій, селен тощо).

Електричний опір (будемо позначати латинською літерою R – опір для постійного струму, латинською літерою r – опір для змінного струму; одиниця виміру позначається [Ом], називається "ом") – фізична величина, що характеризує спроможність елемента електричного кола (провідника) перетворювати електричну енергію у теплову. Величина електричного опору залежить від матеріалу, із якого виготовлений провідник, розмірів провідника, температури провідника (при нагріванні металів їх електричний опір зростає) та визначається за формулою:

,                                                       (1.2)

де ρ – питомий опір провідника, [];  – довжина провідника, [м]; S – площа поперечного перерізу провідника, [мм2].

Резистор – елемент електричного кола (електротехнічний виріб), призначений для використання його електричного опору (або властивості якого описуються електричним опором). Надалі, крім терміна "резистор" буде застосовуватися еквівалентний термін "резистивний елемент". Зовнішній вигляд резистора приведений на рис. 1.1. 

Рис. 1.1 – Зовнішній вигляд резистора (метало-оксидний резистор)

Електрична провідність (будемо позначати латинською літерою G – для постійного струму, латинською літерою g – для змінного струму; одиниця виміру позначається [См], називається "сименс") – фізична величина, обернено пропорційна електричному опору: 

                                              (1.3)

Електрорушійна сила (скорочено ЕРС, позначається латинською літерою Е; одиниця виміру позначається [B], називається "вольт") – фізична величина, яка є силою, що встановлює і підтримує різницю потенціалів на затискачах джерела, викликає електричний струм у колі, долаючи його внутрішній і зовнішній опір. Напрям ЕРС є напрямом дії сторонніх сил у джерелі живлення. Під потенціалом постійного електричного поля розуміється енергія, необхідна для видалення одиничного заряду з даної точки у нескінченність. 

Електрична напруга (позначається латинською літерою U; одиниця виміру позначається [B], називається "вольт") – фізична величина, яка дорівнює різниці потенціалів, що викликає проходження електричного струму. Напруга спрямована у напрямі зменшення потенціалу.

Джерело електричної енергії може бути джерелом ЕРС (джерело електричної енергії, в якому величина ЕРС не залежить від струму, що протікає від джерела до споживача, та внутрішній опір якого є малим) або джерелом струму (джерело електричної енергії, в якому струм не залежить від напруги, яка створюється джерелом на затискачах споживача, та внутрішня провідність якого є малою). На рис. 1.2 показано умовні позначення на електричних схемах джерела ЕРС Е із внутрішнім опором R0, джерела струму J із внутрішньою провідністю G0 та резистора з опором R. 

Рис. 1.2 – Умовні позначення на електричних схемах: а – джерело ЕРС Е із внутрішнім опором R0, б – джерело струму J із внутрішньою провідністю G0, в – резистор з опором R 

ЕРС джерела Е складається з двох частин: напруги на затискачах джерела U та внутрішнього падіння напруги у джерелі U0 :

.                                                           (1.4)

Приклад схеми найпростішого електричного кола приведений на рис. 1.3. Опором з’єднувальних провідників (з’єднувальні провідники позначаються суцільною лінією) та вимірювальних приладів нехтуємо.

Виділяють наступні елементи електричного кола: ділянка (внутрішня та зовнішня), вітка, вузол, контур.

Ділянка електричного кола – частина електричного кола, що містить визначену сукупність її елементів. 

Внутрішня ділянка електричного кола – ділянка електричного кола, що містить джерело.

Зовнішня ділянка електричного кола – ділянка електричного кола, що містить споживачі електричної енергії, вимірювальні прилади, з’єднувальні провідники.

Вітка – ділянка електричного кола, в якій у будь-який момент часу сила струму має однакове значення.

Вузол – місце з’єднання трьох і більше віток.

Контур – будь-який шлях струму, що проходить по декількох вітках. Контур може бути замкненим та незамкненим.

Рис. 1.3 – Приклад схеми найпростішого електричного кола

E – джерело ЕРС із внутрішнім опором R0 (внутрішня ділянка електричного кола); F – апарат захисту (плавкий запобіжник); Q – комутаційний апарат (однополюсний вимикач); А, V – вимірювальні прилади (А – амперметр, V – вольтметр); 
R – споживач електричної енергії (резистор з опором R); Х1 – розбірне електричне з’єднання (наприклад, гвинтове); Х2 – нерозбірне електричне з’єднання (з’єднання, що виконане паянням, зварюванням або опресуванням) 

Електричне коло описується наступними параметрами: енергія, потужність, коефіцієнт корисної дії.

Енергія (позначається латинською літерою W; одиниця виміру позначається [Дж], називається "джоуль") – фізична величина, яка є загальною мірою різноманітних процесів та видів взаємодії. Виходячи з відомих форм фізичних процесів введено поняття різних видів енергії: електрична, теплова, механічна, хімічна, ядерна тощо. Основним законом природи є закон збереження енергії: енергія будь-якої замкненої матеріальної системи при всіх процесах, що в ній протікають, зберігається; при цьому енергія лише перетворюється з однієї форми в іншу. 

Енергія проявляється при виконанні роботи. Якщо до затискачів електричного кола прикладена напруга U, то за час  по колу переноситься заряд величиною Q. Тобто електричний струм виконує роботу:

,                                               (1.5)

де А – робота по перетворенню енергії, [Дж];  U – напруга, [В]; Q – заряд, [Кл]; I – сила струму, [A]; t – час, [с].

Потужність (позначається латинською літерою P; одиниця виміру позначається [Вт], називається "ват") – фізична величина, що характеризує швидкість, з якою відбувається перетворення енергії:

,                                                (1.6)

де А – робота по перетворенню енергії, [Дж];  t – час, [с].

Електрична потужність – фізична величина, яка описує роботу електричного струму в одиницю часу:

.                                (1.7)

Баланс потужності – відповідно до закону збереження енергії повна (електрична) потужність джерела дорівнює сумі потужностей приймача електричної енергії та потужності втрат енергії у самому джерелі:

.                                        (1.8)

Коефіцієнт корисної дії (скорочено ККД, позначається грецькою літерою , одиниця виміру [%]) – фізична величина, яка дорівнює відношенню корисної потужності до електричної потужності джерела електричної енергії:

.                                        (1.9)

ККД показує ефективність використання електричної енергії.