Появление возможности генерировать электроэнергию в больших объёмах, в конце 19 века, способствовало интенсивной электрификации. Стали появляться электросети, электроосвещение, а затем и различные электроприборы. Всё это электрооборудование требовало постоянного обслуживания, а также периодического ремонта. Поэтому стали возникать учебные заведения по подготовке необходимых специалистов. Давно известно, что помимо приобретения теоретических знаний необходимо дать обучающемуся практические навыки. Для этого используют наглядные пособия демонстрирующие работу электрооборудования, а также действие основных законов электротехники.
Время чтения: 15 минут
История
История электротехники (ЭТ) уходит в глубокое прошлое начиная с древности, когда люди замечали эффекты электричества, такие как статическое электричество, возникающее при трении определённых материалов.
Одним из древних открытий в этой области было обнаружение электрического эффекта греками, например, Талесом Милетским, который в VI веке до н.э. заметил, что трение янтаря придаёт ему способность притягивать лёгкие предметы. Это был один из первых примеров статического электричества.
С развитием науки и технологий в XVIII и XIX веках начались более систематические исследования в области электричества. Одним из основных этапов стало открытие электромагнетизма Хансом Кристианом Эрстедом и Майклом Фарадеем. Труды Фарадея дали начало основам электродинамики и электромагнитной индукции, что стало фундаментом для создания генераторов и двигателей.
Также в XIX веке были разработаны основные принципы электромагнитной теории, которые привели к созданию телеграфа, а также других коммуникационных приборов. В конце века началась эра коммерческого использования электричества:
- внедрение электроосвещения Александром Лодыгиным, Павлом Яблочковым и Томасом Эдисоном;
- разработка и совершенствование системы переменного тока Николой Тесла, Павлом Яблочковым, австро-венгерской компанией ZBD, а также другими учёными.
XX век принёс массовое распространение ЭТ. Развитие радио, телевидения, электронных устройств, компьютеров и технологий связи стало ведущими направлениями. С появлением полупроводников и интегральных схем началась эпоха современной электроники, открывшая путь к созданию устройств и систем, которые мы используем в настоящее время.
Сегодня электротехника продолжает развиваться. В первую очередь в сфере создания устойчивых источников энергии, их энергоэффективности, а также разработки новых материалов и технологий. Это позволяет создавать более компактные, эффективные и удобные устройства.
Электротехника
ЭТ, как раздел науки, изучает электричество, явления, создаваемые им, а также способы их производства, передачи и применения. Электротехника охватывает множество сфер, от основ функционирования электрических цепей до разработки сложных систем электропитания, электроники, связи.
Значение электротехники неоценимо. Она обеспечивает знаниями и навыками, необходимыми для разработки, проектирования, а также обслуживания электрических систем, которые могут относиться к электроэнергетике, электронике, автоматике, а также другим смежным с ними областям.
Электротехника нужна не только специалистам по электроэнергетике и электронике. Базовые знания преподают многим, не относящимся к энергетике, инженерным специальностям, например, технологам пищевой промышленности, инженерам механикам, строителям, а также другим. Эти знания позволяют не только узнать об опасности действия электротока, но также понять принцип функционирования электрооборудования, с которым предстоит работать. Полученные знания способствуют модернизации существующих и созданию новых технологий, а также разработке более эффективных производственных систем, что важно для развития индустрии, транспорта, коммуникаций, а также других отраслей.
Области внимания
Электротехника изучает широкий спектр тем, связанных с электричеством, электроникой, а также электромагнетизмом. Основные области её внимания включают в себя:
- Основы электротехники: Включает теорию и практику работы электроцепей, законов Ома, Кирхгофа, а также методы расчёта различных электросхем.
- Электроника: Изучает поведение электронных устройств, а также их компонентов, таких как диоды, транзисторы, интегральные схемы, основы цифровой и аналоговой электроники.
- Электромагнетизм: Здесь изучаются взаимодействия электрических и магнитных полей, законы Фарадея, правила Ленца, электромагнитные волны, а также как работают приборы на основе электромагнитной теории.
- Электроэнергетика: Основы производства, передачи, распределения и использования электроэнергии, функционирование генераторов, трансформаторов, электростанций, а также сетей электроснабжения.
- Электрические машины: Включает изучение теории функционирования электродвигателей, трансформаторов, генераторов, а также прочих электромашин, использующих для своего питания электричество.
- Системы автоматического управления (САУ): Анализ и разработка САУ, использующих электроустановки для контроля, а также регулирования различных протекающих процессов.
- Технологии связи: Исследование принципов функционирования систем, передающих информацию, включая радио, телевидение, сотовую связь, сети передачи данных и интернет.
Каждая из этих областей включает в себя множество подразделов и специализаций. Например, в электронике есть микроэлектроника, оптоэлектроника, интегральные схемы, радиоэлектроника, а также многие другие. В электроэнергетике можно углубиться в сверу распределения энергии, её производство или её выработку с помощью альтернативных источников энергии.
Помимо этого, ЭТ активно взаимодействует с другими областями науки, такими как материаловедение (разработка материалов для электроники), компьютерные науки (программное обеспечение для управления электросистемами), физика (электромагнетизм и физические основы электричества).
Назначение стендов
Для создания эффективного обучения ВУЗы создают учебные лаборатории, в которых размещаются такие наглядные пособия как: плакаты, образцы оборудования, а также лабораторные стенды. Стенды - это мощный инструмент обучения, который во многом обогащает образовательный процесс:
- Практическое применение теоретических знаний: Студенты могут применить теоретические знания, полученные из учебных материалов, на практике. Они могут увидеть, как фундаментальные концепции, такие как законы Ома или законы Кирхгофа, применяются при выполнении измерений и анализе электроцепей.
- Понимание реальных процессов: Возможность наблюдать, а также изучать реальные процессы, происходящие в электросистемах, увидеть, как изменение параметров влияет на работу системы. Всё это помогает лучше понять причинно-следственные связи.
- Разнообразие опытов и экспериментов: Возможность проводить эксперименты и измерения в разных условиях, расширяет понимание студентов о том, как электрические системы ведут себя в различных сценариях.
- Учебные средства для визуализации: Визуальное представление о том, как работают электроцепи, делает преподаваемый материал более доступным и понятным.
- Развитие навыков решения проблем: Развитие аналитического мышления, помогает решать проблемы, а также адаптироваться к разным ситуациям, что развивает навыки реального инженера.
- Подготовка к карьере: Практический опыт даёт студентам представление о реальных задачах в рабочей среде, что помогает им быть лучше подготовленными к будущей карьере.
Таким образом, измерительные стенды в ЭТ играют важную роль в образовательном процессе, давая возможность студентам получить практический опыт, необходимый для понимания и применения теоретических концепций в реальной жизни.
Классификация
Существует несколько видов классификации. Рассмотрим основные из них.
Классификация по конструкции
Конструкция определяет общий вид, число и расположение компонентов, а также количество возможных к выполнению экспериментов. Вот основные типы:
Стационарные:
- Настольные: Это малогабаритные конструкции, обычно используемые для базовых экспериментов и измерений. Они имеют приемлемые для транспортировки размеры, удобны для установки на столе в лаборатории, что позволяет сохранить достаточно места для работы за столом. К недостаткам можно отнести необходимость их надёжного крепления к основанию.
- Напольные: Это более крупные конструкции, обеспечивающие возможность для выполнения более сложных экспериментов и исследований. В зависимости от конструкции некоторые из них оснащаются столешницей, обычно небольшой ширины. Благодаря большим размерам и весу, они имеют высокую устойчивость, однако это сопряжено со сложностью их транспортировки или простого перемещения.
Мобильные:
- Портативные: Это обычно лёгкие компактные конструкции, которые легко перемещаются из одного места в другое, например, между отдельными группами учащихся. Также они удобны для применения на практике, например, вне лаборатории или в полевых условиях.
- Напольные на колёсах: Они обладают преимуществами напольных и портативных конструкций. Они могут быть свободно перемещены по лаборатории или учебному заведению, из-за наличия колёс. Однако для снижения общего веса их изготавливают из лёгких материалов, а также используют минимум массивного оборудования.
Каждый рассмотренный тип имеет как преимущества, так и недостатки. Их выбор зависит от конкретных потребностей образовательного процесса или научных исследований.
Классификация, в зависимости от предмета изучения
В зависимости от предмета, предназначения, а также уровня сложности стенды классифицируются на несколько основных типов:
- Измерительные:
- Измерение электрических параметров: Напряжение, ток, сопротивление, мощность, частота, а также другие параметры электроцепей.
- Изучение методов измерения: Ознакомление с работой измерительных приборов, выполнения измерений, методов анализа результатов.
- Для изучения электрических цепей:
- Основы электротехники: Усвоение законов Ома, Кирхгофа, анализ простых и сложных электроцепей.
- Исследование электрических схем: Работа с разнообразными схемами подключения элементов, позволяющих исследовать их свойства.
- Для изучения электромашин:
- Электромоторы и генераторы: Тестирование, а также исследование электрических машин, генераторов и стартеров.
- Трансформаторы и дроссели: Знакомство с принципами работы, а также основными параметрами трансформаторов и дросселей.
- Для изучения электроники:
- Основы электроники: Исследование диодов, транзисторов, интегральных схем, а также их применение в разных приборах.
- Микроэлектроника: Взаимодействие с микроконтроллерами, программируемой логикой, микроэлектронными устройствами.
- Энергетические:
- Электроэнергетика: Знакомство с процессами производства, передачи и распределения электроэнергии.
- Альтернативные источники энергии: Изучение и тестирование систем на базе альтернативных источников энергии, таких как солнечные батареи, ветрогенераторы и гидрогенераторы.
Это лишь общие категории. Каждая из них может быть подразделена на множество конкретных подкатегорий, в зависимости от целей обучения, учебного плана, а также технических возможностей учебного заведения.
Конструирование и примеры
Стенды нужны были раньше, нужны сейчас, а также будут востребованы всегда учебными заведениями. Причина этому – естественный износ оборудования, появление новых, более точных, надёжных и совершенных компонентов и измерительных инструментов.
Изготовлением подобного оборудования занимаются некоторые компании. Они производят установки массово по типовым проектам. Такие компании обеспечивают надёжность производства, гарантийное обслуживание, а также проверенные комплектующие. Массовое производство также подразумевает массовую закупку комплектующих, что положительно сказывается на себестоимости.
Также производством занимаются крупные производители электронного оборудования. Это помогает им распространять собственную продукцию, за счёт того, что будущие специалисты во время обучения обращаются с их оборудованием.
Образовательные учреждения также могут изготавливать стенды собственными силами. Преимуществами такого подхода является:
- отсутствие затрат на транспортировку;
- изготовление под существующие методические материалы;
- возможность использования имеющихся материальных ресурсов;
- оформление в собственном дизайне или по нестандартным размерам.
Также, когда обучающиеся что-то делают своими руками, то это повышает их профессиональные навыки.
Если рассмотреть все этапы производства, то их немного, но каждый из них требует тщательного планирования и аккуратного выполнения. Вот основные из них:
- определение видов выполняемых работ;
- составление электросхемы;
- составление необходимого списка приборов и устройств;
- компоновка всех элементов на чертеже;
- изготовление корпуса и размещение в нём всех элементов;
- подключение всех элементов и тестирование всей установки.
Что нужно для сборки?
В зависимости от конструкции, изучаемого предмета, а также вида проводимых экспериментов применяемые в стенде оборудование может сильно различаться. Вот основные части, которые часто присутствуют в них:
- Источники питания: Это элементы, предоставляющие электроэнергию для работы всех устройств, питания исследуемых элементов, а также питающие приборы. Чаще всего это: однофазные и трёхфазные трансформаторы, лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР, вариак), понижающие блоки питания, сетевые адаптеры, а также другие преобразователи напряжения.
- Встраиваемые приборы: Они включают в себя измерительные головки различного вида, такие как, вольтметры, амперметры, мультиметры, а также другие приборы для оценки параметров электроцепей.
- Электрические компоненты: Резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы, а также другие элементы, используемые при создании схем.
- Подключения и разъёмы: Для соединения компонентов цепей, а также для подключения измерительных приборов и источников питания к изучаемым элементам используют: штыревые и зажимные клеммы, штекеры, разъёмы, клеммные колодки.
- Управляющие элементы: Переключатели, регуляторы, кнопки управления, которые позволяют изменять параметры цепей, подключать дополнительные блоки, схемы, а также элементы.
- Дополнительные внешние приборы для измерения: К ним относятся: генераторы сигналов, осциллографы, логические анализаторы, мультиметры, омметры, тахометры, анемометры, люксметры, а также другие средства измерения, необходимые для проведения конкретных видов экспериментов.
 |
 |
 |
 |
Помимо перечисленного, также нужны: монтажные провода, средства изоляции, металлические и пластиковые конструкции для сборки корпуса, а также различное монтажное оборудование и инструменты. Это лишь основные виды оборудования, которое применяется в лабораторных, измерительных, а также испытательных стендах по электротехнике. Фактический набор зависит от целей, задач, а также уровня сложности экспериментов и измерений, которые планируется проводить.
