Предложения для внесения поправок в стандарт по электротехнике

ток источник энергия электрический

Владимир Борисович Венславский,

кандидат физико-математических паук, доцент, Забайкальский государственный университет (672039, Россия, г. Чита, ул. Александре-Заводская, 30),

Terms and concepts GOST R 52002-2003 every ten years are subject to discussion and approval in the original or new edition. For the new edition of the articles of the standard, a number of refinement of terms and definitions of the following concepts are proposed: (full) current; electrical voltage, electromotive force, power source, current source, voltage source, source of electrical energy, volt-ampere characteristics, external characteristic, load characteristic. The following formulation of the terms of physical quantities and mathematical models is proposed: current (current strength); voltage (in the circuit); open circuit voltage; external characteristic of the loaded source; load characteristic.

Keywords: electric current, electric voltage, electromotive force, electric energy source, current-voltage characteristic, external characteristic, load characteristic

Введение

Постановлением Госстандарта России от 9 января 2003 г. № 3-ет принят и введён в действие «ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника» (основные термины и понятия), в котором ряд терминов и понятий, принятых «ГОСТ 19880-74 Электротехника», изменён и дополнен новыми [3; 4]. В действующий стандарт при очередном продлении требуется, на наш взгляд, внести дополнения и уточнения некоторых терминов и понятий.

При формировании системы терминов и понятий принято отличать имя реального предмета или явления, как «предмета мысли из мира вещей», от имени физической величины, введённой для описания различных моделей, как «предмет мысли из мира идей» [2-4]. На первое место при формировании статей ГОСТ разработчики традиционно ставят статью введения термина и определения понятия для реальных предметов и явлений («мир вещей»). Для описания «предмета мысли из мира вещей» в ГОСТ 19880-74 введён термин резистор, а термин электрическое сопротивление эксперты оставили за физической величиной [5].

Электрический ток. Термин электрический ток проводимости в ет, 40 ГОСТ 19880-74 обозначает предмет мысли реального «мира вещей», а при именовании физической величины в ет, 41 принято использовать термин ток проводимости (ранее во всех учебниках и словарях применялся термин «сила тока») [5]. В примечании 41-й статьи сказано, что «широко применяется термин сила тока проводимости» [Там же], В ГОСТ Р 53002-2003 произошли изменения: в 8-й статье термин электрический ток определён как явление (из термина удалено слово «... проводимости»); в ет, 43-47 «(электрический) ток ,,, » определяется как явление [6], В ет, 48 для именования физической величины разработчиками стандарта введён термин « (полный) ток», т, е, «предмет мысли мира идей» (без упоминания о «силе тока») [6]. По сложившейся практике термин «ток» используется для описания физической величины, хотя, часто приходится уточнять, что речь идёт о силе тока. Для физической величины следует, с нашей точки зрения, ввести в необязательную часть ранее используемый термин - ток (сила тока).

Среди используемых в электротехнике физических величин, как известно, выделены основные параметры - это ток (сила тока) и напряжение как предметы мысли из «мира идей», В настоящей редакции стандарта электрический ток - это явление, а электрическое напряжение - это только физическая, величина («мир идей»), что вызывает, с нашей точки зрения, противоречия, которые можно объяснить двойственностью этого понятия [2]. Двойственность подтверждается в определении понятия «электричество - совокупность физических явлений, связанных с движением и взаимодействием заряженных тел или частиц» [4; 7],

Электрическое напряжение. Термин электрическое напряжение (напряжение) введён авторами 26-й статьи ГОСТ 19880-74 для физической величины и определён как «скалярная величина» [5], В ст, 29 ГОСТ Р 53002-2003 для именования физической величины авторами предлагается термин «(электрическое) напряжение» [6]. Понятие электрическое напряжение, с нашей точки зрения, включает и совокупность явлений - движение материи при подключении источника электропитания, результатом которого является возникновение на заданном участке цепи электрического поля значимой интенсивности («мир вещей»). За явлением, с нашей точки зрения, можно закрепить термин электрическое напряжение, а за физической величиной - напряжение (падение напряжения) по аналогии с предложенным уточнением термина ток (сила тока) [7]. Возникновение электрического напряжения на участке цепи первично по отношению к электрическому току и является основой взаимосвязи дуальных физических величин - напряжения и тока в моделях Ома,

Электродвижущая сила. Проблема двойственности при стандартизации, на наш взгляд, относится и к термину и понятию электродвижущая сила (ЭДС). В статье 28 ГОСТ Р 53002-2003 (как и в предшествующем ГОСТ 19880-74) используется определение ЭДС как физической величины: «ЭДС - это скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток» [5; 6]. Авторы статьи 28 ГОСТ Р 53002-2003 продлили сомнительные термины и понятия в ст, 21 и 22 - сторонняя сила и стороннее поле [6]. Называть сторонним полем реально возникающее электрическое поле в источнике электропитания, полагаем, нецелесообразно, тем более, вводить в ГОСТ беспрототипное понятие и термин - сторонняя сила. Эти два термина, с нашей точки зрения, следует исключить из статей стандарта, тем более, что понятие ЭДС можно определить через понятие внешняя, характеристика [2]. Понятие ЭДС как физической величины, на наш взгляд, можно трактовать через предельное значение внешней характеристики, соответствующее режиму холостого хода и однозначно определяемое напряжением холостого хода [Там же]. Наше предложение заключается в том, чтобы системный термин и понятие ЭДС рекомендовать экспертному сообществу в качестве предмета мысли реального явления, а за физической величиной закрепить термин напряжение холостого хода.

Под ЭДС авторы текстов часто понимают именно реальное явление - возникновение динамического равновесия скопившихся носителей электрических зарядов в результате индукции или контактных явлений на границе различных веществ (металлов, металл-электролитов, металл-полупроводников, полупроводников, стратифицированных потоков газовых смесей), Процесс переноса стабилизируется под действием препятствующего электрического поля, возникающего в результате скопления этих носителей [Там же]. Для именования индуктированного электрического поля при движении проводника в магнитном поле к термину принято добавлять - ЭДС индукции. За устоявшимся термином и понятием ЭДС можно, полагаем, закрепить предмет мысли из «мира вещей»: ЭДС - явление движения и преобразование материи, приводящее в результате индукции или контактных явлений на границе различных веществ к разделению и скоплению противоположно заряженных носителей и к их динамическому равновесию под действием образуемого электрического поля, препятствующего процессу переноса. Явление возникновения ЭДС характеризуется переходом различных видов энергии в энергию электрического поля, противодействующего процессу переноса носителей заряда,

Вольтамперпая характеристика. Моделирование резистивных элементов электрических цепей принято осуществлять отношением взаимосвязанных основных параметров (тока и напряжения) с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ). В 87-й статье ГОСТ 19880-74 и 93-й статье ГОСТ Р 52002-2003 определения ВАХ отличаются: «зависимость напряжения на зажимах элемента электрической цепи от тока в нём»; «зависимость электрического напряжения на зажимах элемента электрической цепи от электрического тока в нём» [5; 6], В ГОСТ 19880-74, на нащ взгляд, в «зависимость» ставятся физические величины, и это правильно, т, к, электрический ток как реальный процесс не может быть изображён на графике. Определение понятия ВАХ должно, мы считаем, начинаться со слов математическая модель, а вместо слова «зависимость» должно использоваться - взаимосвязь физических величин [2-4], Наше предложение формулировки понятия: «ВАХ - это математическая модель резистивного прибора или его ветви, отражающая в графической форме взаимосвязь тока и напряжения». Это компонентное понятие относится к математическим моделям различных источников электропитания.

Источник электрической энергии. В ГОСТ Р 52002-2003 основных терминов и понятий следует, полагаем, включить термин источник электропитания и определиться с понятием - источник электрической энергии как с «предметом мысли мира идей» или устранить его из определений [2-4], В ст, 119 ГОСТ Р 52002-2003 понятие источник электрической энергии причислено к «предмету мысли мира вещей»: «Активная электрическая цепь - электрическая цепь, содержащая источники электрической энергии» [6]. Определение понятия источник электрической энергии как реального элемента электрической цепи используется и во всех (более 11) стереотипных изданиях учебника (А, С, Касаткин, М, В, Немцов) «Электротехника»: «Рассмотрим источник электрической энергии на примере гальванического элемента», Если опираться на эту трактовку понятия, то термин «источник электрической энергии» обозначает реальный прибор («предметы мысли мира вещей»), хотя в термине слово энергия, - это физическая, величина. С нашей точки зрения, термин источник электрической, энергии - это модель («мир идей») источника электропитания, которая должна использоваться только для именования элементов в схемах замещения и для их математических моделей, как и специальные термины и понятия теории электрический цепей: источник тока и источник напряжения [2; 3, с, 85], В тексте статьи 119 стандарта вместо термина источник электрической, энергии,, на наш взгляд, следует ввести термин источник электропитания.

Внешняя характеристика. Существенной проблемой, с нашей точки зрения, является формулировка термина и определение понятия ст, 121 ГОСТ Р 52002-2003: «внешняя характеристика (источника электрической энергии) - зависимость между электрическим напряжением на выводах источника электрической энергии и электрическим током в нём» [6]. Необязательная часть термина авторами 121-й статьи искажена, т, к, классический системный термин в первоисточниках именовался как внешняя, характеристика нагруженного источника (ВХНИ) [6]. Искажение необязательной части термина привело к переходу от модели системы источник-приёмник к компонентной модели источник электрической энергии, для которой уже существует математическая модель - это ВАХ [1; 2], Определение понятия в 121-й статье повторяет формулировку ВАХ, что также не соответствует, с нашей точки зрения, представлению модели системы, заложенной в классическом издании теоретических основ электротехники [6]. Такую ошибочную, с нашей точки зрения, трактовку понятия, перешедшую в устойчивое заблуждение, ранее допустили авторы учебника «Электротехника» (А, С, Касаткин, М, В, Немцов, 2008, С, 31): «Схема замещения линейного двухполюсника определяется его линейной вольт-амперной характеристикой или внешней характеристикой 11(1)». Авторы текста учебника и 121-й статьи ГОСТ Р 52002-2003 приравняли понятия ВАХ и ВХНИ - это, на наш взгляд, ошибка, перешедшая в заблуждение [1; 2]. Считаем, что термин в ГОСТ Р 52002-2003 должен быть представлен в традиционной формулировке с выделением необязательной части - внешняя характеристика (нагруженного источника) [2; 6]. Нами сформулировано предложение для определения понятия: внешняя характеристика (нагруженного источника) - математическая модель цепи источник-приёмник, представляющая геометрическое место возможных режимов. Область определения графика ВХНИ в вольтамперной системе координат - это первый квадрант, в отличие от ВАХ в режиме генерации - четвёртый квадрант. Единственная общая точка на графике для этих системной и компонентной моделей - это режим холостого хода. Построение ВХНИ может быть реализовано двумя методами: экспериментальным методом измерения тока и напряжения при изменении сопротивления внешней нагрузки; методом опрокинутой характеристики - преобразованием по модулю графика ВАХ источника в режиме генерации (или принятой линейной модели) из четвёртого в первый квадрант [1; 2], При построении математической модели цепи источник-приёмник в графической форме разработчику требуется, как известно, построить ВХНИ и ВАХ внешней нагрузки через точку заданного режима [2]. В большинстве задач в качестве источников электропитания используются гальванические аккумуляторы или стабилизаторы напряжения, выходное сопротивление которых на малых нагрузках можно не учитывать и применять модель идеального источника напряжения [2]. Преобразование по модулю из 4-го квадранта ВАХ идеального источника напряжения в режиме регенерации позволяет построить ВХНИ - вертикальную линию в первом квадранте [Там же]. Исправление термина и замена определения понятия 121-й статьи позволит, на наш взгляд, установить различие между моделями ВАХ и ВХНИ и устранить заблуждение.

Нагрузочная характеристика. Полапаем, что в ГОСТ Р 52002-2003 следует добавить статью для термина и определения понятия нагрузочная характеристика, широко используемого при математическом моделировании в графической форме транзисторных цепей. Нагрузочную характеристику принято находить, ориентируясь на точки пересечения с осями напряжения и тока путём мысленных экспериментов, называемых «опыт холостого хода» и «опыт короткого замыкания» [3, с, 97], Для определения понятия нагрузочная характеристика следуют применить термин внешняя, характеристика нагруженного эквивалентного источника. Термин нагрузочная характеристика (иногда называют линия нагрузки) широко используется в отечественных и зарубежных публикациях для построения математических моделей цепей, в которых во внешней цепи более одного элемента, например, для «делителя напряжения». Элемент внешней цепи, к которому предусмотрено подключать нагрузку, принято называть рабочим элементом, а второй - балластным, элементом, (Кбалласт)- Балластный элемент, как известно, в цепи используется для ограничения напряжения на рабочем элементе и никакого отношения к нагрузке не имеет. Термин нагрузочная характеристика, между тем, относится именно к балластному элементу, который можно виртуально передать в схему замещения источника напряжения или идеального источника напряжения - это суть метода эквивалентного источника [2]. Метод эквивалентного источника позволяет свести схему замещения к простому представлению цепи - эквивалентный источник и приёмник. Построение математической модели такой цепи-системы в графической форме достигается преобразованием внешней, характеристики (для идеального источника напряжения, это вертикаль в первом квадранте из точки режима холостого хода) во внешнюю характеристику нагруженного эквивалентного источника [Там же, е, 52], Эта процедура моделирования методом эквивалентного источника достигается наклоном внешней характеристики из точки (0; (бхх) на оси, холостого хода, на ось короткого замыкания в точку (1/хх / ^балласт; 0) [2, е, 52], Полный алгоритм построения математической модели резистивной цепи в графической форме включает: построение ВАХ рабочего элемента; применение метода опрокинутой характеристики для построения внешней характеристики нагруженного или ненагруженного источника; применение метода эквивалентного источника для построения внешней характеристики, нагруженного эквивалентного источника [Там же, е, 52-53], Системное понятие нагрузочная характеристика востребовано для построения модели цепи в графической форме, как геометрическое место возможных режимов эквивалентного источника напряжения и рабочего элемента. Мы предлагаем в ГОСТ основных терминов и понятий электротехники добавить новую статью в следующей редакции: нагрузочная характеристика - это внешняя, характеристика нагруженного эквивалентного источника.

В настоящее время в научной и учебной литературе большинство авторов текстов внешнюю характеристику называют вольтам,нерпой характеристикой, а востребованное при моделировании транзисторных цепей понятие нагрузочная характеристика, не определено.

При очередной экспертизе действующего ГОСТ Р 52002-2003 Е00, «Электротехника, Термины и определения основных понятий» разработчикам предстоит рассмотреть предложения экспертного сообщества и принять востребованные, на наш взгляд, решения о новой редакции предложенных статей, устранить искажение необязательной части термина и заблуждение в определении понятия внешняя характеристика, ввести в состав «основных» терминов и понятие нагрузочная характеристика.

Список литературы

Translit