Викладання електротехнічних дисциплін та відповідні стандарти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На підставі системного та сутнісного підходу проведений контексний аналіз державного стандарту 2843-94, 3120-95 з електротехніки на ефективність його використання у сучасному навчальному процесі.

Латынин Ю.М.

Преподавание электротехнических дисциплин и стандарты.

На основе системного, сущностного подхода проведен анализ государственного стандарта по электротехнике на эффективность использования его определений понятий, терминов в современном образовании.

Latynin Yu.M.

Teaching Electrical Engineering Disciplines and Corresponding Standards.

Based on the systems essence apparatus to the analysis of the state standards in electrical engineering is carried out concerning the usage efficiency of its concepts and terms in modern education.

Поняття як форма мислення відбиває істотні властивості, зв`язки, відношення речей, явищ. Як у елемента соціального досвіду в ньому зафіксовані досягнення науки, культури, виробництва і.т.д. попередніх поколінь. Вони є головними складовими змісту кожної навчальної дисципліни. Нормативна база понять, термінів, визначень у різних галузях закріплена відповідними державними стандартами (ДСТУ). Важливість останніх у методологічному, пізнавальному відношенні не підлягає сумніву, особливо для інженерів-педагогів, які у своїй практичній діяльності керуватимуться ними. Слова є суттю виразу понять. Знання їх достеменного значення та відмінності є необхідною умовою істинного мислення.

Термінологія відіграє важливу роль: стан її є індикатором стану розвитку будь-якій галузі людського знання. Вона потребує постійної перевірки, уточнення та систематизації у визначенні кожного терміна. При більш глибокому вивченні предмету встановлюють як внутрішні зв`язки, так і взаємозалежність, що приводить до необхідності роздроблення понять на більш часткові, так й об`єднання деяких у більш загальні. Термін - слово, словосполучення слів, які вживають з відтінком спеціального наукового значення. Визначення, дефініція - встановлення суті поняття, терміну (слова) за допомогою знайомих або вже зрозумілих (слів) термінів. Сукупність властивостей, у відповідності з якими об`єкти об`єднують у єдиний клас, відносять до необхідних та достатніх ознак. Істотні (необхідні та достатні) ознаки обов`язково відбивають у дефініції, а зайві, другорядні - опускають. Коли визначення лежить мертвим тягарем у пам`яті людини, то невідповідність дефініції реальному стану не відчувається. Знання істотних ознак поняття може змінити хід та характер пізнавальної діяльності студентів. Становлення понять - процес формування не тільки образу речей, явищ, світу, а й певної системи дій. Нажаль, ні в середній, ні у вищий школі специфіка мови навчальної дисципліни не виступає в якості предмету навчання [1, стор.126]. В силу цього перехід від описання на одній мові до описання на другій викликає ускладнення. Розглянемо визначення основних термінів, понять ДСТУ з електротехніки. Яким вимогам вони повинні задовольняти (в ідеальному варіанті), щоб їх з найбільшою користю можна було використати в навчанні? Аналіз виконаємо на підставі сутнісного, системного підходу [2,стор.65]. Держстандарт 2843-94 [3] установлює терміни та визначення основних понять в галузі електротехніки”. Він містить 214 понять, термінів та 26 приміток, які зосереджені в 8 розділах:

1. Основні поняття, що стосуються електромагнітних явищ - 15; 2. Електричного поля - 24 (16-39); 3. Електричного струму - 14(40-53); 4. Магнітного поля -14 (54-67); 5. Електричні та магнітні властивості середовища -11 (68-78); 6. Електричні, електронні та магнітні кола -75 (79-153); 7.Топологічні поняття теорії електричних кіл - 23 (154-176); 8. Електромагнітні процеси в електричних та магнітних колах і середовищі -38 (177-214).

Що слід віднести до основних понять, термінів? Це складне, неоднозначне, суперечливе питання неможливо розв`язати без системного аналізу. Добротність, з нашої точки зору, загальніша, або принаймні рівнозначна, величина за логарифмічний декремент коливань. Але першого поняття у стандарті немає, а у посібнику для школярів [4, стор.22] є. Вона характеризує якість лінійної коливальної системи. Її обумовлюють властивості самої системи, її складових. Електричному колу з конденсатором та котушкою індуктивності притаманні властивості коливальної системи. У зв`язку з чим таке коло називають коливальним контуром. Добротність останнього визначає відношення хвилевого та активного опорів: індуктивність котушки, ємність конденсатора, та опір резистора (активний опір котушки). Вказані параметри притаманні елементам коливального контуру незалежно від того лежатиме він на складі, чи буде підключений до джерела живлення. Вони і обумовлюють загасання струму, коли той виникає у контурі. Поняття добротність пов`язане з поняттям “коливальний контур”(п.211), а логарифмічний декремент коливань (п.213) - з коливальною складовою вільного струму (п.209), яку, в свою чергу визначає “різниця перехідного та усталеного струмів”. Така дефініція визначає вільний струм як математичну модель, а не існуюче явище. Але струм, що виникає у коливальному контурі без джерела живлення, наприклад, після підключення зарядженого конденсатора до котушки, існує реально. Його можна вважати вільним. Тільки задля цього треба змінити дефініцію. Коливальна складова вільного струму - складова вільного струму, яка змінюється у часі зі зміною його знаку. Складова - це математичне поняття і не може змінюватися у часі зі зміною знака струму. У останнього немає ніякого знаку, а є напрямок. П. 211 ДСТУ визначає поняття “коливальний контур” як замкнене коло, що містить індуктивний та ємнісний елементи, в якому може виникнути коливальна складова вільного струму. Але існування таких елементів стандарт не визначає. По-друге, в реальному об`єктові коливальному контурі може виникнути струм, а не коливальна складова. Остання у відповідності з визначенням є не реальним, а ідеалізованим поняттям. По-третє, щоб з`ясувати чи можна вважати коло з конденсатором та котушкою коливальним контуром, його треба підключити до джерела живлення (або зарядити конденсатор, а потім замкнути контур сам на себе) і встановити, що сила струму має коливальний характер. Обумовлювати коливальний контур через ознаку виникнення коливань вільного струму не дуже доречно і ось чому. Коливальний характер руху в електричному колі мають вільні заряди (електрони), а не струм. Як класифікувати коло з конденсатором та котушкою індуктивності, коли “коливань струму” в ньому не виникає? У відповідності з визначенням начебто не є коливальним контуром. А це не так. Така ознака є зайвою і її треба виключити з дефініції. Логарифмічний декремент (п.213) характеризує загасання коливань вільного струму у контурі. Кількісно його визначають як “відношення струмів… одного знаку”. Отож, його визначають лише після виникнення у коливальному контурі струму. Його підключають до джерела живлення та досліджують у часі згасання струму в разі, коли той має коливальний характер. Визначивши декремент, можна знайти і добротність. Коли зміни струму у часі не мають коливального характеру, то неможливо визначити і згасання. Висновок: дефініція логарифмічного декременту в п.213 через відношення струмів… одного знаку не коректна за формою. Її можна вважати і способом визначення у коливальної системи добротності. Остання має сенс при любому характері зміни струму у контурі. Власно вона і визначає його, якщо знехтувати впливом джерела живлення на контур, через який йде обмін енергією між котушкою та конденсатором.

В [5, стор.328] перелічені вимоги стосовно визначень понять та термінів навчальної дисципліни. Які додаткові вимоги необхідно пред`явити до стандарту та дефініцій понять в ньому? Сформулюємо їх:

1.) визначати галузь науки (розділу, області, ділянки), виробництва і.т.д., де його використовують; 2.) бути внутрішньо не суперечливим; 3.) узгоджуватися, корелюватися з стандартами (вітчизняними й іноземними) цієї та інших галузей; 4.) поняття, терміни викладають у послідовності: спочатку більш загальні, а потім менш; причому кожний послідуючий витікає з попереднього, або пов`язаний з ним. 5.) і саме головне. Дефініція повинна відбивати якісну, сутнісну сторону явища, предмету, величини. Тоді перехід від однієї термінології (наприклад, у галузі електротехніки) до термінології у іншій навчальній дисципліні не викликатиме труднощів у студентів. Для цього термін визначають найбільш загальними та широко вживаними словами. 6.) терміни повинні бути взаємно пов`язаними, узгодженими один з одним. Недоречно одне і теж поняття формулювати різними словосполученнями. Наприклад, у ДСТУ 2843 повернулися до архаїчного і вже забутого в електротехніці поняття “сила струму”. Але у подальшому, при визначенні інших термінів, де треба вживати це словосполучення, залишили термін “струм”. Так у терміні “діюче значення струму “ (п.190), слово діючий повинно вживатися з словосполученням “сила струму”, але не з поняттям “струм”. У пізніше розробленому стандарті 3120-95 [6] струм та сила струму фігурують як тотожні поняття.

Проаналізуємо галузі застосування ДСТУ 2843-94 та 3120-95. Не дивлячись на те, що перший стандарт визначає основні поняття та терміни електротехніки, а другий - літерні позначення основних магнітних та електричних величин, вони не завжди корелюють між собою. Так ковзання, відношення кількості витків котушок, кількість витків неможливо віднести не тільки до основних, а й до другорядних магнітних чи електричних величин Тому їх немає в ДСТУ 2843-94. Буквене позначення добротності є, а поняття, яке належить, з нашої точки зору, до основних, немає. Такі поняття як електрична машина, трансформатор й інші належать до основних термінів, понять у галузі електротехніки. Але їх у стандарті 2843-94 немає. Тому скоріше останній відноситься до теорії електричних та магнітних кіл, тобто до теоретичної електротехніки. Це легко побачити, коли проаналізувати внутрішню структуру ДСТУ, зокрема розділ 7 (“Топологічні поняття теорії електричних кіл”). Щоб довести цей висновок, візьмемо довідник [7] “Электротехника. Терминология”. В ньому наведено 4000 термінів, понять, визначень в області електротехніки (теоретичної, електричних машин, трансформаторів і.т.д). Отож стандарт 3120-95 дає літерні позначення майже усіх величин, що відносяться до галузі електротехніки (основних та другорядних). Таким чином, визначення галузі застосування обох стандартів не відповідає реальному становищу.

Проаналізуємо відповідність стандарту вимогам п. 3 та 4. У ньому нерідко виявляється невідповідність визначень термінів, їх істотних ознак поданих українською та російською мовами. Так однозв`язну область утворюють контури (п.50, рос.), а не вихрові струми (укр.); багатополюсник є частиною кола (п.172, укр.), а не схеми (рос.);змінний струм визначає змінний (п.179, укр.), а не незмінний у часі струм (рос.); поширюється, біжить електромагнітна хвиля (рос.), а не амплітуда напруги, струму (п.201, укр.), зменшення амплітуди (п.203, укр.), комплексна амплітуда (п.202, укр.), зміна фази (п.204, укр.). Веберамперну характеристику визначає залежність потокозчеплення елемента або ділянки електричного кола (рос.), а не магнітного потоку (укр.). У п. 134 (симетрична багатофазна система електричних струмів) в російському і українському визначеннях допущено неточність відносно коефіцієнта К= 2р/m: сказано, що це довільне число. А це не так, оскільки він залежить від кількості фаз m електричного кола.

Місце розташування у ДСТУ поняття “діючого значення струму” (п.190) не відповідає вимозі п.4: ряд термінів визначений через це поняття раніше, зокрема п.122-127 (активний, реактивний, повний опір та провідність). Останні відносяться до параметрів елементів, кіл синусоїдного струму, який визначає тільки п. 185. Двополюсник визначає п. 170 ДСТУ, а його ВАХ значно раніше: п.83. Кутову частоту (п.186) визначає “швидкість зміни фази струму”, а останню, тобто фазу струму п.187. Поняття “коливальний контур” (п.211), з нашої точки зору, необхідно розмістити раніше, оскільки п. 209 - “коливальна складова вільного струму” фактично його передбачає: “зумовлена обміном енергією між електричним полем конденсаторів і магнітним полем індуктивних котушок електричного кола”. П. 85 визначає веберамперну характеристику через залежність потокозчеплення… “. Але останнє визначає лише п.96. Термін “зчеплений магнітний потік” взагалі не визначений, хоч через нього дається дефініція “електромагнітної індукції” (п.65), самоіндукції та взаємоіндукції (п.66, 67). Фазу багатофазної системи кіл (п.129), тобто суто реальну річ, визначають через явище - струм, а точніше - через багатофазну систему електричних струмів (п. 132). Навіть у абетковому показнику двічі перелічений режим усталений (п.180 та 181), що привело до зміщення нумерації подальших термінів на одну одиницю.

Вектор Пойнтінга (п.15) визначений через поняття “електромагнітна потужність”, якого немає у стандарті. Доцільніше дати його визначення через поняття “електромагнітної енергії“ (п.7), тобто через миттєву швидкість електромагнітної енергії. П.54 (магнітний) та 55 (магнітний момент магнітного диполя) визначають через термін “елементарний електричний струм”, якого також немає у стандарті.

Проаналізуємо дефініції понять, термінів стандарту. Резонанс - одне з найважливіших явищ. Його вивчають у фізиці, інших дисциплінах. “Резонанс в електричному колі” (п.197, а також п.198,199 резонанс напруг, струмів та п.200 резонансна частота) визначають, як “явище різкої зміни значень струмів чи напруг у електричному колі, яке містить ділянки індуктивного та ємнісного характеру, в разі зміни частоти напруги живлення чи параметрів елементів схеми. Під час резонансу різниця фаз напруги та струму на вході (двополюсника) кола дорівнює нулю”.

1. Відсутня кореляція з дефініцією резонансу у фізиці [8, стор.629], що не дозволяє побачити схожість та різницю між резонансом у механіці, акустиці та електричних колах. Така дефініція ускладнює розуміння суті цього явища студентами, оскільки не відповідає п.5 вимог, що викладені вище.

2. Визначення не є однозначним. Мова в ньому йде про струми й напруги (та ще у множині). А це не відповідає дійсності: струм у нерозгалуженому колі з конденсатором та котушкою індуктивності лише один, як і напруга в розгалуженому. Взагалі, у відповідності з законом Ома напруга і струм лінійних кіл пропорційні. Тому у дефініції доречно залишити один термін: струм, або напругу.

3. Дефініція здійснена через невизначені стандартом терміни: “різниця фаз” (у стандарті є різниця початкових фаз або зсув фаз п.189), “ділянки ємнісного та індуктивного характеру”, а в п.198, 199 “індуктивний та ємнісний елементи” (у стандарті визначені тільки котушки індуктивності та конденсатори), “параметри елементів схеми”. У держстандарті схема (п.154) визначена як одна із моделей електричного кола: “зображення електричного кола за допомогою умовних позначень, що відбивають з`єднання елементів між собою і дана умовними зображеннями елементів та їх з`єднанням”. Вона не може мати електричні параметри. Отож, визначати резонанс через зміну її параметрів - недоречно.

4. Визначення абсолютизує засоби досягнення резонансу зміною частоти напруги живлення чи параметрів елементів схеми. Резонанс в колі, що містить нелінійні елементи (котушку, конденсатор чи резистор), можна реалізувати зміною температури, напруги і.т.д. Тому використовувати в дефініції ознаки засобів практичного створення резонансу, на наш погляд, недоцільно.

5. Дефініція містить зайві слова, а деякі необхідні - відсутні. Так слово “значень” у ньому треба виключити як зайве. Величина лише тоді має сенс, коли її можна виміряти, тобто знайти її числове значення. Замість слова струм, коли це не означає явища, треба вживати термін “сила струму”. У відповідності з стандартом струм (п.40) означає явище, а сила струму (п.41) - параметр, що його характеризує.

6. До визначення резонансу треба залучити поняття, що є у стандарті і до нього причетні: “коливальний контур”, “власна частота коливального контуру” (замість двополюсника). Але вказаним поняттям необхідно надати таке визначення, щоб їх можна було розмістити у стандарті раніше, ніж “резонанс”, або перенести у попередні розділи стандарту, наприклад розділ 6.

Дамо визначення резонансу, яке задовольняє наведеним вище вимогам:

Резонанс у електричному колі - явище різкої зміни (сили) струму у коливальному контурі при наближенні частоти джерела його живлення до частоти одного з власних коливань. При резонансі реактивний опір нерозгалуженого (провідність розгалуженого), а відповідно і зсув фаз між струмом та напругою дорівнюють нулю: електричний опір коливального контуру стає найменшим (найбільшим) і активним.

Таку дефініцію використовують, коли поняття коливального контуру розташоване до резонансу. У протилежному випадку:

Явище різкої зміни струму у колі чи на його ділянці, які містять конденсатори та котушки індуктивності, якщо частота джерела його живлення наближається до частоти fв одного з власних коливань. На частоті резонансу fо коло або його ділянка мають активний характер: зсув фаз між струмом та напругою дорівнює нулю.

Таке визначення корелює з дефініцією резонансу у механіці. Різниця тільки в тому, що в ній резонанс визначають та фіксують у момент різкого збільшення розмаху коливань, а у першому випадку - у момент досягнення максимуму швидкості зміни заряду, тобто струму, які визначають корисні та негативні процеси, що можуть виникнути під час резонансу. З визначення витікає, що власна fв та резонансна fо частоти не співпадають, хоч у деяких джерелах, підручниках для середньої школи вони вважаються однаковими.

Магнітний потік (п.12) “ - скалярна величина, що зображує магнітне поле у вигляді замкнутого вихрового матеріального потоку, швидкість зміни якого у часі дорівнює ЕРС контуру, який охоплює цей потік”. З визначення зовсім незрозуміло, що ж таке магнітний потік? Поле у вигляді…, чи величина, яка визначається швидкістю…. Така дефініція не є всеосяжною. Вона не визначає стаціонарний магнітний потік, оскільки ЕРС в цьому випадку не виникає. Дефініція не корелює і з визначенням магнітного потоку у фізиці, а отже визначати його таким чином не зовсім доречно. Між силою струму (п.41) та магнітним потоком існує повна аналогія. Струм провідності (п.41) характеризує й напрямок, за який умовно прийнятий напрямок руху позитивних зарядів. Але стандарт не передбачає напрямку магнітного потоку (визначення знаку перед його числовим значенням), як і магніторушійної сили (п.60). Поняття контур ДСТУ також не визначає. Слово “контур” зустрічається у понятті коливального контуру (п 210 визначає його як реальний об`єкт), в контурі графа (п.165. визначає його як замкнений шлях), в контурі сигнального графа нестички (166). У деяких визначеннях теж фігурує поняття “контур”: п. 60 (магніторушійна сила уздовж замкненого контуру), п.65 (електромагнітна індукція), самоіндукція (п.66), взаємна індукція (п.67). В останньому випадку провідний контур це по суті реальний об`єкт, наприклад у вигляді металевого замкненого дроту рамки), ЕРС (п.25). Контур - зовнішній обрис предметів, графічний обрис, електричний контур такий замкнений шлях у реальному електричному колі вздовж її елементів. Таким чином, використовувати слово замкнений з словом контур не дуже доречно, оскільки визначення контуру вже передбачає замкненість.

Проаналізуємо визначення поняття “електромагнітна індукція” (п.65 ДСТУ) на присутність в ньому необхідних та достатніх ознак. “Явище збудження електрорушійної сили (ЕРС) у провідному контурі внаслідок зміни зчепленого з ним магнітного потоку”. У п. 25 ЕРС - характеризує здатність стороннього та індукованого електричного поля викликати електричний струм”. У примітці сказано, що ЕРС дорівнює інтегралу стороннього та індукованого електричного поля уздовж… контуру... (у випадку руху елементів контуру напруженість індукованого електричного поля визначається в системах координат, що рухаються разом з цими елементами). “Таким чином, індуковане електричне поле, а разом з ним і ЕРС, виникає незалежно від того контур провідний чи ні. У провідному контурі виникнення ЕРС встановлюють по наявності в ньому струму. У непровідному контурі ЕРС виникає, а струм ні: немає носіїв заряду. Тому слово “провідний” у визначенні поняття не є необхідним. Його треба виключити. Сутність від цього не зміниться. Достовірність цього висновку витікає і з §30 “Электромагнитная индукция” [9, стор.318]: “...замкнутый контур может быть проведен не только в проводнике, но и в диэлектрике. Электромагнитная индукция может наблюдаться не только в виде появления тока в замкнутом проводнике, но и в поляризации диэлектрика, в ускорении или замедлении электрических зарядов и частиц, в появлении электрического тока в незамкнутом проводнике и других явлениях.”У стандарті СРСР з електротехніки (19880-74) також немає слова “провідний”. Висновок: слово “провідний” зайве і не відповідає всеосяжності явища. Його треба вилучити, не дивлячись на те, що явище електромагнітної індукції відкрите Фарадеем у 1831 році по виникненню струму у провідному контурі, а також на те, що воно фігурує в деяких словниках, енциклопедіях.

У визначенні поняття “індуковане електричне поле” (п.22) електричне поле, викликане зміною у часі магнітного поля - вказані не всі необхідні й достатні ознаки. У відповідності з п. 25 індуковане електричне поле обумовлює появу ЕРС і виникає не тільки при зміні магнітного поля, а й при русі контуру чи його частин у магнітному полі, яке в цьому випадку може бути незмінним у часі Таким чином, п. 22 та 25 держстандарту не корелюють між собою. Не відповідає це визначення і закону електромагнітної індукції. Електрорушійна сила e, а значить і напруженість індукованого поля, e = - d / dt = - d/dt (B•S) визначається швидкістю зміни магнітного потоку крізь поверхню, яку охоплює контур. Навіть у тлумачному словнику української мови [10, стор.458] поняття “індукція” сформульоване доцільніше, ніж в ДСТУ: «збудження електричного струму у якому-небудь провіднику при його русі у магнітному полі чи при зміні останнього». З цього формулювання з необхідністю витікає виникнення індукованого електричного поля та поява ЕРС, наприклад при деформації контуру, або при русі частин, з яких він складається, наприклад, при поперечному русі провідника в однорідному магнітному полі.

Симетричне багатофазне коло (п.131) - багатофазне коло, у якого комплексні опори, що складають його фази, однакові. По-перше, комплексні опори не можуть складати фази багатофазного кола, оскільки вони існують у голові людини. По-друге, дефініція більше підходить до визначення симетричного багатофазного приймача, а не кола в цілому. У багатофазному колі існує і багатофазне джерело. Останнє може бути несиметричним, або стати таким в разі нештатної роботи. Тоді все коло, не дивлячись на те, що комплексні опори фаз його однакові буде несиметричним. Тому наведене визначення не є повним. Взагалі у стандарті нерідко ототожнюють реальні речі з ідеальними, або замінюють іх моделями: математичними, схемними. Наприклад, елементи кола (котушку індуктивності, конденсатори) замінюють їх параметрами (індуктивністю, ємністю). Електричне коло замінюють схемою (резонанс наступає при зміні параметрів не елементів кола, а схеми); каскадна схема - це схема яка містить реальні речі - чотириполюсники. Напрямок струму замінює його знак, а фазу аргумент синусоїдного струму.

П. 190 визначає “діюче значення (синусоїдного електричного) струму”. Але доцільніше цей термін подати як “ діючий струм”, або, принаймні, у відповідності з п.41 держстандарту -“ сила діючого струму”. Таким чином, слова “значення” та “ синусоїдний електричний” є зайвими. Вони звужують поняття діючого струму, не відповідають його суті і їх треба вилучити. Наявність слова “значення” у терміні не є обов`язковим, оскільки діє струм, а не значення, а будь-яка величина лише тоді має сенс, коли виміром можна визначити її числове значення (див. вище). По друге, це загальне поняття відноситься до характеристики усякого періодичного струму, а не тільки синусоїдного. Без вказаних слів воно використане у примітці і при визначенні раніше викладених понять, зокрема п.122-127 (активний, реактивний та повний опір та провідність). По третє, у визначенні відсутні якісні ознаки, характеристики. В четвертих, кількісне визначення терміну містить протиріччя:”… за період…, за один і той же проміжок часу виділяє…”. Якщо користуватися останнім кількісним визначенням, то діючий струм буде залежати не тільки від характеру зміни періодичного струму у часі, але й від проміжка останнього (якщо вибирати останній довільним, а не кратним періоду). Висновок. 1. - Поняття “ діючий струм” визначає ряд інших і є загальним у колах змінного періодичного струму. Його треба розмістити та викласти до понять, що характеризують параметри елементів або кіл синусоїдного струму, як і визначення останнього. 2. - Сформулювати його, на наш погляд, можна так: діючий струм - постійний струм, що енергетично еквівалентний змінному періодичному струмові: обидва струми за проміжок часу, що кратний періоду змінного, виділять у резисторі одну і ту ж кількість тепла, тобто кількісно дорівнює середнє-квадратичному значенню змінного струму за період. Примітка. Аналогічно визначають діючу напругу, ЕРС та ін.

Взагалі, використання слова “ значення” не завжди доречно. Наприклад, у п.177 (миттєвий електричний струм), п.188 (початкова фаза) та інших значення (числове) ототожнюється з електротехнічною величиною. Тому слово “значення” у вказаних визначеннях необхідно вилучити, як і у п.70 (надпровідність), а також п.112,113 (лінійне, нелінійне електричне коло). Таким чином, п.177 треба сформулювати так: - миттєвий електричний струм - струм у даний момент часу (п.177).

Таке визначення є більш загальним і доцільним: струм окрім значення характеризується і напрямком (див. п.113 - нелінійне електричне коло). Аналогічно у визначеннях п.180 (періодичний електричний струм) та п.182 (період електричного струму) струм характеризують лише значенням (миттєвим), забуваючи про його напрямок. Це завужує визначення. Тому доцільніше ці терміни викласти так.

- Період - найменший інтервал часу, через який струм (напруга, ЕРС) повторюється, тобто його миттєве значення (при незмінності напрямку) або його напрямок при незмінності числового значення струму, або повторюється напрямок й числове значення (миттєвий струм). Таке визначення є більш загальним. Воно вміщає в себе терміни “пульсуючий електричний струм” - періодичний струм, що не міняє свого напрямку (п.184), та п.185 (синусоїдний електричний струм), тобто струм, який періодично змінює своє миттєве значення й напрямок.

Аналогічно:

- початкова фаза синусоїдного електричного струму - фаза синусоїдного струму в початковий момент часу (п.188);

- лінійне електричне коло коло, що містить елементи, властивості яких (опір, ємність, індуктивність, взаємна індуктивність) не залежать від струмів чи напруг;

- нелінійне електричне коло коло, у якому властивості принаймні одного елементу

залежать від струмів чи напруг на цій ділянці кола;

П. 114, 115 (симетричний, несиметричний елемент кола) можна викласти так:

- симетричний елемент кола елемент електричного кола властивості і поведінка якого не змінюються від напрямку струму (напруги), у відповідності з чим вольтамперна, веберамперна, кулонвольтна характеристики мають симетрію при зміні напрямку струму (напруги);

- несиметричний елемент кола - елемент кола, властивості якого і поведінка змінюються у залежності від напрямку струму чи напруги.

Дефініцію активної потужності синусоїдного струму двополюсника - п.194 можна подати так: швидкість перетворення двополюсником електромагнітної енергії в інший вид, наприклад тепло, і чисельно дорівнює середній потужності двополюсника за період при синусоїдному характері струму. П.195 (реактивна потужність синусоїдного струму двополюсника) теж необхідно сформулювати з якісним визначенням: величина, що характеризує швидкість обміну електромагнітною енергією між двополюсником та джерелом його живлення і чисельно дорівнює добутку діючої напруги, струму та синуса кута зсуву фаз між напругою та струмом.

Нерідко замість словосполучення «числове значення» використовують поняття «величина»: «за величиною сили» (п.10-напруженість електричного поля), «магнітна індукція (п.11) - векторна величина… за величиною сили…», величина магнітної індукції (п.70, надпровідність) і.т.д. З дефініції сила струму (п.41) - скалярна величина, яка характеризує величину струму (п.41), невідомо, що означає словосполучення “величина струму”, бо сила струму і є величина. Електричний опір (п.92-резистанс) - чинник теплового розсіювання електричної енергії... в разі відсутності на ділянці кола ЕРС. В цьому визначенні реальний елемент - джерело замінене параметром ЕРС, що його характеризує. Тому у дефініції краще викласти “…в разі відсутності джерела живлення”.

Проаналізуємо дефініцію електричне коло із зосередженими (п.102) та з розподіленими (п.103) параметрами - “коло, в якому резистанси, (а у п.103 і провідності), індуктивності та ємності вважають зосередженими (розподілені по всьому колі) на окремих ділянках цього кола, тобто яке можна подати скінченою сукупністю ідеальних елементів”. По-перше, незрозуміла несиметричність визначень: у колі з розподіленими параметрами є термін “ провідність”, а у попереднього його немає. По- друге, зосередженими у колі чи на його ділянках можуть бути конденсатори, резистори, котушки індуктивності, або елементи з їхніми властивостями, а не параметри, що їх характеризують. По-третє, ідеальних елементів, окрім джерела ЕРС та струму (п.107, 109), стандарт не визначає. Постулювання активних ідеалізованих елементів кола (стандарт вводить 2 реальних та 2 ідеальних джерела живлення електричного кола (ЕРС - п.106,107 і струму - п.108,109) та нехтування пасивними робить цю дефініцію безглуздою. Ідеальне джерело визначають через напругу, не дивлячись на те, що реальне джерело ЕРС, як більш загальне поняття, нею не характеризується. Неможливо порівнювати між собою різні величини. ЕРС не можна характеризувати іншою величиною - напругою (визначати одне через друге), бо у них різні сутності. Те, що ЕРС джерела визначають вольтметром - по напрузі на його затискачах - не міняє суті: ЕРС кількісно дорівнює напрузі на затискачах джерела, коли воно не працює на зовнішнє коло. Незрозуміла і різниця між джерелами ЕРС та струму, оскільки вона не витікає з більш загального поняття “джерело електричної енергії”, яке використане в (п.105 - пасивне коло).

Використання у дефініціях числових значень не завжди доречно. Наприклад, діелектрик (п.35) - “речовина, що погано проводить електричний струм і питомий опір якої становить 10⁸ -10¹⁷ Ом см”. По - перше, питомий опір наведений не в системі СІ. По - друге, сполучник “і” робить чисельний показник кон'юнктивою ознакою: речовина питомий опір якої нижче, ніж 10⁸, наприклад 9,99•10⁷ Ом•см, не є діелектрик. І в решті решт, це поняття розташоване в розділі 2 серед величин, що стосуються електричного поля. Але “діелектрик” визначений через здатність проводити електричний струм (див. вище) і повинен розміщатися у розділі 3 серед понять, що стосуються електричного струму. Висновок: поняття діелектрик слід перенести в розділ 3, де знаходяться поняття “ провідник”, “напівпровідник”.

Електропровідність (п.51) визначає властивість речовини проводити під дією незмінного у часі електричного поля незмінний у часі електричний струм. У відповідності з визначенням сила струму, що виникає під дією повільно змінюваного у часі електричного поля, вже не характеризує електропровідність речовини. То, що це не так, підтверджує п.68 Держстандарту, який визначає питому провідність, не використовуючи поняття стаціонарності струму та поля, як і в [8, стор.893]. Отже, п. 51 та 68 держстандарту не корелюють між собою.

Питомий електричний опір (п.69) визначений через питому провідність, а активна електрична провідність (кондуктанс, п.123) через активний електричний опір (п.122). Магнітна провідність (п.153) визначають через магнітний опір (п.152). Але надпровідність (п.70) визначена як явище, коли електричний опір зникає, тобто через іншу величину (опір). Краще визначити це явище як таке, де провідність стає безконечною, а відповідно опір - зникає: надпровідність явище, яке полягає в тому, що при зниженні температури нижче критичної, яка залежить від матеріалу та магнітної індукції, провідність стає безконечною, а відповідно опір зникає. Не слід вживати словосполучення “підведена”, ”прикладена напруга” (п.145, п.84 кулон-вольтна характеристика): струм, напруга не можуть підводитися, або прикладуватися.

Багато термінів, понять Держстандарту не мають якісного визначення. У багатьох випадках його заміняють кількісним, що не дозволяє співвіднести його з поняттями інших дисциплін. Наприклад, якісне визначення електричної ємності (п.38), як міри здатності провідника накопичувати заряд, дає можливість провести аналогію між нею теплоємністю та звичайною ємністю або місткістю. Відсутність якісного визначення добротності [7] не дає можливості побачити що є спільним, а що і відмінним, між добротністю коливальної системи (електричної та механічної), котушки та конденсатора. Проаналізуємо визначення величин з точки зору відбивання в них якісної, сутнісної сторони. Резистанс (92) - чинник теплового розсіювання електричної енергії, ємність конденсатора (95)-електрична ємність, тобто частка від ділення…,«потокозчеплення - сума магнітних потоків..», «активний електричний опір (122) характеризує здатність теплового розсіювання..», «магнітний опір (152) - скалярна величина, яка дорівнює відношенню різниці…». Бачимо, що в дефініціях найчастіше використовують математичні поняття: різниця (зсув фаз, електричний, магнітний потенціал); середнє значення, відношення (коефіцієнт потужності, хвильовий опір, відносна діелектрична або магнітна проникність), «величина обернена до..»: (п.69 - питомий електричний опір), кондуктанс (п.123 - активна електрична провідність). Дамо ще приклади заміни якісного визначення математичним, кількісним: Фаза (п.187) - аргумент струму (у струму немає ніякого аргументу: див. визначення струму п.40 та сили струму п.41);вільний струм (п.208)- різниця…; зсув фаз (п.189) - різниця…;частота (п.183) - величина оберенена…; активна потужність (п.194)- середнє значення…; хвильовий опір (п.201) - відношення…; сила струму (п.41) - скалярна величина, що характеризує величину струму … (у відповідності з ДСТУ струм це явище, а сила струму сама є величиною); магнітна індукція (п.11) - векторна величина, якою характеризують інтенсивність магнітного поля за величиною сили …. (але сила і є величина); потокозчеплення (п.96) - сума…., аперіодична складова вільного струму (210) - складова вільного струму яка змінюється у часі без зміни його знаку. Зупинимось на цьому, хоч перелік можна продовжити.

Визначення потокозчеплення, як “суми магнітних потоків, що охоплюють провідник елемента електричного кола, зокрема індуктивну котушку” не є всебічним, доцільним. Дійсно, потік вектора магнітної індукції передбачає площину поверхні, яку він перетинає. Оскільки у визначенні мова йде про провідник елемента, то у відповідності з визначенням мається на увазі потік крізь площину перерізу провідника. Якщо ж провідник замкнений й охоплює в просторі певну площину, то в цьому випадку у явищах електромагнітної індукції відіграє магнітний потік, не через площу поверхні перерізу провідника, а крізь площу поверхні, яку охоплює контур (виток). На наш погляд, доцільніше було б ввести поняття елементарного й інтегрального магнітного потоку, потокозчеплення контуру (витка), і тільки потім - потокозчеплення індуктивної котушки, як алгебраїчної суми потокозчеплень кожного витка останньої.

У п.173 визначений термін “каскадна схема ”- “схема, яка складається із послідовності чотириполюсників...”-п.171. Останній визначають як “частину електричного кола”, тобто як реальну, існуючу річ. Схему (п.154) можна вважати ідеалізованим поняттям, або моделлю, оскільки вона придумана людиною для відображення деяких властивостей реального кола (“графічне зображення”). Її у залежності від умов подають по різному (заступна або заміщення, електрична еквівалентна і таке інше). Вона не може містити реальні речі. Тому краще було ввести термін “каскадне коло”, а не схему. Визначення «послідовного з`єднання (90) - з`єднання, в якому через усі його елементи протікає один і той самий струм» не відбиває сутнісної сторони, етімологіі слова «послідовний».

Коло (ділянка) з будь-яким з`єднанням елементів (двополюсників) може бути знеструмленим. Щоб визначити, чи один і той струм має місце у послідовно з'єднанні елементах, треба провести виміри. Останні виконують з похибкою: числові значення при вимірюваннях можуть відрізнятися, а отже виникає необхідність аналізу процесу виміру. Тому визначати послідовне з`єднання через струм недоцільно. Краще визначити його як таке, при якому елементи (двополюсники, ділянки електричного кола), які, як правило, розміщені у просторі один за одним, причому суміжні елементи (ділянки) з'єднуються між собою 2-ма полюсами (затискачами), а останніми двома - приєднуються до певних точок електричного кола або з'єднуються з іншими суміжними елементами. Таке з`єднання і обумовлює, що через всі його елементи протікає один і той самий струм. Аналогічно треба визначити й паралельне з`єднання двополюсників (ділянок, віток електричного кола): з`єднання, при якому два, три, або будь-яка кількість елементів (двополюсників, віток, ділянок) з`єднуються між собою полюсами, якими вони приєднуються до певних точок електричного кола (вузлів). Таке визначення і обумовлює, що всі паралельно з`єднанні ділянки (елементи, вітки) знаходяться під дією однієї і тієї самої напруги.

У стандарті 3120-95 не завжди дотримуються правил метрології відносно округлення числового результату. Так у додатку 2 елементарний заряд, електрична стала подані з точністю - 10^-6, а похибка їх визначення - 10^-5. Несиметрично визначені й числові значення магнітної сталої (п.13) і електричної сталої (п.14), яка “приблизно дорівнює 8,854•10 ^-12 Ф/м”.

Неповнота системи понять стандарту (відсутність деяких), неоднозначність, нечіткість, існування протиріч у їх визначеннях не можуть не сказатися і на понятійному апараті підручників з електротехніки, що базуються на ньому. Наприклад, параметри элементів в [11-13] ототожнюються з ними, напругу визначає “кількість тепла …”[11, стор.62], а [12, стор 5] - “енергія...”. Важко зрозуміти, а іноді і неможливо побачити схожість, подібність, тотожність та різницю між резистором, резистивним елементом, ідеальним резистивним елементом і опором (активним, омічним); котушкою індуктивності, індуктивним елементом, ідеалізованою котушкою та індуктивністю; конденсатором, ідеальним ємнісним елементом, ємнісним опором та ємністю; джерелом живлення і ЕРС. В [12, стор20] написано, що ЕРС є ідеальною (немає внутрішнього опору), ”трифазні приймачі що мають гарантоване симетричне навантаження” (стор.51), а в [11, стор.20] контур визначають як ”замкнений шлях, що проходить по декількох вітках так, що жодна вітка та жоден вузол не зустрічаються більше одного разу” і таке інше. Навіть в законах переплутані ідеальні речі з реальними: “..ЕРС, що діють у будь-якому контурі схеми електричного кола (ідеальна!), дорівнює….. на ділянках кола (реальна!) (стор.23, [11]).

З вище зазначеного можна зробити такі висновки:

1.При розробці першого вітчизняного ДСТУ2843-94 з електротехніки за основу був взятий стандарт СРСР (19880-74), який відбивав досягнення науки, розвитку суспільства 70 - років ХХ-століття. Переклад його та зроблені зміни погіршили сутнісну, системну складову ДСТУ.

2. Дефініції понять не відповідають сучасним парадигмам в освіті, сутнісному, синергетичному підходу.

3. Використання стандарту у навчальному процесі ускладнюватиме розуміння студентами суті явищ, процесів.

4. Стандарт необхідно переробити на підставі системного підходу, з урахуванням потреб сучасної освіти так, щоб створити систему взаємопов`язаних понять не тільки в електротехніці, а і в суміжних до неї областях.

5. Побудова замкненої системи понять стандарту є складним завданням і потребує зусиль багатьох спеціалістів як у галузі електротехніки, так і суміжних до неї дисциплін.

6.Підставою, першими кроками на шляху такої переробки можна використати дану статтю та запропоновані дефініції.

електротехнічний стандарт термін навчальний

Література

1. Талызина Н.Ф. Педагогическая психология. М., ACADEMA? 1999. -288c.

2. Спицнадель В.Н. Основы системного анализа. Изд. дом «Бизнесс-пресса», С-Пб., 2000.-326с.

3. ДСТУ 2843-94. Електротехніка. Основні поняття. Терміни та визначення

4. Фізичні величини та їх одиниці. Основні поняття, співвідношення. Київ, Либідь,1997.-111с.

5. Латынин Ю.М. Определение основных величин и законов учебной дисциплины исущностный метод преподавания. Матеріали наук.-метод. конф. Харківська вища школа на рубежі століть, Харків, 2001.- c.328-332.

6. ДСТУ 3120 - 95. Електротехніка. Літерні позначення основних величин.

7. Электротехника. Терминология вып.3. Изд-во стандартов,М., 1989.-344 с.

8. Большой энциклопедический словарь. Физика. Научн. изд. ”Больш. Российская энц. 1999. -944с.

9. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики. Справочник., Наукова думка., Киев, 1989.-862с.

10. Великий тлумачний словник сучасної української мови.К.. Ірпінь, ВТФ “Перун”, 2001р.-1440с.

11. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. Львів, Афіша, 2001.- 424 с.

12. Паначевний Б.І. Курс електротехніки. Торнадо., Харків.1999.- 288с.

13. Гуржій А.М., Сільверстов А.М., Поворзнюк Н.І. Електротехніка з основами промислової електроніки. Форум, Киів, 2002. - 382с.

Размещено на Allbest.ru