Элементарная электротехника
Покупка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
ДМК Пресс
Автор:
Кузнецов А. В.
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 896
Дополнительно
Вид издания:
Практическое пособие
Уровень образования:
Среднее профессиональное образование
ISBN: 978-5-97060-128-0
Артикул: 712386.01.99
В книге приводятся основные понятия об элементах электрических и магнитных цепей. Объясняются физические процессы, происходящие в этих цепях. Излагается методика их расчета. Книга содержит основные сведения об электростатике и электромагнитной индукции, о действиях электрического тока, постоянном и переменном токе, об электрохимии.
Материал изложен простым и доступным языком с использованием лишь простейшего математического аппарата. Книга содержит свыше 1000 рисунков, 340 числовых примеров для расчетов, 1200 задач и 1000 вопросов для самопроверки. Рекомендуется студентам и преподавателям технических ссузов, слушателям и преподавателям курсов переквалификации и переподготовки, библиотекам промышленных предприятий, а также для самостоятельного изучения.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Элементарная электротехника Москва, 2014 А. В. Кузнецов
УДК 621.3.0 ББК 31.21 К89 Кузнецов А. В. К89 Элементарная электротехника. – М.: ДМК Пресс, 2014. – 896 с. ISBN 978-5-97060-128-0 В книге приводятся основные понятия об элементах электриче ских и магнитных цепей. Объясняются физические процессы, происходящие в этих цепях. Излагается методика их расчета. Книга содержит основные сведения об электростатике и электромагнитной индукции, о действиях электрического тока, постоянном и переменном токе, об электрохимии. Материал изложен простым и доступным языком с использова нием лишь простейшего математического аппарата. Книга содержит свыше 1000 рисунков, 340 числовых примеров для расчетов, 1200 задач и 1000 вопросов для самопроверки. Рекомендуется школьникам старших классов, студентам и препо давателям средних и высших учебных заведений, слушателям курсов повышения квалификации, а также для самостоятельного изучения. УДК 621.3.0 ББК 31.21 Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроиз ведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, по скольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. © Кузнецов А. В., 2014 ISBN 978-5-97060-128-0 © Оформление, ДМК Пресс, 2014
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие .........................................................................................................11 1 Введение в электротехнику ....................................................................12 Понятие о веществе ...........................................................................................13 Понятие об атоме ...............................................................................................14 Несколько поучительных чисел ...................................................................16 Электрический заряд ........................................................................................17 Опыт ....................................................................................................................18 Проводники и изоляторы ................................................................................20 Вопросы для самопроверки ............................................................................21 Задачи ....................................................................................................................25 2 Электрический ток .....................................................................................26 Понятие об электрическом токе ...................................................................27 Электрическая цепь ...........................................................................................28 Сила электрического тока ...............................................................................31 Единица силы тока ............................................................................................32 Измерение силы тока ........................................................................................33 Виды электрического тока ..............................................................................34 Применение постоянного и переменного тока ........................................38 Действия электрического тока ......................................................................39 Вопросы для самопроверки ............................................................................43 Задачи ....................................................................................................................49 3 Электрическое сопротивление ..............................................................50 Понятие об электрическом сопротивлении ..............................................51 Единица электрического сопротивления ..................................................51 Зависимость сопротивления от размеров проводника .........................52 Расчет сопротивления проводника ..............................................................56 Зависимость сопротивления от температуры ..........................................58 Электрическая проводимость ........................................................................62 Удельная проводимость ...................................................................................62 Вопросы для самопроверки ............................................................................63 Задачи ....................................................................................................................69 4 Электрическое напряжение ...................................................................73 Определение электрического напряжения ...............................................74
СОДЕРЖАНИЕ 4 Единица электрического напряжения ........................................................74 Источники постоянного напряжения .........................................................75 Классификация напряжений .........................................................................78 Измерение электрического напряжения ...................................................78 Вопросы для самопроверки ............................................................................79 5 Закон Ома ......................................................................................................82 Связь между силой тока, напряжением и сопротивлением ................83 Закон Ома .............................................................................................................83 Опыт ....................................................................................................................84 Измерение нагрузки при помощи вольтметра и амперметра .............86 Вопросы для самопроверки ............................................................................86 Задачи ....................................................................................................................89 6 Электрическая энергия и мощность ....................................................91 Электрическая мощность ................................................................................93 Измерение мощности при помощи вольтметра и амперметра ...........98 Расчет электроэнергии, израсходованной потребителем ....................99 Стоимость электроэнергии ...........................................................................100 Вопросы для самопроверки .........................................................................101 Задачи ..................................................................................................................104 7 Параллельное соединение сопротивлений .................................... 109 Что такое параллельное соединение? .......................................................110 Закон токов Кирхгофа (закон узлов) ........................................................111 Расчет токов в ветвях и суммарной силы тока ......................................115 Полное сопротивление цепи, состоящей из потребителей, соединенных параллельно ............................................................................116 Два различных резистора, соединенных параллельно ........................118 Равные сопротивления, соединенные параллельно .............................119 Суммарная мощность потребителей, соединенных параллельно........................................................................................................120 Суммарная энергия потребителей, соединенных параллельно .......121 Вопросы для самопроверки .........................................................................122 Задачи ..................................................................................................................127 8 Последовательное соединение сопротивлений ........................... 139 Последовательное соединение. Что это? .................................................140 Сопротивление последовательной цепи ..................................................141
СОДЕРЖАНИЕ Расчет силы тока в последовательной цепи............................................142 Падение напряжения ......................................................................................142 Второй закон Кирхгофа (закон падений напряжения) ......................147 Электродвижущая сила (ЭДС) ...................................................................149 Мощность в последовательной цепи .........................................................153 Применение последовательного соединения .........................................153 Вопросы для самопроверки .........................................................................156 Задачи ..................................................................................................................162 9 Смешанное соединение сопротивлений ......................................... 181 Сущность смешанного соединения............................................................182 Расчет общего сопротивления смешанной цепи ...................................182 Расчет силы токов, падений напряжения и мощностей в смешанной цепи ............................................................................................186 Группы потребителей в сети .........................................................................190 Делители напряжения ....................................................................................192 Расширение предела измерения амперметра .........................................196 Расширение предела измерения вольтметра .........................................199 Мост Уитстона ...................................................................................................201 Вопросы для самопроверки ..........................................................................203 Задачи ..................................................................................................................216 10 Соединение источников напряжения ..................................... 251 Сопротивление отдельного аккумулятора в электрической цепи ............................................................................252 Емкость аккумулятора ..........................................................................253 Последовательное соединение аккумуляторов – последовательные батареи ...................................................................254 ЭДС последовательной батареи аккумуляторов .........................255 Внутреннее сопротивление последовательной батареи аккумуляторов .........................................................................................256 Емкость последовательной батареи .................................................257 Параллельное соединение аккумуляторов – параллельные батареи ........................................................................................................258 ЭДС параллельной батареи .................................................................259 Внутреннее сопротивление параллельной батареи ....................259 Емкость параллельной батареи ..........................................................260 Смешанное соединение аккумуляторов – смешанные батареи ........................................................................................................261 Соединение аккумуляторов для получения максимального тока ...............................................................................263
СОДЕРЖАНИЕ 6 Цепи с несколькими источниками напряжения ..........................264 Вопросы для самопроверки ................................................................273 Задачи .........................................................................................................280 11 Преобразование энергии ............................................................. 299 Механическая работа, энергия и мощность ...................................300 Преобразование электрической энергии в механическую энергию .......................................................................................................303 Потери, коэффициент полезного действия ...................................304 Тепловая энергия.....................................................................................307 Преобразование электрической энергии в тепловую .................309 Короткое замыкание ..............................................................................315 Вопросы для самопроверки .................................................................318 Задачи .........................................................................................................323 12 Магнетизм .......................................................................................... 329 Магнитное притяжение ........................................................................330 Ферромагнитные вещества ..................................................................330 Магнитные полюса .................................................................................330 Естественные и искусственные магниты .......................................331 Взаимодействие между магнитными полюсами ..........................333 Магнитное поле .......................................................................................334 Дополнительные свойства магнитов ................................................336 Вопросы для самопроверки .................................................................341 13 Магнитное поле, электромагнит................................................ 344 Магнитное поле проводника с током ...............................................345 Магнитное поле катушки с током .....................................................348 Магнитодвижущая сила и напряженность магнитного поля ..............................................................................................................350 Электромагнит .........................................................................................352 Вопросы для самопроверки .................................................................356 Задачи .........................................................................................................362 14 Магнитные цепи ............................................................................... 363 Магнитный поток и плотность магнитного потока ....................364 Магнитная проницаемость ..................................................................365 Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов .......368 Петля намагничивания .........................................................................371
СОДЕРЖАНИЕ Гистерезис ..................................................................................................374 Магнитная цепь .......................................................................................375 Зависимость магнитного сопротивления от материала сердечника и его размеров ...................................................................376 Формула Гопкинсона для магнитной цепи ....................................379 Последовательная магнитная цепь ...................................................380 Закон Кирхгофа для последовательной магнитной цепи .........382 Параллельная магнитная цепь ...........................................................382 Вопросы для самопроверки .................................................................383 Задачи .........................................................................................................389 15 Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле ............................................................................. 397 Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле ..............................................................................................................398 Определение величины силы .............................................................399 Момент, действующий на виток с током в магнитном поле ....401 Принцип действия амперметра с подвижной катушкой ...........405 Принцип действия двигателя постоянного тока .........................408 Сила, действующая между двумя параллельными проводниками с током ...........................................................................411 Подъемная сила электромагнита .......................................................414 Вопросы для самопроверки .................................................................415 Задачи .........................................................................................................422 16 Электромагнитная индукция ...................................................... 425 Создание индуктированной ЭДС .....................................................426 Направление индуктированной ЭДС .............................................426 Закон Ленца ..............................................................................................428 Величина индуктированной ЭДС в проводе, движущемся в магнитном поле ...................................................................................428 Виток, вращающийся в магнитном поле ........................................429 Принцип действия генератора ...........................................................431 ЭДС, индуктированная в проводнике вследствие изменения магнитного потока ............................................................435 Самоиндукция ..........................................................................................438 Дроссель ....................................................................................................439 Коэффициент самоиндукции (индуктивность) ...........................440 Определение потока в катушке ..........................................................441 Индуктивность дросселей, соединенных последовательно .....442
СОДЕРЖАНИЕ 8 Взаимоиндукция .....................................................................................442 Коэффициент взаимоиндукции (взаимоиндуктивность) ........442 Трансформатор.........................................................................................444 Искровой индуктор ................................................................................448 Вихревые токи ..........................................................................................449 Вопросы для самопроверки .................................................................451 Задачи .........................................................................................................459 17 Электростатика ................................................................................ 466 Методы зарядки неподвижными зарядами ...................................467 Зарядка металлического тела .............................................................470 Электростатическое поле .....................................................................473 Электрический поток и его плотность ............................................476 Диэлектрическая проницаемость ......................................................478 Диэлектрическая прочность................................................................480 Вопросы для самопроверки ................................................................481 Задачи .........................................................................................................487 18 Конденсаторы .................................................................................. 490 Емкость .......................................................................................................491 Поведение конденсатора в цепи постоянного тока .....................493 Соединение конденсаторов .................................................................501 Виды применяемых конденсаторов ..................................................506 Вопросы для самопроверки ................................................................511 Задачи .........................................................................................................524 19 Сущность переменного тока ....................................................... 541 Характеристика ЭДС, индуктируемой в витке, который вращается в однородном магнитном поле ......................................542 Значения переменного напряжения и тока ..................................548 Фаза .............................................................................................................554 Построение векторных диаграмм ......................................................555 Основные действия переменного тока ............................................558 Преимущества и недостатки переменного тока ...........................559 Вопросы для самопроверки ................................................................559 Задачи .........................................................................................................566 20 Резистор, соленоид и конденсатор в цепи переменного тока ............................................................................ 574 Резистор в цепи переменного тока ....................................................575
СОДЕРЖАНИЕ Соленоид в цепи переменного тока ..................................................577 Конденсатор в цепи переменного тока ............................................585 Вопросы для самопроверки ................................................................589 Задачи .........................................................................................................599 21 Последовательные цепи переменного тока .......................... 606 Последовательные цепи, состоящие из резистора и соленоида (RL) .....................................................................................607 Последовательная цепь, состоящая из резистора и конденсатора (RC) .............................................................................627 Последовательная цепь, содержащая соленоид и конденсатор (LC) .................................................................................637 Сила тока в последовательной цепи (LC) .......................................641 Последовательная цепь, содержащая резистор, соленоид и конденсатор (RLC) ..............................................................................644 Вопросы для самопроверки ................................................................655 Задачи .........................................................................................................673 22 Параллельные цепи переменного тока ................................... 696 Цепь, содержащая резистор и соленоид (RL) ...............................697 Параллельные цепи, содержащие резистор и конденсатор (RC).................................................................................703 Параллельная цепь, состоящая из соленоида и конденсатора (LC) ...............................................................................708 Параллельная цепь, состоящая из резистора, соленоида и конденсатора (RLC)............................................................................714 Вопросы для проверки ..........................................................................722 Задачи .........................................................................................................734 23 Смешанные цепи переменного тока ........................................ 743 Полные сопротивления ........................................................................744 Улучшение коэффициента мощности ..............................................747 Вопросы для самопроверки .................................................................755 Задачи .........................................................................................................756 24 Трехфазная система токов .......................................................... 770 Генератор трехфазного тока ................................................................771 Трехфазная сеть, питающаяся от генератора с соединением в звезду ..........................................................................774
СОДЕРЖАНИЕ 10 Трехфазная сеть, питающаяся от генератора с соединением в треугольник ..............................................................782 Включение потребителей в трехфазную трехпроводную сеть ...............................................................................................................784 Несимметричная трехфазная сеть ....................................................787 Подключение трехфазных потребителей .......................................789 Вопросы для самопроверки ................................................................790 Задачи .........................................................................................................795 25 Основные сведения по электрохимии .................................... 811 Основные понятия ..................................................................................812 Электрохимические явления ..............................................................815 Законы Фарадея ......................................................................................816 Первый закон Фарадея .........................................................................817 Применения электролиза .....................................................................819 Химические источники напряжения ...............................................821 Первичные элементы .............................................................................823 Вторичные гальванические элементы (аккумуляторы) ...........828 Устройство свинцового аккумулятора ............................................831 Вопросы для самопроверки ................................................................838 Задачи .........................................................................................................849 26 Рациональные методы расчета сложных цепей ................. 851 Метод контурных токов ........................................................................853 Метод наложения (суперпозиции) ...................................................854 Метод эквивалентного генератора ....................................................856 Упрощение цепей путем преобразования соединения в звезду в соединение в треугольник и соединения в треугольник в соединение в звезду ...............................................860 Задачи ........................................................................................................863 Ответы на вопросы ......................................................................................... 870 Ответы на задачи ............................................................................................. 875
Предисловие В книге уделено особое внимание методике изложения теории электротехники, и это новшество, как нам кажется, – в оценке различных подходов. Книга состоит из 26 глав, содержащих 550 рисунков и чертежей, 200 задач с решениями, 700 задач и 450 вопросов для самопроверки усвоения. Материал преподносится в легкой и доступной форме, и все объяснения систематизированы. Чтобы предоставить возможность для самостоятельного изучения, в конце книги приведены ответы на все вопросы и задачи. Я буду рад всем замечаниям по содержанию и методике. Автор
СТРАНИЦА ГЛАВА Введение в электротехнику 1 2 Электрический ток 26 3 Электрическое сопротивление 50 4 Электрическое напряжение 73 5 Закон Ома 82 6 Электрическая энергия и мощность 91 7 Параллельное соединение сопротивлений 109 8 Последовательное соединение сопротивлений 139 9 Смешанное соединение сопротивлений 181 10 Соединение источников напряжения 251 11 Преобразование энергии 299 12 Магнетизм 329 13 Электромагнитное поле. Электромагнит 344 14 Магнитные цепи 363 15 Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле 397 16 Электромагнитная индукция 425 17 Электростатика 466 18 Конденсаторы 490 19 Сущность переменного тока 541 20 Резистор, соленоид и конденсатор в цепи переменного тока 574 21 Последовательные цепи переменного тока 606 22 Параллельные цепи переменного тока 696 23 Смешанные цепи переменного тока 743 24 Трехфазная система токов 770 25 Основные сведения по электрохимии 811 26 Рациональные методы расчета сложных цепей 851
ПОНЯТИЕ О ВЕЩЕСТВЕ Понятие о веществе Каждый объект, занимающий место в пространстве и имеющий размеры и вес, называется веществом. Вещества могут находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Твердое вещество сохраняет свой объем и свою форму. Жидкость сохраняет объем, но не сохраняет форму, а принимает форму сосуда, в котором она находится. В отличие от твердого вещества и жидкости, газ не сохраняет ни форму, ни объем, а распространяется по всем направлениям. Приведем пример. Вода в обычных условиях может находиться в одном из трех состояний: лед – твердое тело, вода – жидкость, пар – газ (рис. 1.1). Добавляя тепло (нагрев) или отнимая его (охлаждение), можно изменить ее агрегатное состояние, то есть при нагреве превратить ее в пар, а путем охлаждения – в лед. Рис. 1.1 Лед (твердое тело) Вода (жидкость) Пар (газ) Если какое-то вещество измельчить до предела возможных физических границ, мы получим молекулы. Молекула – это наименьшая частица вещества, сохраняющая все его свойства. Молекулы
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ 14 настолько малы, что если каждую секунду бросать в стакан одну молекулу, то для заполнения стакана потребуются миллионы лет. Молекула состоит из еще более мелких частиц – атомов. Атомы настолько малы, что если выстроить их в один ряд вплотную, то в одном миллиметре уместится 10 миллионов атомов. Вещество, состоящее из атомов только одного вида, называется химическим элементом. К настоящему времени известны 104 химических элемента, причем каждый из них состоит из атомов другого вида. Химические элементы являются самыми простыми веществами, и их число ограничено. Однако из них можно составить бесчисленное множество веществ, подобно бесчисленному множеству слов, которые можно составить из букв алфавита. Вещества, состоящие из различных химических элементов, называются химическими соединениями. Из 104 химических элементов 90 существуют в природе, остальные созданы искусственно. 83 химических элемента – это металлы, находящиеся в обычных условиях, кроме ртути, в твердом состоянии. 11 элементов являются газами, и 2 – жидкостями. Вещества: водород, кислород, серебро, золото, медь, железо, алюминий – являются элементами. Итак, химические элементы состоят из однородных атомов, а химические соединения – из различных атомов. Агрегатное состояние вещества зависит от плотности молекул. Так, плотность молекул воды выше плотности молекул пара и ниже плотности молекул льда. Изменить агрегатное состояние вещества можно путем изменения его температуры либо давления. Понятие об атоме Как нам уже известно, наименьшая частица вещества, сохраняющая все его свойства, – это атом. Атом состоит из частиц, еще более мелких: электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, неподвижны. Электроны движутся вокруг ядра по орбитам, расположенным на различных расстояниях от ядра (рис. 1.2). Рассматривая этот рисунок, мы видим, что наибольшая часть пространства, которое занимает атом, – это пустота. Электроны, движущиеся вокруг ядра, напоминают планеты, движущиеся вокруг солнца. Большая часть веса атома сосредоточена в ядре, а вес
электронов ничтожно мал, по сравнению с весом ядра, то есть вес атома приблизительно равен весу ядра. Простейшим атомом является атом водорода, состоящий из одного протона и одного электрона. Атом водорода не содержит нейтронов (рис. 1.3). Рис. 1.2 Рис. 1.3 Электроны и протоны обладают особым свойством – электрическим зарядом. Заряд протона положителен (+), заряд электрона отрицателен (–) (рис. 1.4). ПОНЯТИЕ ОБ АТОМЕ
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ 16 Протоны не обладают этим свойством, поэтому можно сказать, что у протонов отсутствует электрический заряд, и по данной причине они не являются темой обсуждения в этой книге. Несколько поучительных чисел Понятие об атоме связано с числами, как очень большими, так и очень малыми. Для их записи удобно пользоваться сокращенным способом, который позволяет избавиться от большого количества нулей. Сокращенная запись больших чисел выглядит так: 10 1 = 101 = 10; 100 = 10 10 = 102 ; 1000 = 10 10 10 = 103; 10 000 = 10 10 10 10 = 104 и т. д. Подобным образом малые числа записываются так: 1/10 = 1/(10 1) = 10–1 ; 1/100 = 1/(10 10) = 10–2; 1/1000 = 1/(10 10 10) = 10–3 и т. д. После того как мы познакомились с сокращенной записью чисел, мы можем привести несколько чисел для понимания атома. Рис. 1.4
Диаметр электрона: 410–13 см. Вес электрона: 0,910–27 г. Диаметр атома водорода: 1,110–8 см. Вес протона – 1,710–24 г. Электрический заряд Как нам уже известно, электрон обладает отрицательным зарядом, а протон – положительным. В обычных условиях число электронов в атоме равно числу протонов. Суммарный заряд электронов равен суммарному заряду протонов, но противоположен по знаку, и поэтому атом в целом не имеет заряда. Допустим, что нам удалось в каком-либо теле сконцентрировать большое количество электронов. Тогда это тело приобретет отрицательный заряд. Такой заряд может быть создан путем натирания эбонитовой палочки клочком шерсти. При этом электроны перейдут из шерсти на палочку и зарядят ее отрицательно (рис. 1.5). Ясно, что сама шерсть, потерявшая электроны, будет заряжена положительно. Рис. 1.5 Шерсть Эбонит ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ 18 Подобным образом, натирая стеклянную палочку полоской шелковой ткани, мы зарядим ее положительно, так как электроны перейдут из палочки на шелк. Шелк же получит отрицательный заряд. Опыт Приготовим для опыта: стеклянную палочку, эбонитовую палочку, клочок шерсти, полоску шелковой ткани и несколько шариков из бузины, подвешенных на штативах. Натрем стеклянную палочку полоской шелка. Палочка получит положительный заряд. Прикоснемся ею к одному из шариков. В момент касания на шарик перейдут электроны из палочки, и он зарядится положительно (рис. 1.6). Подобным образом зарядим второй шарик. Рис. 1.6 Стеклянная палочка Шарик из бузины Теперь зарядим еще два шарика отрицательно путем прикосновения эбонитовой палочки после ее натирания шерстью (рис. 1.7). Сблизим два положительно заряженных шарика. Они оттолкнутся друг от друга. То же произойдет и с двумя отрицательно заряженными шариками (рис. 1.8).