Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Элементарная электротехника

Покупка
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.
Кузнецов, А. В. Элементарная электротехника : учебное пособие / А. В. Кузнецов. - Москва : ДМК Пресс, 2014. - 896 с. - ISBN 978-5-97060-128-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1027493 (дата обращения: 03.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
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: 410–13 см. Вес электрона: 0,910–27 г.
Диаметр атома водорода: 1,110–8 см. Вес протона – 1,710–24 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).