Электротехника с основами электроники

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году

А.К. Славинский, И.С. Туревский




ЭЛЕКТРОТЕХНИКА С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОНИКИ


            УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


Допущено
Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования



Электронно-


            znanium.com



Москва
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М
2022

УДК 621.38(075.32)
ББК 32.85я723

     С47



      Рецензенты:
         доктор технических наук, профессор Московского государственного технического университета (МАМИ) В.И. Ерохов;
         кандидат технических наук, доцент, преподаватель высшей категории Московского государственного техникума технологий и права А.И. Ильянков



      Славинский А.К.
С47 Электротехника с основами электроники : учебное пособие / А.К. Славинский, И.С. Туревский. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2022. — 448 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-8199-0747-4 (ИД «ФОРУМ»)
          ISBN 978-5-16-013578-6 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-106242-5 (ИНФРА-М, online)


         В учебном пособии излагаются основы расчета электрических цепей постоянного и переменного токов, дается описание электрических машин, электронных приборов, ЭВМ и т.д. Приведены новые материалы по интегральным микросхемам, микропроцессорам и микроЭВМ.
         Для студентов неэлектротехнических специальностей средних специальных учебных заведений.


УДК 621.38(075.32)
ББК 32.85я723


© Славинский А.К.

ISBN 978-5-8199-0747-4 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-013578-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106242-5 (ИНФРА-М, online)

     Туревский И.С., 2016 © ИД «ФОРУМ», 2016

                Введение










   Электротехника — это наука о процессах, связанных с практическим применением электрических и магнитных явлений. Так же называют отрасль техники, которая использует их в промышленности, медицине, военном деле, транспорте и связи.
   Непрерывное расширение области применения электрической энергии влечет за собой глубокое внедрение электротехники во все отрасли промышленности, сельского хозяйства и быта, что требует дальнейшего подъема электровооруженности труда, широкой автоматизации производственных процессов и использования автоматизированных систем управления.
   Можно выделить три основных направления электротехники: 1) преобразование различных видов энергии в электрическую и обратно; 2) превращение одних веществ природы в другие; 3) обработка и передача информации.
   Научно-технический прогресс невозможен без электрификации всех отраслей народного хозяйства. Потребности народного хозяйства в электрической энергии непрерывно растут, что приводит к увеличению ее производства.
   В условиях научно-технической революции особенно отчетливо проявилась диалектическая связь науки, техники и производства. Наука стала непосредственной производительной силой, а научные достижения оказались в существеннейшей степени зависящими от уровня развития и возможностей современных технологий.
   Электроникой называют область науки, техники и производства, в которой разрабатываются принципы производства и совершенствования электронных приборов, методы их инженерного расчета и технологического обеспечения, способы создания электронных систем для нужд народного хозяйства.
   Широкое использование электронной аппаратуры обусловлено ее быстродействием, точностью, высокой чувствительностью, малым потреблением энергии, постоянно возрастающей

Введение

экономичностью, что требует высокой профессиональной подготовки специалистов, подразумевающей свободное владение системой знаний, умений и навыков в актуальных для них областях электротехники.


Таблица 0.1. Основные и производные единицы международной системы единиц СИ, использованные в книге

Физическая величина             Наименование единицы         Обозначение
Длина                           метр                         м          
Масса                           килограмм                        кг     
Время                           секунда                      с          
Сила электрического тока        ампер                        А          
Плоский угол                    радиан                           рад    
Площадь                         квадратный метр                  м2     
Объем, вместимость              кубический метр                  м3     
Скорость (линейная)             метр в секунду                   м/с    
Ускорение                       метр на секунду в квадрате      м/с2    
Угловая скорость                радиан в секунду             рад/с      
Частота периодического процес-  герц                             Гц     
са, частота колебаний                                                   
Частота вращения*               секунда в минус первой           с-1    
                                степени                                 
Плотность                       килограмм на кубический метр    кг/м3   
Момент инерции                  килограмм-метр в квадрате      кг ■ м2  
Сила, сила тяжести (вес)        ньютон                            Н     
Момент силы, момент пары сил    ньютон-метр                     Н ■ м   
Давление, нормальное напряже-   паскаль                          Па     
ние                                                                     
Работа, энергия                 джоуль                           Дж     
Мощность                        ватт                             Вт     
Температура по Цельсию          градус Цельсия                   °C     
Теплота, количество теплоты     джоуль                           Дж     
Количество электричества (элек- кулон                            Кл     
трический заряд)                                                        

Введение

5

Окончание табл. 0.1

Физическая величина            Наименование единицы         Обозначение
Напряженность электрического   вольт на метр                    В/м    
поля                                                                   
Электрическое напряжение,                                              
электрический потенциал, элек- вольт                             В     
тродвижущая сила                                                       
Электрическая емкость          фарада                            Ф     
Плотность электрического тока  ампер на квадратный метр        А/м2    
Линейная плотность электриче-  ампер на метр                    А/м    
ского тока                                                             
Напряженность магнитного поля  ампер на метр                    А/м    
Магнитодвижущая сила, раз-     ампер                             А     
ность магнитных потенциалов                                            
Магнитная индукция             тесла                            Тл     
Магнитный поток                вебер                            Вб     
Индуктивность, взаимная индук- генри                            Гн     
тивность                                                               
Абсолютная магнитная прони-    генри на метр                   Гн/м    
цаемость                                                               
Намагниченность (интенсив-     ампер на метр                    А/м    
ность намагничивания)                                                  
Электрическое сопротивление    ом                               Ом     
(активное, реактивное, полное)                                         
Электрическая проводимость     сименс                           См     
(активная, реактивная, полная)                                         
Удельное электрическое сопро-  ом-метр                        Ом ■ м   
тивление                                                               
Удельная электрическая прово-  сименс на метр                  См/м    
димость                                                                
Магнитное сопротивление        генри в минус первой степени    Гн-1    
Магнитная проводимость         генри                            Гн     
Мощность активная              ватт                             Вт     
Электромагнитная энергия       джоуль                           Дж     

    * В технических документах, каталогах и заводской практике частоту вращения принято измерять в единицах «обороты в минуту», обозначение об/мин или мин / 1 об/мин = 60 с ¹.

Введение

Таблица 0.2. Единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ

     Величина          Наименование    Обозначение       Соотношение       
                         единицы         единицы        с единицей СИ      
Масса               тонна                   т               103 кг         
                    минута                 мин               60 с          
Время               час                     ч               3600 с         
                    сутки                  сут             86 400 с        
                    градус                ...о           л/180 рад »       
                                                    « 1,745329 ■ 10~2 рад  
Плоский угол        минута                 ...          л/10800 рад «      
                                                   « 2,908882 ■ 10 ~4 * рад
                    секунда               ..."         л/648 000 рад «     
                                                    « 4,848137 ■ 10~6 рад  
Объем, вместимость  литр                    л              10-3 м3         
Механическое напря- ньютон на квадрат-    Н/мм2             1 МПа          
жение               ный миллиметр                                          
Полная мощность     вольт-ампер           В ■ А              ---           
Реактивная мощность вар                    вар               ---           

Таблица 0.3. Условные обозначения элементов и устройств на электрических схемах


               Наименование


Электрические машины:

а — генератор переменного хода;

б — двигатель переменного хода;
в — трехфзный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
г — двигатель постоянного тока независимого возбуждения;
д — то же, последовательного возбуждения;
е — то же, параллельного возбуждения;
ж — то же, смешанного возбуждения;
з — то же, с двумя последовательными обмотками возбуждения (реверсивный двигатель

Обозначение

Введение

7

Окончание табл. 0.3

               Наименование                   Обозначение      
Трансформаторы:                                   А           
а --- трансформатор;                              о -     ©   
б --- автотрансформатор;                          V           
в --- реактор;                              а       б в   г   
г, д --- трехфазный трансформатор, соеди-                     
нение обмоток звезда --- звезда с нейтраль-                   
ным проводом;                                                 
е, ж --- трехфазный трансформатор, соеди-                     
нение обмоток звезда --- звезда с нейтраль-       1 £         
ным проводом --- треугольник                        £         
                                            д       е     ж   
Выключатели:                                        1   1     
а --- однополюсный выключатель;                    'I  'I     
б --- однополюсный разъединитель;                 а   б       
в --- трехполюсный разъединитель;                             
г, д --- трехполюсный выключатель автома-   1 1 1 111 1 1 1 1 
тический;                                      ГН m           
е --- путевой однополюсный выключатель;     в       г   д е   
ж --- кнопка замыкающая с самовозвратом;    1       L   1 L   
з --- кнопка размыкающая с самовозвратом;             г       
и --- кнопка замыкающая без самовозврата;           3 и   к   
к --- кнопка размыкающая без самовозврата                     
Катушки электромеханических устройств       ___|_         _L_.
(реле, контакторы и т. п.)                                    
а --- общее обозначение;                    1             Ч   
б --- катушка с одной обмоткой              а             б   
Конденсаторы:                                         -к  +1  
а --- постоянный;                                  %  7Г      
б --- переменный;                           а      б    в г   
в --- подстроечный;                                           
г --- электролитический                                       

                Раздел I




ЭЛЕКТРОТЕХНИКА







Глава 1




                ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ








   Во всяком теле содержатся элементарные частицы, некоторые из которых обладают электрическими зарядами. Присутствием в теле заряженных частиц и объясняются электрические свойства тел. Такие частицы, как электрон, протон, позитрон и антипозитрон, имеют равные по абсолютному значению заряды, при этом заряд электрона отрицателен, а заряд протона положителен.
   Всякая совокупность электрических зарядов обладает электрическим полем и совместно с ним образует единую материальную систему.
   Указанные частицы вместе с нейтронами входят в состав атомов вещества, однако они могут находиться и в свободном состоянии.
   Тела с одноименными зарядами отталкиваются, тела с разноименными зарядами притягиваются! Электрически заряженные тела неразрывно связаны с окружающими их электрическими полями, через которые и осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел.
   Таким образом, электрическое поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Глава 1. Электрическое поле

9

    Следовательно, всякое изменение взаимного расположения электрических зарядов в данной системе, равно как и изменение величин этих зарядов во времени, неизбежно связано с изменением их электрического поля.
    Рассмотрим электрическое поле уединенного неподвижного точечного заряженного тела с зарядом Q (рис. 1.1, а), расположенного в горизонтальной плоскости. Поместим в точку А этой плоскости пробное заряженное тело с зарядом q. Так как оба тела заряжены положительно, то сила отталкивания действует по линии центров этих зарядов; q будет перемещаться в радиальном направлении. Помещая q в другие точки вокруг Q, получим картину, которая условно изображает электрическое поле с помощью линий, называемых силовыми (рис. 1.1, б). Силовые линии уединенного точечного заряда представляют собой прямые, исходящие от этого тела.


Рис. 1.1. Электрическое поле уединенного заряженного тела



            1.1. Основные свойства и характеристики электрического поля


   Электрическое поле — это такой вид материи, через которую осуществляется физический процесс взаимодействия электрических зарядов — взаимное притяжение разноименных электрических зарядов и отталкивание одноименных.
   Если взаимодействие электрических зарядов осуществляется через их собственные электрические поля, значит поле действует непосредственно на эти заряды.
   В природе имеется бесконечное многообразие электрических полей, отличающихся друг от друга по конфигурации, силе, электрической энергии, запасенной в них, и т. д.

Раздел I. Электротехника

   Для исследования электрических полей обычно применяют пробный электрический заряд + q, т. е. положительный единичный заряд, настолько малый по величине, что его присутствие в исследуемом электрическом поле практически не влияет ни на силу, ни на энергию, ни на конфигурацию этого поля.
   Если пробный электрический заряд внести в электрическое поле, то на него будет действовать сила поля, или, иначе говоря, электрическая сила, стремящаяся перемещать его в строго определенном направлении.
   Траектория, которую опишет пробный электрический заряд при своем перемещении под действием сил поля, называется электрической силовой линией (рис. 1.2, а).


                      а

                                         б
Рис. 1.2. Силовые линии электрического поля: а — изображение электрической силовой линии; б — силовые линии электрического поля

    Направление электрической силовой линии совпадает с направлением движения вдоль нее пробного электрического заряда.
    Следовательно, электрическая силовая линия — это геометрическая линия, в любой точке которой сила поля Fэ (электрическая сила), действующая на пробный электрический заряд, совпадает с направлением касательной к этой линии (рис. 1.2, а).
    Электрические силовые линии начинаются на положительных электрических зарядах и оканчиваются на отрицательных. Это понятно, так как пробный электрический заряд под действием поля всякий раз будет перемещаться от положительного заряда к отрицательному.
    На рис. 1.2, б изображены силовые линии электрического поля системы двух разноименных электрических зарядов.
    Здесь мы видим, что электрические силовые линии имеют направление от положительного заряда к отрицательному, что и отмечено на этих линиях условными стрелками.