Электротехника и электроника : в 2 т. Т.1. Электрические, электронные и магнитные цеnи

Весь мир1 

за исключением 

диких наиий1 

управляется книгами. 

Ф. Вольтер 

РЕМКUИОННЫЙ 

СОВЕТ 

Предсш>аmе.1ь 

Л.А.ПУЧКОВ 
презиl>еипr МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

Зам. trpeдceдllmeлл 

л.х. гитис 
директор 

Издаmе.1ьства МГГУ 

Члены pet>coвenra 

И. В. ДЕМЕНТЬЕВ 
академик РАЕН 

А.П. ДМИТРИЕВ 
акаде.мик РАЕН 

Б.А. КАРТОЗИН 
академик РАЕН 

М.В. КУРЛЕНН 
академик РАН 

в.и. осилов 
академик РАН 

э.м. соколов 
академик МАН ВШ 

K.ll. ТРУБЕЦКОЙ 
академик РАН 

В.В. XPOIIИH 
профессор 

В.А. ЧАНТУРИН 
академик РАН 

Е.И. ШЕМНКИН 
академик РАН 

~ 
:s: 

:с 
4 
>< w 

:Е 
о 

а. 
1~ 
w 
с 
(') 

а: 
4 
:с 

а. 
о 
L. 

Ю.Е. Бабичев 

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 

И ЭЛЕКТРОНИКА 

том 1 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, 

ЭЛЕКТРОННЫЕ 

И МАГНИТНЫЕ 

UЕПИ 

Llопушено Научно-метомtческим советом 

по эле~технике и эле~нике 

Л1инистерства образования и науки Ра> 

в качестве учебника АЛЯ стуАентов высших 

учебных завеАениfl, обучаюшихся по направлению 

пОАГотовки бакалавров ~информатика 

и вычислительная техника» и направлениям 

пОАГотовки мtпломированных спеииалистов 

~информатика и вычислительная техника» 

и кИнформаиионные системы» 

~ 

МОСКВА 
сМИР ГОРНОЙ КНИГИ• 
• 
ИЗААТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 

ГОСУААРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
• 
ИЗААТЕЛЬСТВО сГОРНАЯ КНИГА• 
2007 

УДК 621.3 

ББК 31.2 

Б 12 

Издано nри финансовой nоддержке Федерального агентства 

по печати и массовым коммуникациям 

в рамках Федералыюй целевой nрограммы «Культура России>> 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 

для взрослых. СанПиН 1.2.1253----()3>>, утвержденным Главным 

государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Эксnертиза nроведсна Министерством образования и науки 

Российской Федерации (nисьмо N~ 02-Реш от 18 аnреля 2006 г.) 

Рецензенты: 
• 
д-р техн. наук, nроф. А.Е. Краснопольский [Московский государственный институт стали и сnлавов (Технологический университет)]; 
• 
канд. техн. наук В.В. Каратаев [Московский энергетический институт (Технический университет)] 

Бабичев Ю.Е. 

Б 12 
Электротехника и электроника 1 Учебник мя вузов: В 2 т. 
М.: «Мир горной книгИ>>, Издательство Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга>>, 2007. 
Т. 1: Электрические, электронные и магнитные цеnи.- 615 с.: ил. 

ISBN 978-5-91003-015-6 (в пер.) 
ISBN 978-5-7418-0485-8 
ISBN 978-5-98672-065-4 

В nервом томе учебника даны физические основы электротехники и 

электроники, рассмотрены свойства электрических сигналов, изложена 

теория линейных и нелинейных электрических цеnей с источниками nостоянного и синусоидального тока в установившихся и nерсходных режимах. Особое внимание уделено физическим процессам и явлениям, в частности, энергетическим как ининиаторам расnределения токов в элементах 

цепей. Ис1юльзуется системный подход при изложении материала, когда 

объекты изучения nроцессы и устройства-- nредставляются иерархическими физическими и математическими моделями. 

Для студентов вузов, обучающихся no наnравлению nодготовки бакалавров <<Информатика и вычислительная техника>> и наnравле11иям подготовки дипломирова11ных сnециалистов <<Информатика и вычиснительная 

техника>> и <<Информационные системы>>. 

ISBN 978-5-91003-015-6 
ISBN 978-5-7418-0485-8 
ISBN 978-5-98672-065-4 

© И).Е. Бабичев,2007 

УДК 621.3 

ББК 31.2 

© «Мир горной книги>>, Издательство 

МГГУ, Издательство «Горная книга, 2007 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2007 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Дисциплина «Электротехника и электроника» в современной системе nодготовки специалистов по информатике и вычислительной технике занимает место общенаучной дисциnлины 

федерального комnонента, которая, наряду с ролью теоретических основ общеинженерной и специальной nодготовки, все 

больше приобретает самостоятельное значение. 

Именно nоэтому содержание учебников и учебных nособий 

по данной дисциnнине должно отражать не только специфические воnросы энектротехники и электроники в nредметной области сnециалистов по информатике и вычислительной технике, но и 

общие воnросы, относящиеся, наnример, к nолучению, nреобразованию, передаче и исnользованию электрической энергии. В 

результате этого предмет изучения дисциплины становится шире. 

Дисциплина «Электротехника и электроника» изучает электрические цеnи в широком nонимании этого nонятия, т.е. любые 

nроцессы и явления, связанные с электрическим током, а также 

разнообразные устройства и системы, свойства которых обусловлены наличием электрических токов и электрических нагrряжений. Такая широта nонятия электрической цеnи приводит 

к необходимости рассмотрения большого круга вопросов, относящихся к смежным наукам: электромеханике, электроснабжению, электроnриводу, автоматике, связи, аналоговой и цифровой электронике, электрическим измерениям и др. 

Сложившаяся в СССР, а теnерь и в Российской Федерации 

электротехническая школа накоnила значительный оnыт как по 

методике nреnодавания, так и по содержанию учебников и 

учебных nособий. Здесь можно отметить ставшие классическими учебники, наnисанные Г.И. Атабековым, Л.А. Бессоновым, 

В.Г. Герасимовым, К.С. Демирчяном, А.С. Касаткиным, К.А. 

Кругом, П.Н. Матхановым, Л.Р. Нейманом, М.В. Немцовым, 

А.В. Нетушилом, К.М. Поливановым и др. Многое в этих учебниках актуально и сегодня, кое-что nотеряло значимость в силу 

5 

технического прогресса. а некоторые вопросы не нашли отражения из-за отсутствия в то время сведений о важных типах 

электротехнического и особенно электронного оборудования. 

появившихся только в последнее время. 

Несомненно, современные учебники и учебные пособия по 

электротехнике должны сохранить накопленный опыт по методике преподавания, заложенный изданными ранее учебниками, 

но при этом необходимо учитывать появившисся в последнее 

время новые мощные средства получения знаний компьютерные технологии. Они практически сняли вычислительные 

трудности в решении математических моделей и в обработке результатов физических экспериментов, позволили имитировать 

разнообразные физические процессы и устройства на компьютерах, проводить виртуальные лабораторные работы. вести обработку данных экспериментов в реальном времени и т.п. 

В результате новые средства и их возможности стали влиять 

на методику изучения, с одной стороны, корректируя ее в направлении углубления и расширения предмета изучения, а с 

другой стороны, все больше формализуя изучаемые явления и 

объекты. Дисциплина все бопее становится «точной>>, а не «описательной)), особенно в разделах по электромеханике и электронике, в вопросах по электроприводу и электроснабжению. Формализация и абстрактность моделей отрицательно влияют на 

связь изучаемых вопросов с реальными физическими явлениями 

и объектами, поэтому возникает настоятельная необходимость 

акцентировать внимание студентов на физических, а не на математических моделях. При этом важным моментом становится 

объяснение принимаемых допущений при построении моделей, 

а также границ применимости той или иной модели. 

Общенаучная дисциплина «Электротехника и электроника)) 

постоянно развивается. Для каждого времени определяется свое 

ядро части, разделы и главы, которые определяют не только 

содержание, но и ее отличие от таких смежных дисциплин, как 

«Теоретические основы электротехники)), «Электрические машины)), «Электроника)), «Электрические измерения)) и др. Как 

правило, это отражается в «Примерrюй программе дисципли
6 

ны», разрабатываемой авторитетным коллективом авторов и утверждаемой Научно-методическим советом no электротехнике и 

электронике, а также Министерством образования и науки Российской Федерации. Эта дисциnлина в современных Государственных образовательных стандартах roc является дисциnлиной 

федерального комnонента, т.е. обязательна для изучения студентами вузов всех технических наnравлений и сnециальностей. 

к сожалению, roc no многим наnравлениям и сnециальностям, в том числе no информатике и вычислительной технике, 

не могут в nолной мере учитывать требования Примерной nрограммы, особенно в части трудоемкости изучения дисциnлины. 

В этой связи становятся актуальными более тщательный отбор 

учебного материала и его адаnтация для самостоятельного изучения студентами. Учитывая значительную дифференциацию no 

начальному уровню знаний обучающихся, основной учебный 

материал должен быть не только nодробно объяснен с физических и математических nозиций, но и nроиллюстрирован тиnовыми nримерами, а иногда и снабжен необходимыми сnравочными данными. Только тогда обучающиеся, имея даже относительно слабую начальную nодготовку, смогут освоить объективно сложную для изучения дисциnлину «Электротехника и 

электроника>>. 

Автор nредnолагает, что студенты будут исnользовать комnьютерную технику как для освоения основных методов вычислительного эксnеримента, так и для интерактивного моделирования на ЭВМ объектов и nроцессов, изучаемых дисциnлиной. 

При этом комnьютеры следует nрименять в качестве инструмента nолучения новых знаний, а не «вычислителя». Наnример, 

универсальные математические nакеты Mathcad (MathSoft, lnc.) 

или Matlab (Math Works, /nc.) nредnочтительно исnользовать не 

только в режимах nрямых вычислений, но и для решения систем 

алгебраических (линейных и нелинейных) и дифференциальных 

уравнений, а также в режимах символьных вычислений. Для 

схематехнического моделирования и исследования электрических цепей и устройств Примерная nрограмма дисциnлины рекомендует такие nакеты как Electronics Workbench (lnteractive 

7 

lmage Technologies Ltd.), PSpice или LabView (National /nstruments). Их использование значительно улучшает усвоение учебного материала, особенно по разделам «Нелинейные цепи» и 

«электроника». 

Настоящий учебник соответствует Государственным образовательным стандартам подготовки специалистов по направлениям 230100 Информатика и вычислительная техника, 

230200- Информационные системы, 230300- Организационно-технические системы и 230400 Прикладная математика, а 

также Примерной программе дисциплины «Общая электротехника и электроника», рекомендованной Министерством образования и науки Российской Федерации для направлений подготовки дипломированных специалистов «Техника и технология». 

Учебник ориентирован на изучение теории электрических и 

электронных цепей применительно к предметной области работы специалистов, связанных со средствами получения, хранения, обработки и передачи информации, однако он может быть 

полезным и студентам смежных направлений, например, по автоматике и управлению. 

Учебник (в 2-х томах) написан на основе 20-летнего опыта 

преподавания дисциплины на факультете «Автоматизации и 

информатики» Московского государственного горного университета студентам информационных специальностей. 

В первом томе рассматриваются электрические, магнитные 

и электронные цепи; во втором электромагнитные и электромеханические устройства, а также электроника. 

Содержание первого и второго томов соответствует курсу, 

рассчитанному примерно на 200 ч, из которых: 64-72 ч лекции, 
14-18 ч практические, 14-18 ч лабораторные (7-9 работ) занятия и 92 -108 ч самостоятельная работа студентов, в том 

числе выполнение трех домашних расчетно-графических заданий. 

ВВЕДЕНИЕ 

Электромагнитные явления лежат в основе большинства 

физических процессов, с которыми сталкивается человек, поскольку они протекают в тех пространствеиных масштабах, в 

которых осуществляется наша жизнь. Практически все «силы)), 

обусловливающие физические явления в нашем повседневном 

окружении, за исключением силы тяготения, в конечном счете, 
• 
относятся к электромагнитным . 

Очевидно, что многообразные связи и явления, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, не могут быть описаны только законами электродинамики, поскольку на каждом 

уровне явления существуют свои специфические черты и закономерности, не сводимые к закономерностям другого уровня. 

Однако электромагнитные взаимодействия на всех уровнях являются в определенном смысле элементарной связью, с помощью которой образуется вся цепь связей. Этим определяется 

практическое значение электромагнитных явлений. 

Современное учение об электричестве включает в себя три 

группы вопросов. К первой относятся основные понятия и общие принципы, управляющие электрическими и магнитными 

явлениями (они изучаются в курсе физики). Ко второй- электрические и магнитные свойства вещества (они изучаются в 

курсах физики и материаловедения). К третьей техническое и 

В настоящее время в физике известны четыре вида взаимодействий материальных объектов: гравитационное, сильное. слабое и электромагнитное. Эти 

взаимодействия nроявляются в различных nространствеиных масштабах и характеризуются разной интенсивностью. Гравитационное взаимодействие заметно лишь между телами астрономических масштабов. Сильные взаимодействия проявляются только между оnределенными частицами nри их сближении на весьма малые расстояния (порядка 1015 м). Слабое взаимодействие 

осуществляется при взаимоотношении оnределенных тиnов элементарных 

частиц. При удалении частиц друг от друга оно несущественно. 

9 

практическое применение электричества (они изучаются в общепрофессиональных дисциплинах электротехнического профиля, в частности, в курсе «Электротехника и электроника))). 

Основные законы электромагнетизма были изучены уже к 

концу XIX в. В ХХ в. изучение их было углублено и расширено. 

В результате возникли разделы теоретической, математической 

и экспериментальной физики, квантовая электродинамика, электротехника, электроника, радиотехника и др. Все эти науки основываются на некоторых общих законах, и при их изучении 

применяются общие методы анализа и расчета. 

Электротехника как наука, занимающаяся разработкой вопросов практического использования электромагнитных явлений, в свою очередь, развилась в ряд самостоятельных дисциплин: теорию электрических машин и трансформаторов, занимающуюся конструированием трансформаторов, электрических 

генераторов и двигателей; теорию электроснабжения, занимающуюся распределением электрической энергии потребителям; 

электронику, занимающуюяся теорией процессов электропроводности в полупроводниках, газах и вакууме и применением 

устройств, основанных на этих процессах, и т.д. В каждой из 

этих наук существует большой круг теоретических и практических вопросов, решение которых имеет не только частное, но и 

общее значение. 

В основе работы всех устройств электротехники и электроники лежат электромагнитные явления, которые определяются 

изменениями электромагнитно1·о поля в пространстве и времени. Конкретные устройства отличаются большим разнообразием 

использования электромагнитных явлений: электронные устройства (усилители, преобразователи сигналов, устройства цифровой техники, в том числе и компьютеры): электрические сети; 

электрические машины; устройства автоматического контроля и 

управления; электроизмерительные приборы и др. Все эти устройства можно рассматривать как системы заряженных тел и 

контуров с токами, которые определенным образом взаимодействуют друг с другом. Электромагнитные явления, возникающие в результате взаимодействия, определяются физическими 

10