УДК 621.3.0
ББК 31.21
К89
К89
Кузнецов, А. В.
Элементарная электротехника / А. В. Кузнецов. — 2-е изд., эл. — 1 файл
pdf : 897 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader
XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-326-4
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 школьникам старших классов, студентам и преподавателям средних
и высших учебных заведений, слушателям курсов повышения квалификации,
а также для самостоятельного изучения.
УДК 621.3.0
ББК 31.21
Электронное издание на основе печатного издания: Элементарная электротехника / А. В. Кузнецов.
— Москва : ДМК Пресс, 2014. — 896 с. — ISBN 978-5-97060-128-0. — Текст : непосредственный.
Все
права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена 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 поскольку 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.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.
ISBN
978-5-89818-326-4
© Кузнецов А. В., 2014
© Оформление, ДМК Пресс, 2014
Стр.3
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие .........................................................................................................11
1
2
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
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
4
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
Электрическое напряжение ...................................................................73
Определение электрического напряжения ...............................................74
Стр.4
4
СОДЕРЖАНИЕ
Единица электрического напряжения ........................................................74
Источники постоянного напряжения .........................................................75
Классификация напряжений .........................................................................78
Измерение электрического напряжения ...................................................78
Вопросы для самопроверки ............................................................................79
5
6
7
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
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
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
Стр.5
СОДЕРЖАНИЕ
5
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
Стр.6
6
СОДЕРЖАНИЕ
Цепи с несколькими источниками напряжения ..........................264
Вопросы для самопроверки ................................................................273
Задачи .........................................................................................................280
11
12
13
14
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
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
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
Магнитные цепи ............................................................................... 363
Магнитный поток и плотность магнитного потока ....................364
Магнитная проницаемость ..................................................................365
Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов .......368
Петля намагничивания .........................................................................371
Стр.7
СОДЕРЖАНИЕ
7
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
Стр.8
8
СОДЕРЖАНИЕ
Взаимоиндукция .....................................................................................442
Коэффициент взаимоиндукции (взаимоиндуктивность) ........442
Трансформатор.........................................................................................444
Искровой индуктор ................................................................................448
Вихревые токи ..........................................................................................449
Вопросы для самопроверки .................................................................451
Задачи .........................................................................................................459
17
18
19
20
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
Конденсаторы .................................................................................. 490
Емкость .......................................................................................................491
Поведение конденсатора в цепи постоянного тока .....................493
Соединение конденсаторов .................................................................501
Виды применяемых конденсаторов ..................................................506
Вопросы для самопроверки ................................................................511
Задачи .........................................................................................................524
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
Резистор, соленоид и конденсатор в цепи
переменного тока ............................................................................ 574
Резистор в цепи переменного тока ....................................................575
Стр.9
СОДЕРЖАНИЕ
9
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
23
24
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
Смешанные цепи переменного тока ........................................ 743
Полные сопротивления ........................................................................744
Улучшение коэффициента мощности ..............................................747
Вопросы для самопроверки .................................................................755
Задачи .........................................................................................................756
Трехфазная система токов .......................................................... 770
Генератор трехфазного тока ................................................................771
Трехфазная сеть, питающаяся от генератора
с соединением в звезду ..........................................................................774
Стр.10
10
СОДЕРЖАНИЕ
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
Стр.11