Электротехника и электроника

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

В ДВУХ ТОМАХ

Учебник

•

ТОМ ПЕРВЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Москва
ИНФРА-М

2020

А.Л. МАРЧЕНКО
Ю.Ф. ОПАДЧИЙ

Допущено Научно-методическим советом

по электротехнике и электронике Министерства образования

и науки Российской Федерации в качестве учебника 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по неэлектротехническим направлениям подготовки 

бакалавров и дипломированных специалистов

УДК 621(075.8)
ББК 31.2я73
 
М25

Марченко А.Л.
Электротехника и электроника : учебник: В 2 т. Т. 1: Электротехника / А.Л. Марченко, Ю.Ф. Опадчий. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 
574 с. — (Высшее образование). — www.dx.doi.org/10.12737/11305.

ISBN 978-5-16-009870-8 (общий)
ISBN 978-5-16-009061-0 (т. 1, print)
ISBN 978-5-16-102956-5 (т. 1, online)

Настоящая книга является первой частью двухтомного учебника «Электротехника и электроника», написанного с учетом требований к результатам освоения базовой дисциплины «Электротехника и электроника», входящей в профессиональный цикл дисциплин основных образовательных программ ФГОС 
ВО последнего поколения подготовки бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей. В книге объединены учебник и задачник: каждый теоретический раздел сопровождается 
упражнениями и заданиями для самостоятельного их решения на практических занятиях и дома. Рассмотрены вопросы анализа и расчета электрических 
и магнитных цепей, назначение, устройство и функционирование электромагнитных устройств, трансформаторов и электрических  машин, основы электропривода. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров и инженеров.

УДК 621(075.8)
ББК 31.2я73

М25

Р е ц е н з е н т ы:
М.В. Немцов, д-р техн. наук, профессор (НИЯУ «МИФИ»);
Ю.Е. Бабичев, канд. техн. наук, профессор (МГГУ)

© Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф., 2015
ISBN 978-5-16-009870-8 (общий)
ISBN 978-5-16-009061-0 (т. 1, print)
ISBN 978-5-16-102956-5 (т. 1, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга «Электротехника» является первой частью учебника «Электротехника и электроника», предназначенного для электротехнической подготовки бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей. Она 
написана с учетом требований к результатам освоения базовой дисциплины «Электротехника и электроника», входящей в профессиональный цикл дисциплин основных образовательных программ Федеральных государственных образовательных стандартов высшего 
профессионального образования нового поколения (ООП ФГОС 
ВПО-3) подготовки бакалавров и инженеров указанных направлений 
и специальностей.
Авторы учебника — профессора кафедры «Электроника и информатика» МАТИ — Российского государственного технологического 
университета им. К.Э. Циолковского. Кафедра накопила большой 
опыт педагогической и методической работы, связанной с преподаванием электротехнических дисциплин.
При подготовке учебника были использованы предыдущие учебники и учебные пособия, написанные при участии авторов, в частности:
1. Электротехника и основы электроники: Учебник для вузов / 
О.А. Антонова, О.П. Глудкин, Ю.Ф. Опадчий и др.; Под ред. 
О.П. Глудкина, Б.П. Соколова. М.: Высш. шк., 1993.
2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Под ред. О.П. Глудкина. М.: 
Радио и связь, 2007.
3. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л. Основы электротехники 
(+ CD): Учеб. пособие для втузов. М.: Физматлит, 2006.
4. Марченко А.Л. Основы электроники: Учеб. пособие для вузов. 
М.: ДМК Пресс, 2008.
5. Марченко А.Л., Освальд С.В. Лабораторный практикум 
по электротехнике и электронике в среде Multisim (+ CD): Учеб. пособие для вузов. М.: ДМК Пресс, 2010.
Учитывая практику планирования изучения дисциплины «Электротехника и электроника» в вузах в течение двух семестров, учебник 
издается в виде двух книг: книга 1 «Электротехника» и книга 2 
«Электроника». Первая посвящена основам теории электрических 
и магнитных цепей, принципам действия и основным характери

стикам трансформаторов, электрических машин и других электромагнитных устройств, основам электропривода; вторая — элементной 
базе современных электронных устройств, усилителям электрических сигналов, вторичным источникам питания, основам и функциональным узлам аналоговой, импульсной и цифровой электроники, основам микропроцессорной техники, электрическим измерениям и приборам.
В приложении 2 приведена унифицированная учебная программа 
дисциплины «Электротехника и электроника» трудоемкостью 8 зачетных единиц (288 ч), составленная авторами учебника с учетом 
требований ФГОС ВПО-3 к результатам ее освоения. В зависимости 
от открытых в вузах профилей подготовки бакалавров и инженеров, 
от выделенных в рабочих планах на изучение дисциплины зачетных 
единиц (обычно от 6 до 8) и принятой технологии обучения последовательность изложения тем и степень их детализации могут варьироваться.
Материал книги размещен в электронно-библиотечной системе 
(ЭБС) znanium.com, которая обеспечивает круглосуточный доступ 
к электронным ресурсам в режиме on-line зарегистрированным 
в ЭБС пользователям по всей России и за ее пределами посредством 
сети Интернет при наличии на ПК или ноутбуке пользователя одного из браузеров: Opera, Mozila Firefox, Chrome, Яндекс, Safari.
В приложении 3 к данной книге приведен список авторских 
программ Eltech, на которые есть ссылки в книге. Имеющие доступ 
к системе znanium пользователи, а также читатели, купившие книгу 
«Электротехника», могут скачать список программ (единым файлом 
Eltech.rar, 6 Мб) на свои компьютеры с установленным плеером 
AdobeFlash v. 7…9, необходимым для работы программ. Для этого 
нужно войти в ЭБС znanium.com, найти электронный ресурс «Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника. — М.: ИНФРА-М, 2015» 
и по cсылке перейти на список программ Eltech.
Материал книги использован также при разработке программного 
учебно-методического комплекса по электротехнике (УМК-Э1, 
1,2 Гб), включающего унифицированную учебную программу дисциплины «Электротехника и электроника», электронный учебник 
по модулю «Электротехника» с интерактивными упражнениями и заданиями, варианты курсовых работ с программами моделирования 
электрических и магнитных цепей, лабораторный практикум, содержащий 20 работ, выполняемых в средах LabWorks и NI Multisim 10, 
комплект схемных файлов к лабораторным работам, программные 
тренажеры, тестовые задания и другие дидактические материалы, 

обеспечивающие сопровождение всех видов занятий по модулю 
«Электротехника» и контроль учебных достижений студентов.
По вопросам приобретения компакт-диска с записанным 
УМК-Э1 обращаться по адресу e.mail: marchenkoal@mail.ru.
Работа по написанию книг между авторами распределена следующим образом: книга 1 «Электротехника» — проф. А.Л. Марченко, 
книга 2 «Электроника» — проф. Ю.Ф. Опадчий.
Авторы выражают глубокую признательность за нелегкий труд 
по рецензированию учебника д-ру техн. наук, проф. М.В. Немцову 
(НИЯУ «МИФИ») и канд. техн. наук, проф. Ю.Е. Бабичеву (МГГУ), 
а также за рекомендации и критические замечания, учтенные авторами при окончательной подготовке рукописи к изданию.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия широко используется во многих областях 
техники. Без нее невозможны работа металлургических гигантов, 
плавание атомных ледоколов и подводных лодок, обработка деталей 
на станках с числовым программным управлением, работа автоматических линий, роботов и манипуляторов по сборке электронной 
и радиоаппаратуры, функционирование космических аппаратов, 
систем связи, электронно-вычислительных средств и др.
Возрастающая роль электрической энергии в жизни современного общества объясняется ее замечательными свойствами:
• большим разнообразием и относительной дешевизной способов 
и технических средств ее получения;
• удобством передачи на большие расстояния и распределения ее 
между потребителями;
• сравнительной простотой и высоким КПД преобразования электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, световую, 
механическую энергию вращения и т.п.);
• широкими возможностями представления (на основе параметров 
электрической энергии) информации, ее передачи, хранения 
и преобразования;
• наличием сравнительно простых и надежных методов измерения 
и контроля электрических величин, а также управления режимами работы электротехнических и электронных устройств, агрегатов и систем.
Все разнообразные приборы, устройства и системы, использующие электрическую энергию, невозможно правильно конструировать, производить и эксплуатировать без знания основных законов 
электромагнитных явлений, без умения качественно и количественно анализировать различные режимы работы устройств, без 
навыков правильного применения электрических и магнитных величин и их измерения с помощью измерительных приборов 
и систем.
Электротехника и электроника — базовая дисциплина быстро 
развивающихся областей человеческого знания, включенная в профессиональный блок дисциплин ООП ФГОС ВПО-3 естественнонаучных направлений подготовки бакалавров и инженеров, содержание которой должно соответствовать современным достижениям 
электротехники и электроники.

Электротехника — научно-техническая отрасль, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования 
энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.
Электроника, выделившаяся в свое время из электротехники как 
самостоятельная отрасль науки и техники, связана с исследованиями 
законов взаимодействия электронов и других носителей зарядов 
с электромагнитными полями с целью создания электронных, 
ионных и полупроводниковых приборов и устройств, с помощью 
которых осуществляются формирование, передача, обработка и хранение информации, автоматизация производственных процессов. 
На основе электронных приборов разрабатываются усилители и преобразователи сигналов в системах связи, радио- и телепередачи, 
контрольно-измерительная аппаратура, источники питания, блоки, 
выполняющие логические и арифметические операции в ЭВМ, 
средства научного эксперимента и т.д.
Успешная подготовка компетентных, социально ориентированных, приспособленных к рынку труда бакалавров и инженеров 
естественнонаучных направлений связана с необходимостью 
изучения комплекса электромагнитных процессов, происходящих 
в электротехнических и электронных устройствах и системах. Формирование востребованного специалиста сегодня уже невозможно 
без приобретения опыта работы с современными методами компьютерного моделирования объектов, процессов и явлений, которые 
выступают мощным средством развития образного мышления студентов при решении практических задач.
Использование в учебном процессе электронных образовательных ресурсов, размещенных в электронно-библиотечных системах (ЭБС), должно быть направлено в первую очередь на усиление 
экспериментального и исследовательского компонентов деятельности студентов, на расширение сектора самостоятельной учебной 
работы с тем, чтобы обеспечить выполнение требований стандартов 
к формированию соответствующих компетенций студентов при реализации программ электротехнической подготовки.
Целями изучения дисциплины «Электротехника и электроника» 
являются:
• овладение действенными знаниями о сущности электромагнитных процессов в электротехнических и электронных устройствах, приобретение студентами значимого опыта индивиду

альной и совместной деятельности при решении задач, в том 
числе с использованием электронных образовательных ресурсов;
• теоретическая и практическая подготовка бакалавров в области 
электротехники и электроники, чтобы они могли анализировать 
электрические схемы устройств и агрегатов по выбранному профилю и направлению подготовки;
• приобретение умения правильно эксплуатировать указанные 
устройства и агрегаты и составлять совместно с инженерамиэлектриками технические задания на модернизацию или разработку автоматизированных систем управления производственными процессами.
Основной задачей изучения дисциплины «Электротехника и электроника» является формирование у студентов:
• знания основных понятий и закономерностей теории цепей 
и электромагнитного поля; методов анализа электрических и магнитных цепей; принципов функционирования, свойств, областей 
применения и потенциальных возможностей основных электротехнических, электронных устройств и электроизмерительных 
приборов, основ электробезопасности;
• умений описывать и объяснять электромагнитные процессы 
в электрических цепях; строить их модели, решать задачи; экспериментальным способом и на основе паспортных (каталожных) 
данных определять параметры и характеристики типовых электротехнических и электронных устройств;
• навыков использования современных подходов и методов электротехники и электроники к описанию, анализу, теоретическому 
и экспериментальному исследованию и моделированию электрических явлений и процессов в объеме, необходимом для использования в обучении и профессиональной деятельности.

Тема 1 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. ЭЛЕмЕНТы И ПАРАмЕТРы ЦЕПЕй

1.1.1. Основные понятия и определения
Как любая профессиональная дисциплина, «Электротехника 
и электроника» оперирует набором понятий, связанных специфическими ограничениями и закономерностями. Для качественного и количественного описания электромагнитных процессов, а также их 
экспериментального анализа и контроля используются электрические и магнитные величины и их единицы. Процесс обучения 
и овладения методами анализа и синтеза электротехнических 
и электронных устройств сводится к свободному оперированию терминами, обозначениями и закономерностями дисциплины и использованию ЭВМ для реализации этих методов.
Термины и определения основных понятий в области электротехники установлены ГОСТ Р 52002–2003 «Электротехника. Термины 
и определения основных понятий» (М.: Госстандарт России, 2003), 
которые обязательны для применения во всех видах документации 
и литературы по электротехнике. Допускается в определения основных понятий вводить производные признаки, раскрывающие 
значения терминов, но не нарушающие объем и содержание понятий, определенных в данном стандарте. Важнейшие из них приведены далее.
Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы 
в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении.
Электрический ток проводимости — явление направленного движения свободных носителей электрического заряда q в веществе или 
в пустоте, количественно характеризуемое скалярной величиной, 
равной производной по времени от электрического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую 
поверхность, т.е.

i
q
t

dq
dt
t
=
=
→
lim
.
D
D
D
0
(1.1)

Из выражения (1.1) получают единицу тока

[I] = [q]/[t] = Кл/с = А ⋅ с/с = А (ампер).

Электрический ток переноса — электрический ток, осуществляемый переносом электрических зарядов телами, количественно характеризуемый скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого телами сквозь рассматриваемую поверхность.
Электрический ток смещения — совокупность электрического 
тока смещения в пустоте и электрического тока поляризации диэлектрика, количественно характеризуемая скалярной величиной, 
равной производной по времени от потока электрического смещения 
DS сквозь рассматриваемую поверхность S, т.е.

i
DS
t
S D
t
t
=
=
→
lim
(
)
,

D

D

D

D
D
0

где D — электрическое смещение (индукция), Кл/м2.
Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме 
электрического тока проводимости, электрического тока переноса 
и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.
Постоянный электрический ток (далее — ток) — неизменное и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка времени Dt 
переносится одинаковый заряд Dq. Поэтому ток I = q/t, где q — весь 
заряд в кулонах (Кл) за время t (с).
Условное положительное направление тока I во внешней (от источника энергии) цепи противоположно направлению движения потока 
электронов (электрон — частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом, qe = -1,602 ⋅ 10-19 Кл, тогда 1 Кл = 6,24 ⋅ 1018 электронов), т.е. он протекает от точки а с большим потенциалом к точке 
b с меньшим потенциалом, вызывая падение напряжения (далее — 
напряжение) на сопротивлении этого участка:

Uab = jа - jb.
(1.2)
Потенциал электрический (jа) точки а — работа, которую нужно 
выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1 Кл) из данной точки 
в бесконечность (где нет электрического поля), т.е.

j
j
a
a
a
b
b
q
dl
dl
dl
=
=
=

¥
¥
¥

∫
∫
∫
E
E
E
и
,
(1.3)

где Е — напряженность (вектор) электрического поля, численно 
равная отношению силы, действующей на заряженную частицу, 
к значению ее заряда. Из этого определения получают единицу напряженности