Электротехника с основами электроники

А. С. Шандриков

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОНИКИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования,

реализующих образовательные программы

среднего специального образования

по профилю образования «Техника и технологии»

3-е издание, исправленное

Минск
РИПО
2020

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.2я723

Ш20

А в т о р :

преподаватель специальных дисциплин УО «Витебский

государственный политехнический колледж» А. С. Шандриков.

Р е ц е н з е н т ы :

цикловая комиссия дисциплин электронного цикла УО «Витебский 

государственный станкоинструментальный колледж» (Г. М. Леоненко); 

старший преподаватель кафедры «Автоматизация технологических

процессов и производств» УО «Витебский государственный

технологический университет» К. Н. Ринейский.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 

образования Республики Беларусь.

Ш20

Шандриков, А. С.

Электротехника с основами электроники : учеб. пособие / А. С. Шан
дриков. – 3-е изд., испр. – Минск : РИПО, 2020. – …318 с. : ил.

ISBN 978-985-7234-49-3.

В учебном пособии приведены краткие сведения о строении вещества; 

рассмотрены проводники, полупроводники и диэлектрики; описаны процессы, происходящие в электрических цепях постоянного и переменного 
тока, устройство и принцип действия электроизмерительных приборов, 
электромагнитных аппаратов, электрических машин постоянного и переменного тока, а также устройство и принцип действия электронных, 
фотоэлектронных, полупроводниковых приборов и радиоэлектронных 
средств.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального об
разования по профилю образования «Техника и технологии».

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.2я723

ISBN 978-985-7234-49-3 
           © Шандриков А. С., 2016

© Шандриков А. С., 2020, с изм.

 
 
 
           © Оформление. Республиканский институт 

 
 
 
 
  профессионального образования, 2020

ВВЕДЕНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ, ЕЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

В современном мире электрическая энергия является основой 

развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства во всех сферах деятельности человека: в промышленности, сельском хозяйстве, науке, космосе и 
в быту.

Во всех промышленно развитых странах темпы развития элек
троэнергетики опережали темпы развития других отраслей. Определяющая роль электроэнергетики в жизни современного общества 
объясняется:

• разнообразием и относительно невысокой стоимостью спосо
бов и технических средств получения электрической энергии;

• удобством передачи электрической энергии на большие рас
стояния с большой скоростью и малыми потерями и распределения 
ее между потребителями;

• сравнительной простотой и высоким коэффициентом по
лезного действия (КПД) преобразования электрической энергии в 
другие виды энергии;

• способностью электрической энергии плавно менять потреб
ление от нуля до максимума в зависимости от хода производственного процесса или нагрузки рабочего механизма;

• простотой, надежностью и безопасностью методов измерения 

и контроля электрических величин и управления режимами работы 
электротехнических устройств, агрегатов и систем;

• простотой и эффективностью автоматизации процессов по
лучения, передачи и потребления электрической энергии.

В промышленности, сельском хозяйстве, сфере обслуживания 

и в быту электрическая энергия применяется для привода станков 
и различных механизмов, а также непосредственно в технологических процессах для нагрева изделий, плавления металлов, свар

Введение

ки, электролиза, получения плазмы, новых материалов с помощью 
электрохимии, очистки материалов и газов и т. д. 

В современных средствах связи и информационных техноло
гиях вся работа основана на применении электрической энергии. 
Без нее невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной техники, космических аппаратов.

Большое количество электрической энергии потребляет элек
трифицированный городской и железнодорожный транспорт. Эксплуатация электрифицированного железнодорожного транспорта 
позволяет увеличивать пропускную способность железных дорог за 
счет увеличения скорости движения поездов, повышать экономию 
топлива, снижать себестоимость перевозок, к тому же электрический транспорт не загрязняет окружающую среду.

Электрическая энергия в быту является основой обеспечения

комфортабельной жизни людей, в частности, практически единственным видом энергии для искусственного освещения.

Таким образом, электроэнергетика является важной частью 

жизнедеятельности человека. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества и возможности 
научно-технического прогресса.

ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ
СПЕЦИАЛИСТОВ

Почти все промышленные станки, агрегаты и установки в раз
ной степени оснащены электротехническими элементами и устройствами различной сложности. В связи с этим электротехническая 
подготовка является актуальной для специалистов, работающих 
во всех сферах производственной деятельности. Уровень электротехнической подготовки должен быть таким, чтобы специалисты 
неэлектротехнических специальностей могли грамотно выбирать 
и правильно эксплуатировать необходимые электротехнические, 
электронные, электроизмерительные устройства, составлять совместно со специалистами-электриками технические задания на 
разработку электрических частей промышленного оборудования и 
автоматизированных установок для управления производственными процессами. 

Электротехника с основами электроники – дисциплина, объе
диняющая знания в области двух взаимосвязанных отраслей науки 

Введение

и техники: электротехники и электроники. Такое объединение позволяет:

– глубже понять взаимосвязь электротехники и электроники;
– грамотно использовать изучаемые в электротехнике физиче
ские основы электромагнитных явлений и методы расчета электрических цепей при анализе и синтезе схем электроники, в которых 
используются как линейные, так и нелинейные электронные приборы, компоненты;

– ориентировать изучаемый в рамках электротехники матери
ал на конкретное применение при решении задач, относящихся к 
электронике.

Электротехника – отрасль науки и техники, связанная с по
лучением, преобразованием и использованием электрической энергии в практической деятельности человека, охватывающая вопросы применения электромагнитных явлений в различных отраслях 
промышленности и в быту. 

Электроника – отрасль науки и техники, связанная с создани
ем и описанием физических принципов работы новых электронных приборов и устройств или электронных схем на их основе.

РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ

Электроэнергетика Республики Беларусь – это объединенная 

энергетическая система, которая представляет собой постоянно 
развивающийся высокоавтоматизированный комплекс, объединенный общим режимом работы и единым централизованным диспетчерским управлением. Отрасль надежно и бесперебойно осуществляет выработку, передачу и распределение электрической и 
тепловой энергии. 

Современное состояние электроэнергетики Беларуси сформи
ровалось благодаря интенсивному развитию отраслей топливноэнергетического комплекса в 1960–1970-х гг. В этот период были 
построены несколько электростанций, электрических и тепловых 
сетей, газо- и нефтепроводов.

Производственный потенциал энергосистемы Беларуси включа
ет 27 крупных электростанций; 25 районных котельных; 260 тыс. км
линий электропередачи напряжением 0,4–750 кВ; 6,8 тыс. км линий 
электропередачи напряжением 220–750 кВ (эти линии являются 
системообразующими и обеспечивают межсистемные связи с энер

Введение

госистемами России, Украины, Литвы и Польши); около 5 тыс. км
тепловых сетей. 

После 1991 г. развитие отрасли замедлилось, что было обуслов
лено общим экономическим спадом и снижением энергопотребления. Так, в 1995 г. электропотребление находилось на самом низком 
уровне – 32 млрд кВт∙·ч, или на 34,5 % ниже, чем в 1990 г. Вместе с 
тем имеющаяся мощность электростанций позволяет вырабатывать 
около 45 млрд кВт∙·ч электроэнергии. 

Республика Беларусь не только производит, но и импортирует 

электрическую энергию. Импорт электрической энергии в объеме 
общего потребления свидетельствует об экономической целесообразности ее приобретения, что обусловлено отставанием цен на газообразное топливо по сравнению с мазутом, а также высокой степенью интегрированности белорусской и российской энергосистем.

На тепловые электроцентрали, производящие комбинирован
ную выработку электрической и тепловой энергии, приходится 
52,5 % всей вырабатываемой электроэнергии, а тепловые государственные районные электростанции (ГРЭС и ТЭЦ), производящие 
электрическую энергию, вырабатывают 43,8 %. Остальную часть 
электрической энергии вырабатывают 25 малых гидроэлектростанций (ГЭС) общей установленной мощностью 11,9 МВт и 19 блокстанций установленной мощностью 163,1 МВт. 

Наиболее крупными ГЭС в Беларуси являются Осиповичская на 

р. Свислочь (2,2 тыс. кВт) и Чигиринская на р. Друть (1,5 тыс. кВт); 
наиболее крупными тепловыми электростанциями – Березовская 
ГРЭС (995 МВт), Новополоцкая ТЭЦ (505 МВт), Минская ТЭЦ-4 
(1030 МВт), Гомельская ТЭЦ (540 МВт).

На Оршанской ТЭЦ принята в эксплуатацию парогазовая уста
новка мощностью 67 МВт – первая не только в Республике Беларусь, но и в странах ближнего зарубежья, что позволило повысить 
КПД станции почти до 60 %.

Значительный прирост мощности энергосистемы Республики 

Беларусь и повышение эффективности ее функционирования произошли за счет ввода в эксплуатацию Минской ТЭЦ-5, новых турбоустановок вместо демонтированных на Пинской ТЭЦ (6 МВт), 
могилевских ТЭЦ-1 (6 МВт) и ТЭЦ-2 (60 МВт). Особое внимание 
было уделено полному переводу теплоэлектроцентралей с мазута 
на газ.

Важную роль для экономии электроэнергии играет автомати
зация производственных процессов и отдельных технологических 
установок. В частности, автоматизация компрессорных станций 

Введение

сжатого воздуха снижает расход электроэнергии примерно на 10 %, 
автоматическое регулирование и управление вентиляционными 
установками в зависимости от температуры наружного воздуха – 
на 10–15 %, автоматическое управление электрическим освещением – на 15 %, автоматизация и телемеханизация технологических 
процессов – на 20–30 %. Внедрение ограничителей холостого хода 
сварочных трансформаторов позволяет сэкономить около 5 % потребляемой ими активной электроэнергии. Применение электронных систем возбуждения синхронных электродвигателей снижает 
их электропотребление примерно на 10 %.

Активное внедрение описанных и других энергосберегающих 

мероприятий и своевременная замена устаревшего энергетического 
оборудования позволили сократить удельные расходы топлива на 
отпущенную электрическую и тепловую энергию и вывести их на 
уровень ведущих мировых аналогов.

Определенное внимание в электроэнергетике Беларуси уделяет
ся внедрению нетрадиционных источников энергии. Так, был осуществлен пуск ветроэнергетической установки (ВЭУ) в дер. Дружная Мядельского района Минской области. Однако массовое использование существующих способов получения электроэнергии с 
помощью традиционных лопастных ВЭУ в условиях Беларуси экономически не оправдано из-за характерных для страны слабых континентальных ветров. По этой причине областью применения ВЭУ 
могут быть только привод насосных установок небольшой мощности и подогрев воды в сельскохозяйственном производстве. 

В течение нескольких последних лет на республиканском уров
не разработаны и одобрены Концепция Национальной стратегии 
устойчивого развития и Основные направления энергетической политики Республики Беларусь.

В развитие и уточнение этих документов с учетом изменения 

внутренних и внешних факторов развития Республики Беларусь 
был разработан топливно-энергетический баланс страны на период 
до 2020 г., в котором также большое место отведено вопросам дальнейшего развития электроэнергетики. 

Потребление электроэнергии в республике в 2020 г. вырастет 

до 41 млрд кВт·∙ч (на 23 % выше уровня 2000 г.). Импорт электроэнергии не превысит 4 млрд кВт∙·ч и в зависимости от конъюнктуры 
рынка может быть прекращен, поскольку установленная мощность 
собственных генерирующих источников позволит обеспечить необходимый объем производства электроэнергии.

Введение

Прогноз структуры потребления электрической и тепловой 

энергии по отраслям экономики на 2020 г. определен исходя из динамики макроэкономических показателей развития народного хозяйства и реализации потенциала энергосбережения в республике. 
Ожидается уменьшение потребления электроэнергии промышленностью на 13 %, а основным потребителем электроэнергии станет 
коммунально-бытовой сектор.

Следует отметить, что в перспективе до 2020 г. основным ви
дом топлива для производства электроэнергии и тепла останется 
природный газ. Однако его доля должна быть снижена до 60 % от 
общего потребления котельно-печного топлива за счет увеличения 
потребления электроэнергетикой мазута до 4,2 млн т условного топлива (у. т.), использования 1,75 млн т у. т. угля, 3,7 млн т у. т. дров, 
гидроэнергетических ресурсов. 

В настоящее время в г. Островце Гродненской области ведется 

строительство атомной электростанции (Белорусской АЭС). Строительство Белорусской АЭС осуществляется по проекту «АЭС – 2006»,
который полностью соответствует международным нормам и рекомендациям Международного агентства по атомной энергии 
(МАГАТЭ). Белорусская АЭС будет состоять из двух энергоблоков 
суммарной мощностью до 2400 (2×1200) МВт. Первый энергоблок 
планируется ввести в эксплуатацию в 2018 г., второй – в 2020 г.

Введение в строй Белорусской АЭС позволит:
– укрепить энергетическую безопасность страны;
– снизить себестоимость производства электроэнергии;
– уменьшить темпы роста тарифов на отпуск электроэнергии. 

По расчетам ученых Национальной академии наук (НАН) Беларуси 
с пуском Белорусской АЭС себестоимость электроэнергии в целом по 
энергосистеме снизится примерно на 20 %;

– сократить выбросы парниковых газов в атмосферу;
– вывести из действия устаревшие и малоэффективные гене
рирующие мощности;

– сократить годовой объем закупок природного газа на 

4–5 млрд м3;

– прекратить закупки электроэнергии за рубежом.

1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

1.1.1. Краткие сведения о строении вещества
Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из элемен
тарных частиц, которые сохраняют все свойства вещества.

Молекула – это химическая комбинация двух или более ато
мов – наименьших частиц элемента, которые сохраняют химические характеристики элемента. 

Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и 

нейтроны сгруппированы в центре атома и образуют ядро. 

Протон имеет элементарный заряд, которому условно припи
сан положительный знак. 

Нейтроны заряда не имеют. 
Электрон имеет отрицательный заряд. Электроны расположе
ны на различных расстояниях от ядра и вращаются по замкнутым 
орбитам (рис. 1.1). 

Электроны

Ядро

Рис. 1.1. Схема строения атома

Внешняя орбита называется валентной, а количество электро
нов, которое она содержит, – валентностью. Чем дальше от ядра 
расположена валентная орбита, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким обра

1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

зом, потенциальная возможность атома присоединять или терять 
электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и 
расположена достаточно далеко от ядра. 

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если 

эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, то они 
могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещаясь от атома к атому.

Атом, имеющий одинаковое число электронов и протонов, 

электрически нейтрален. Атом, у которого электронов больше, чем 
протонов, является отрицательно заряженным. Атом, имеющий 
меньше электронов по сравнению с количеством протонов, является положительно заряженным. 

Разноименно заряженные частицы или тела притягиваются 

друг к другу, одноименно заряженные – отталкиваются.

Элементарный отрицательный заряд по величине равен эле
ментарному положительному заряду. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). Величина элементарного заряда е = 1,6⋅10–19 Кл.

Движущиеся электрические заряды неразрывно связаны с 

окружающим их электромагнитным полем, которое представляет 
собой один из видов материи. 

Электромагнитное поле характеризуется двумя взаимосвязан
ными составляющими: электрическим полем и магнитным полем.

1.1.2. Характеристики электрического поля

Электрическое поле – одна из форм материи. Оно обладает 

свойством действовать на внесенные в него заряды с некоторой силой. Поле, окружающее неподвижные заряды, называется электростатическим.

Каждый электрический заряд окружен созданным им электри
ческим полем. Заряд, с помощью которого исследуют это электрическое поле, называют пробным зарядом. 

Опытами французского физика Ш. Кулона было установлено, 

что электрическое поле точечного заряда Q1 (рис. 1.2) действует 
на помещенный в это поле второй пробный точечный заряд Q2 с 
силой F. 

Электрические заряды Q1 и Q2 либо притягиваются друг к дру
гу, либо отталкиваются друг от друга. Это явление объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов, один 
из которых называют положительным, а другой – отрицательным 
(рис. 1.2).