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 621.3(075.8)
ББК 31.2я73
 
М30

© Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф., 
2015

ISBN 978-5-16-016221-8 (общий)
ISBN 978-5-16-009061-0 (т. 1, print)
ISBN 978-5-16-102956-5 (т. 1, online)

Марченко А.Л.
М30  
Электротехника и электроника : учебник : в 2 т. Т. 1 : Электротехника / А.Л. Марченко, Ю.Ф. Опадчий. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 
574 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/11305.

ISBN 978-5-16-016221-8 (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 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 621.3(075.8)
ББК 31.2я73

Р е ц е н з е н т ы:
Немцов М.В., доктор технических наук, профессор (НИЯУ 
«МИФИ»);
Бабичев Ю.Е., кандидат технических наук, профессор (МГГУ)

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга «Электротехника» является первой частью учеб
ника «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 инфор
матика» 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 учеб
ники 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 циф
ровая 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 «Элек
тротехника 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 ВО последнего поколения 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 online 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 ЭБС 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.

 

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 совре
менного 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 элект
рической 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, исполь
зующие 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 при
менением 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 ориентиро
ванных, 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 образова
тельных 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 электромаг
нитных 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 элект
роника» 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 элек
тротехники 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 электротех
ники 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, обра
зующих 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 дви
жения 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, осуществля
емый 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 од
нонаправленное 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 источ
ника 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