Электротехника

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

А.Л. МАРЧЕНКО

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по техническим направлениям подготовки 
(квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 4 от 13.04.2022)

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73
 
М30

Р е ц е н з е н т :
Ю.Е. Бабичев, кандидат технических наук, профессор Национального 
исследовательского 
технологического 
университета 
«МИСиС»

ISBN 978-5-16-017056-5 (print)
ISBN 978-5-16-109627-7 (online)
© Марченко А.Л., 2022

Марченко А.Л.
М30  
Электротехника : учебное пособие / А.Л. Марченко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2022. — 236 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/1587594.

ISBN 978-5-16-017056-5 (print)
ISBN 978-5-16-109627-7 (online)
В учебном пособии рассмотрены анализ и расчет электрических и магнитных цепей, изучены назначение, устройство и функционирование электромагнитных уст ройств, транс форматоров и электрических машин. Отдельная глава посвящена основам электроприводов — в частности, выбору 
мощности электродвигателей для приводов с разными режимами работы 
и их проверке по нагреву и перегрузочной способности.
Систематическое изложение материала модуля 1 «Электротехника» 
соответствует требованиям  к результатам освоения базовой дисциплины 
«Электротехника и электроника», входящей в профессиональный цикл 
дисциплин основных образовательных программ федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования подготовки 
бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей.
Для студентов высших учебных заведений, обучающих ся по не элек тротех ни че ским нап равлениям подготовки бакалавров и дипломированных 
специалистов.

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Предисловие

Учебное пособие посвящено изучению материалов, входящих 
в модуль 1 «Электротехника» дисципли ны «Электротехника 
и электроника», и предназначено для студентов вузов, обучающихся 
по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров 
и дипломированных специалистов в области техники и технологий.
Электротехника — научно-техническая отрасль, связанная 
с применением электрических и магнитных явлений для преобразования и передачи энергии, получения химического вещества и изменения его состава, производства и обработки материалов, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования 
элек т рической энергии в практической деятельности человека.
Электротехника и электроника — современная дисциплина 
быстро развива ющихся областей человеческого знания. Новые 
научные открытия и достижения электротехники и электроники, 
новые методы и средства анализа и синтеза цепей и устройств 
должны находить свое отражение в преподавании учебного курса, 
обновляя и пополняя его содержание.
Подготовка компетентных бакалавров и инженеров вызвана необходимостью изучения комплекса электромагнитных процессов, 
происходящих в электротехнических устройствах и системах, и направлена прежде всего на усиление экспериментального компонента 
деятельности студентов и расширение сектора самостоятель ной 
учебной работы, чтобы обеспечить выполнение тре бований стандартов к формированию соответствующих компетенций студентов 
при реализации программ электротехнической подготовки.
В примерных учебных планах подготовки специалистов в области техники и технологий трудоемкость дисциплины «Электротехника и электроника» колеблется от 216 до 288 ч при их разбивке 
на два модуля для изучения в двух семестрах: модуль 1 «Электротехника» и модуль 2 «Электроника» (табл. П1).
В последние годы по дисциплине «Электротехника и электроника» был выпущен ряд учебников, например, [1]—[3], [5], [6], 
[9]. Однако вынужденный перевод технических вузов полностью 
или частично на дистанционную форму обучения студентов в связи 
с пандемией вызвал необходимость отправки учебных материалов 
студентам по е-mail или записи и ведения занятий с помощью программных сред образования типа Zoom, Moodle, Micro soft Teams 
и др.

Таблица П1

Распределение трудоемкости дисциплины «Электротехника 
и электроника» по модулям и видам учебной работы (ч)

Вид учебной работы
Всего
Модуль

1 «Электро- 
техника»
2 «Электроника»

Общий объем аудиторных занятий 
(АЗ) (всего),
в том числе:

144
72
72

Лекции (ЛК)
48
24
24

Доля лекционных часов от АЗ 
по дисци плине, %
33
33
33

Лабораторные работы (ЛР)
48
24
24

Практические занятия (ПЗ)
32
16
16

Контроль самостоятельной работы 
(тестирова ние, коллоквиумы, контрольные работы) (КСР)

16
8
8

Доля интерактивных форм обучения 
от АЗ по дисциплине, %
25
25
25

Общий объем самостоятельной работы 
(СР),
в том числе:

144
72
72

Курсовые работы (КР)
48
24
24

Подготовка к сессиям тестирования
8
4
4

Оформление отчетов и подготовка 
к защите ЛР
16
8
8

Вид промежуточной аттестации (экзамены): 2
72
36
36

В основу данного учебного пособия, соответствующего модулю 1 
«Электротехника», положен учебник для вузов [5].
Небольшой объем учебного пособия связан не с его преднамеренным упрощением, а с отказом от рассмотрения формально-расчетных методов анализа электромагнитных процессов в электрических цепях, многих частных вопросов и концентрацией внимания 
на общих положениях и методах анализа электрических и магнитных цепей, электромагнитных устройств, трансформаторов 
и электрических машин.
Представляется, что такое изложение материала модуля 1 
«Элек тротехника» принесет оп ре деленную пользу студентам в его 

изучении и подготовит их к выполнению лабораторных [4] и курсовых [8] работ по электротехнике, а также к освоению последующих профессио нальных дисциплин.
В результате изучения модуля 1 «Электротехника» студент 
будет:
знать
 
• основные определения и математические модели объектов электротехники, возникающие в них электромагнитные процессы;
 
• принципы функционирования, устройство, области применения 
и потенциальные возможности основных электромагнитных 
устройств и электрических машин;
уметь
 
• объяснять и описывать электромагнитные процессы в электрических и магнитных цепях и устройствах;
 
• составлять и рассчитывать параметры простых электрических 
цепей;
 
• экспериментальным способом и на основе каталожных данных 
определять параметры и строить характеристики типовых электромагнитных устройств и машин;
владеть
 
• навыками использования современных методов электротехники при описании, анализе, теоретическом и экспериментальном исследовании электромагнитных явлений и процессов 
в объеме, необходимом при изучении специальных дисциплин 
и в профессио нальной деятельности;
 
• навыками планирования и практического выполнения действий, 
составляющих указанные умения в отведенное на выполнение 
контрольного задания время, используя стандартные программные средства компьютерного схемотехнического моделирования и анализа электронных устройств типа Мultisim, Mathcad, 
Labview и др.
Автор выражает благодарность издательству «ИНФРА-М» 
за конструктивное сотрудничество при подготовке издания данного 
пособия.

Глава 1. 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ 
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Приведены определе ния основных электрических величин: 
тока, напряжения, потенциала и ЭДС; рассмотрены компонентные 
уравнения пассивных элемен тов цепи (резистора, катушки индуктивности, конденсатора); изучены вольтампер ные характеристики 
источ ников энергии (источника напряжения и источника тока), топологические параметры схем цепей (ветвь, узел и контур), законы 
Ома и Кирх гофа, баланс мощностей в цепях постоянного тока.
Дидактические единицы:
 
• основные понятия и определения;
 
• элемен ты и параметры схем цепей;
 
• преобразование источников энергии;
 
• топологические параметры цепей;
 
• законы Ома и Кирхгофа;
 
• баланс мощностей в цепях постоянного тока.

1.1. ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ ЦЕПЕЙ

1.1.1. Основные понятия и определения
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 освоения методов анализа 
и синтеза электрических цепей и устройств сводится к свободному 
оперированию терминами, обозначениями и закономерностями 
дисциплины и использованию вычислительных устройств (ВУ) 
для реализации этих методов.
Термины и определения основных понятий электротехники 
установлены ГОСТ Р 52002–2003 «Электротехника. Термины 
и определения основных понятий»; они обязательны для применения во всех видах документации и литературы по электротехнике.
Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы 
в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Электрический ток проводимости — явление направленного 
движения свободных носителей электрического заряда q в веществе или пустоте, количествен но характеризуемое скалярной величиной, равной производной по времени от элект рического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность, т.е. i = dq/dt. Из этого уравнения получим 
единицу тока:

 
[i] = [q]/[t] = Кл/c = A · c/c = A (ампер).

Электрический ток переноса — явление переноса электрических 
зарядов телами. Количественно он характеризуется 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, где D — электрическое смещение.
Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме 
электрическог о тока проводимости, электрического тока переноса 
и электрического тока смещения сквозь рас сматриваемую поверхность.
Постоянный электрический ток (далее — ток) — неизменное 
и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). 
При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка 
времени Δt переносится одинаковый заряд Δq. Поэтому ток I = q/t, 
где q — весь заряд (Кл) за время t (с).
Условное по ложительное 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. ток протекает от точки с большим 
потенциалом ϕa к то ч ке с меньшим потенциалом ϕb, вызывая падение электрического напряжения (далее — напряжение) на сопротивлении этого участка: U = ϕa – ϕb.
Потенциал электрический ϕa точки а — работа, которую нужно 
выполнить, что бы перенести единицу заряда (1 Кл) из данной 
точки в бесконечность (где нет электрического по ля).
Электрическое напряжение — работа, затрачиваемая на перенос 
единицы заря да (1 Кл) из точки а в точку b поля напряженностью E

по произвольному пути и рав ная линейному интегралу напряженности электрического поля вдоль этого пу ти. Однозначно определяют только разность потенциалов (напряжение) между соответствующими точками. Когда говорят о потенциале точки электрической це пи, то подразумевают разность потенциалов между этой 
и другой (обыч но заземленной) точкой, потенциал которой принимают равным нулю. Из данного определения получают единицу 
напряжения (потенциала):

 
[U] = [В/м ⋅ м] = B (вольт).

Электродвижущая сила E (ЭДС E) — скалярная величина, 
характе ризующая способность стороннего поля и индуцированного электрическо го по ля вызывать электрический ток, численно 
равный работе (энергии) W в джо улях (Дж), затрачиваемой этим 
полем на перемещение единицы заряда (1 Кл) из одной точки поля 
в другую. Из данного определения получим единицу ЭДС:

 
[E] = [W]/[q] = Дж/Кл = В · А · с/А · с = В (вольт).

Тогда напряжение (разность потенциалов) 1 В равно 1 Дж 
энергии для перемещения 1 Кл заряда из одной точки проводника 
в другую.

1.1.2. Состав и схемы электрических цепей
Состав любой электрической цепи (рис. 1.1):

Электрическая цепь

Источники 
энергии

Вспомогательные 
элементы

Приемники 
энергии

Рис. 1.1

 
• источники энергии — активные элемен ты, преобразующие различные виды энергии в электрическую (генераторы электрических станций, аккумуляторы и солнечные батареи, термопары 
и др.);
 
• приемники (преобразователи энергии, часто называемые нагрузкой), в которых электрическая энергия преобразуется 
в другие виды энергии — тепловую, механическую, световую, 
химическую и др.;

• вспомогательные элемен ты — провода, выключатели, предохранители, регуляторы тока, измерительные приборы, разъемы 
и др.
Появление электрического тока в электрической цепи невозможно без источников электрической энергии, которые преобразуют механическую, тепловую, све то вую и другие виды энергии 
в электрическую. При этом в ис точнике так назы ваемыми сторонними силами создается электрическое поле нап ряженностью E
, 
кото рое, действуя на заряженные частицы, разделяет их таким 
образом, что на одном зажиме (обозначаемом знаком «+») источника накапливают ся положи тельные заряды, а на другом (обозначаемом знаком «–») — отрицательные (элек троны).
При подключении к зажимам источника энергии объектов 
и устройств, создающих вместе с источником замкнутый контур — 
электрическую цепь, в этих уст ройствах электроны перемещаются 
от отрицательного зажима источника к положительному, нейтрализуя недостаток электронов на зажиме «+». В это же время сторонние силы в источнике разделяют заряды, обеспечивая их непрерывное движение (электрический ток) в цепи. Говорят, что движение электрических зарядов в цепи происходит под действием 
электродвижущей силы источника.
Электрические цепи принято изображать в виде электрических 
схем.
Схема электрической цепи — ее графическое изображение, содержащее условные обозначения элемен тов цепи и показывающее 
соединения этих элемен тов.
ГОСТ 2.701–84 устанавливает общие правила выполнения схем, 
типы схем и их ши фры: структурная (Э1), функцио нальные (Э2), 
принципиальная (полная, Э3), соединений (монтажная, Э4), подключения (Э5), общая (Э6), расположения (Э7) и др.
При анализе электрических цепей их меняют на схемы замещения.
Схема замещения электрической цепи — расчетно-математическая модель элек трической цепи, содержащая идеальные пассивные 
(резистивные, индуктивные и емкостные) и активные (источники 
напряжения и источники тока) элемен ты. Указанные элемен ты являются эквивалентами (моделями) реальных устройств цепи, которым теоретически приписываются определенные электрические 
и магнитные свой ства, отражающие главные (доминирующие) процессы в элементах цепи.
На рис. 1.2 приведены принципиальная (а) и монтажная (в) 
схемы, а также схема замещения (б) электрической цепи для ис

пытания двух нагревательных элемен тов — ЭН1 (R1) и ЭН2 (R2). 
В цепи установлены предохранитель Пр (FU), выключатель Вык 
(S), амперметр (А) и аккумуляторная батарея Акк (Е). Внешние металлические части элемен тов цепи (выключателя, амперметра, нагревательных элемен тов) в целях электробезопасности соединены 
с заземленной шиной.
Элемен ты цепи соединены проводами марки ПВ (ГОСТ 6323–79) 
сечением 4 мм 2. На схеме замещения электрической цепи (далее — 
на схеме электрической цепи) (см. рис. 1.2, б) реальные элемен ты 
заменены расчетными моделями, а все вспомогательные элемен ты, 
не влияющие на результаты ее расчета для практических применений, исключены.

1
1
2

2

1

2

3 4
5

ЭН1 ЭН2
Амперметр

Вык

Акк

Пр
Шина

заземления

в

2

3
4

S

A

a
5

5

5
б

E

E

U

I
FU

R1
R1
R2
R2

Рис. 1.2

1.1.3. Пассивные элементы цепей
Пассивными называют элемен ты, которые не могут генерировать электрическую энергию. К пассивным элементам относят резисторы, индуктивные катушки и кон денсаторы (рис. 1.3).

Пассивные элементы цепи

Резистор
Индуктивная 
катушка
Конденсатор

Рис. 1.3