Основы электротехники и электроники. Практикум

 
Д. П. Андрианов, В. И. Афонин, Н. П. Бадалян 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ  
И ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРАКТИКУМ 
 
Учебное пособие 
 














Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
 2022 
1 

УДК 621.316 
ББК 31.2 + 32.85 
А65 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники 
КГТА им. В. А. Дегтярева Чащин Е. А.; 
кандидат технических наук, доцент кафедры БЭСТ (ИИТР ВлГУ) 
Евграфов В. В. 
 
 
 
 
Андрианов, Д. П. 
А65 
Основы электротехники и электроники. Практикум : учебное пособие / Д. П. Андрианов, В. И. Афонин, Н. П. Бадалян. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2022. – 180 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0810-3 
 
 
Изложены базисные процессы, протекающие в электрических и электронных элементах, устройствах и схемах. Представлены теоретические материалы, 
рекомендации и методические указания, необходимые для проведения лабораторных, практических занятий и самостоятельной работы. Показаны примеры 
решения задач с помощью пакета MathCad. 
Для студентов направлений «Материаловедение и технологии материалов», «Управление в технических системах», «Информационно-аналитические 
системы безопасности», «Мехатроника и робототехника», «Автоматизация технологических процессов и производств». 
 
УДК 621.316 
ББК 31.2 + 32.85 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0810-3 
” Андрианов Д. П., Афонин В. И., Бадалян Н. П., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебно-практическое пособие включает в себя теоретические материалы, рекомендации и методические указания, необходимые для проведения 
лабораторных, практических занятий и самостоятельной работы студентов 
дневной и контрактно-заочной форм обучения. 
Составлены применительно к действующим учебным планам подготовки бакалавров неэлектрических направлений. 
Учебно-практическое пособие состоит из двух разделов, посвященных электротехнике и электронике. В каждом разделе последовательно изложены теоретические сведения, материалы для проведения лабораторных, 
практических и самостоятельных работ студентов. 
Лабораторные работы рассчитаны на 4 академических часа, проводимых за семестр. Практические занятия рассчитаны на 2 академических 
часа. При проведении занятий предпочтительно использование математического пакета MathCad. В пособии представлены примеры решения задач 
с помощью пакета MathCad. 
Теоретическая часть к каждому из разделов содержит краткие базисные сведения, позволяющие уяснить физический смысл процессов, протекающих в электрических и электронных элементах, устройствах и схемах. 
Решение предлагаемых задач прививает навыки практического применения теоретических знаний, показывает связь количественных и качественных характеристик. 
Выполнение лабораторных работ и практических расчетов направлено на развитие и закрепление у студентов понимания физической сущности изучаемых процессов. 
В рекомендуемом списке литературы приведены ссылки на адреса доступа к источникам в Интернете. 
 
 
3 

РАЗДЕЛ 1 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
 
 
1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 
 
Базовые понятия 
 
1. Электротехника – отрасль науки и техники, связанная с получением, преобразованием и использованием электрической энергии в 
практической деятельности человека, охватывающая вопросы применения электромагнитных явлений в различных отраслях промышленности и в быту.  
2. Названия, обозначения и единицы измерения основных электрических величин электротехники приведены в табл. 1.1. 
Таблица 1.1 
Название 
Обозначение 
Единица измерения 
Сила тока 
I 
Ампер 
А 
Напряжение 
V 
Вольт 
В 
Проводимость 
G 
Симменс 
См 
Ом 
Ом 
 
R 
X 
Z 
Сопротивление 
x активное 
x реактивное 
x полное 
Индуктивность 
L 
Генри 
Гн 
Электрическая емкость 
 
C 
Фарада 
Ф 
Электрический заряд 
q 
Кулон 
Кл 
Магнитная индукция 
B 
Тесла 
Тл 
Магнитный поток 
Ф 
Вебер 
Вб 
Энергия 
A 
Джоуль 
Дж 
 
Вт 
В.Ар 
В.А 
 
P 
Q 
S 
 
Ватт 
Вольт-ампер реактивный 
Вольт-ампер 
Мощность 
x активная 
x реактивная 
x полная 
Частота электрического 
тока 
f 
Герц 
гц 
4 

3. Наиболее часто употребительные дольные и кратные единицы физических величин электротехники приведены в табл. 1.2. 
 
Таблица 1.2 
Кратные единицы 
Дольные единицы 
приставка 
множитель 
приставка 
множитель 
тера 
1012 
милли 
10–3 
гига 
109 
микро 
10–6 
мега 
106 
нано 
10–9 
кило 
103 
пико 
10–12 
 
4. Электрический ток – направленное движение электрических зарядов в веществе или вакууме под воздействием электромагнитного 
поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А).  
Сила тока в 1 ампер [A] соответствует заряду в 1 кулон, протекающему через поперечное сечение за 1 секунду. 
Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по 
двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной 
длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на участке 
проводника длиной 1 метр силу взаимодействия 2 10–7 ньютон. 
5. Для установившихся режимов различают два вида электрических 
токов:  
– постоянный – ток, который может изменяться по величине, но не 
изменяет своего знака сколь угодно долгое время;  
– переменный – ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. 
6. Напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрического поля. 
Напряжение 1 вольт [B] – разность потенциалов между двумя точками, когда при прохождении между ними положительного заряда 
в 1 кулон совершается работа в 1 джоуль (выделение мощности  
1 ватт при токе 1 ампер). 
7. Сопротивление определяет силу тока, текущего по электрической 
цепи при заданном напряжении. 
5 

Сопротивление 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором устанавливается ток в 1 ампер при напряжении 1 вольт на его 
концах. 
Электрическое сопротивление проводника 
R = ȡ 
௅
ௌ , 
где   ȡ – удельное сопротивление [
ʝˏ ˏˏమ
ˏ
], 
L – длина проводника [м], 
S – поперечное сечение проводника [мм2]. 
Зависимость сопротивления от температуры 
R = R0 (1 + Į (t - t0)), 
где   R и R0 – сопротивление проводника при конечной t и начальной t0 температурах, 
Į – температурный коэффициент. 
Проводимость – величина обратная сопротивлению. 
Проводимость 1 симменс [см] равна величине, обратной 1 Ом. 
8. Электродвижущая сила источника – работа сторонних сил при перемещении единицы положительного заряда. 
9. Работа электрического тока [дж] 
W = U . I . t = 
௎మ
ோt = I2 . R . t. 
10. Мощность электрического тока [Вт] 
P = U . I = 
௎మ
ோ = I2 . R. 
Активная мощность электрической цепи – [ватт] – мощность электрической цепи эквивалентная механической мощности 1 Вт. 
Реактивная мощность электрической цепи – [вар] – мощность электрической цепи с синусоидальным переменным током при sin ij = 1 и действующих значениях напряжения 1 В и силы тока 1 А. 
Полная мощность электрической цепи – [вольт-ампер] – мощность 
электрической цепи с действующими значениями напряжения 1 В и силы 
тока 1 А. 
11. Электрическая емкость – [фарада] – емкость конденсатора между 
обкладками которого при заряде 1 Кл возникает напряжение 1 В. 
6 

12. Индуктивность – [генри] – индуктивность контура, с которым 
при силе постоянного тока в нем 1 А сцепляется магнитный поток 
1 Вб. 
13. Магнитный поток – [вебер] – магнитный поток, при убывании которого до нуля в контуре, сцепленном с этим потоком с сопротивлением 1 Ом проходит количество электричества 1 Кл. 
14. Наиболее часто употребляемые основные электрические величины электротехники:  
x сила тока I, 
x напряжение V, 
x сопротивление R, 
x мощность P. 
Взаимосвязь между указанными электротехническими параметрами 
показана на диаграмме рис. 1.1. 
 
 
 
Рис. 1.1. Взаимосвязь между основными электротехническими параметрами 
 
Электрический ток в различных средах 
1. Металлы – вещество, имеющее ионную кристаллическую решетку, 
между узлами решетки находятся в свободном состоянии электроны в виде электронного газа. Проводимость металлов электронная. 
Скорость движения электронов 10–4 м/с, скорость распространения 
электрического тока – 3.108 м/с. 
7 

Тепловое действие электрического тока – выделение энергии при 
столкновении электронов с узлами кристаллической решетки. 
Сопротивление металлов прямо пропорционально температуре. 
Возможно состояние сверхпроводимости – потери электрического сопротивления – в условиях сверхнизких температур. 
2. Вакуум – разреженное пространство, отсутствие вещества. Проводимость определяется наличием свободных носителей заряда. 
Электровакуумные приборы основаны на явлении термоэлектронной эмиссии – образовании в вакууме около нагретого электрода 
электронного газа, который начинает перемещаться с образованием электрического тока при наложении на него разности потенциалов. 
3. Полупроводники – материал, способный менять свою электрическую проводимость в зависимости от внешнего воздействия (температура, свет, заряды). Проводимость полупроводников электронная и дырочная. 
В электронике применяют примесные полупроводники, когда в кристаллическую решетку внедряют атомы, обеспечивающие проводимость: 
x n-типа (донорная) – избыток свободных электронов, 
x p-типа (акцепторная или дырочная) – недостаток свободных 
электронов. 
4. Газы – появление электрического тока (газового разряда) возможно 
только при ионизации атомов газа. Проводимость газов ионная и 
электронная. Возможны следующие типы газовых разрядов: 
x тлеющий при высоком напряжении и низком давлении, 
x дуговой при высоких температурах, 
x коронный при неоднородности электрического поля, 
x искровой при высоком напряжении и атмосферном давлении. 
5. Жидкости проводят электрический ток при наличии в них свободных носителей электрических зарядов. Проводимость жидкостей 
ионная, сопровождается переносом вещества. 
Электролит – раствор солей, кислот, оснований. Прохождение тока 
через электролит сопровождается выделением вещества на электроде. 
8 

Типовые вольт-амперные характеристики сред, проводящих электрический ток приведены в табл. 1.3. 
Таблица 1.3 
Металлы 
 
Вакуум 
 
Полупроводники 
 
Газы 
 
Жидкости 
 
 
Электрические цепи 
1. Электрическая цепь – совокупность генерирующих, приемных и 
вспомогательных устройств, соединенных между собой электрическими проводами. 
2. Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением R (резисторы), характеризуются вольт-амперной характеристикой – зависимостью I(U) или U(I). Сопротивление R и проводимость g=
ଵ
ோ есть параметры электрической цепи. Электрическая 
цепь, электрическое сопротивление участков которой не зависит от 
значений и направлений токов и напряжений в цепи, называется линейной электрической цепью. 
9 

3. Схема электрической цепи – графической изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее их соединение. В схему включают идеализированные 
элементы, которые являются математической моделью, описывающей физические явления в реальном элементе. Геометрическая конфигурация схемы характеризуется понятиями ветвь, узел, контур, 
граф, дерево графа и т. п. 
4. Активные элементы электрической цепи – те, в которых индуцируется ЭДС. Все прочие электроприемники и соединительные провода являются пассивными элементами. В пассивных элементах 
электрическая энергия рассеивается или накапливается. 
Примеры топологических элементов схемы приведены в табл. 1.4. 
5. Расчет сложной (многоугольной) электрической цепи, имеющей m 
ветвей с активными и пассивными элементами и h узлов, сводится 
к определению величины и направления токов отдельных ветвей, а 
также напряжений на зажимах элементов, входящих в данную цепь. 
Эту задачу решают с помощью уравнений, вытекающих из законов 
Кирхгофа. 
 
Таблица 1.4 
Топологические элементы 
схемы 
Пример 
Ветвь – участок электрической 
цепи, вдоль которого протекает 
один и тот же ток 
 
Топологические элементы схемы 
Узел – место соединения трех 
или большего числа ветвей 
 


10