Занимательная физика. Электрические цепи : манга

Занимательная физика

Электрические цепи 

Манга

О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н А Я  М АН ГА
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ЦЕПИ

Иида Ёсикадзу 
Ямада Гарэки

Перевод  
с японского 
Клионского А.Б.

Москва 
ДМК Пресс, 2023

2-е издание,
электронное

УДК 621.3.011.7
ББК 31.211
Е83

Е83
Ёсикадзу, Иида.
Занимательная физика. Электрические цепи : манга / Ёсикадзу Иида (автор), Ямада Гарэки (худож.) ; пер. с яп. А. Б. Клионского. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 242 с. — Москва : ДМК 
Пресс, 2023. — (Образовательная манга). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо 
Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-421-6
Эта книга написана с целью дать возможность читателям, приступающим к изучению электрических цепей получить радость от этого процесса. В книге парочка персонажей из параллельного 
мира — Фьюз и Космо, постепенно узнают много нового, бросая вызов задачам с использованием 
электрических цепей: от постоянного и переменного тока до генерации и передачи электроэнергии. 
Автор стремится к тому, чтобы читатели, сопереживая этим героям и испытывая вместе с ними 
удовольствие от решения задач, тоже не уступали им, а повышали свой уровень мастерства.
Цель книги — заинтересовать школьников, студентов и просто любителей физики изучить теорию электрических цепей. Эти базовые знания дадут толчок к дальнейшему пониманию мира электротехники, умных сетей электроснабжения и космической энергетики.

УДК 621.3.011.7 
ББК 31.211

Электронное издание на основе печатного издания: Занимательная физика. Электрические цепи : манга / 
Ёсикадзу Иида (автор), Ямада Гарэки (худож.) ; пер. с яп. А. Б. Клионского. — Москва : ДМК Пресс, 2016. — 
240 с. — (Образовательная манга). — ISBN 978-5-97060-163-1. — Текст : непосредственный.

Издательство выражает благодарность В. О. Панфилову

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-421-6
© 2010 by Yoshikazu Iida and Pulse Creative House Co., Ltd.
© Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

Теорию электрических цепей можно назвать первым трудным препятствием, которое преграждает путь начинающим изучение электротехники. Если не научиться разбираться в них, будет очень трудно понять последующие темы — электрогенерацию, 
электропередачу, электронные схемы и т. д. Однако пытающихся освоить электрические цепи, наверное, часто смущает обилие математических выкладок и формул.
Эта книга написана с целью дать возможность читателям, приступающим к изучению электрических цепей получить радость от этого процесса. В книге парочка персонажей из параллельного мира — Фьюз и Космо, постепенно узнают много нового, 
бросая вызов задачам с использованием электрических цепей: от постоянного и переменного тока до генерации и передачи электроэнергии. Мне хотелось бы, чтобы 
читатели, сопереживая этим героям и испытывая вместе с ними удовольствие от решения задач, тоже не уступали им, а повышали свой уровень мастерства.
Как специалист по электротехнике, я буду рад, если как можно больше читателей 
глубоко поймут теорию электрических цепей и ещё сильнее заинтересуются ей. А затем, превзойдя это первое препятствие, попытаются войти в мир электротехники, 
умных сетей электроснабжения и космической энергетики.
В заключение хочу здесь выразить искреннюю благодарность г-ну Ямада Гарэки, 
нарисовавшему мангу, сотрудникам компании Pulse Creative House, а также всем сотрудникам и заинтересованным лицам отдела разработок издательства Ohmsha, давшим мне возможность написать эту книгу.
 

Иида Ёсикадзу
Февраль 2010

V

СОДЕРжанИЕ

Глава 1. ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?

1. Природа электричества ....................................................10

Атомное ядро и электроны..................................................................................19
Электростатическая индукция ............................................................................19

2. Проявления электричества ................................................21

Глава 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Последовательная цепь ....................................................28

Схема соединений (монтажная) и принципиальная схема ....................39

2. Параллельная цепь ........................................................40

3. Закон Ома ...................................................................41

Основа основ - «закон Ома» ...............................................................................41
Принципиальная схема и её расчёт ...............................................................42

 Лекция 1 мастера Ёта. Общее сопротивление ...........................................43

4. Эквивалентные схемы ......................................................56

Лекция 2 мастера Ёта. Расчёт эквивалентных схем .................................58

5. Правила Кирхгофа .........................................................60

Фундамент теории электрических цепей ......................................................60

Дополнительная информация ................................................73

Электрическая энергия (электроэнергия) .....................................................73
Электрическая проводимость............................................................................73
Мост Уитстона .........................................................................................................73
Теорема наложения .............................................................................................. 74

Глава 3. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. Электромагнитная индукция ...............................................76

2. Синусоидальный переменный ток ........................................81

VI

3. Среднее и действующее значения тока ..................................83

Смысл действующего значения........................................................................93
Расчёт действующего значения ........................................................................94
Определение действующего значения ..........................................................94

 Лекция 3 мастера Ёта. О векторах и комплексных числах ...............100

4. Полное сопротивление и полная проводимость ..................... 101

Индуктивность ........................................................................................................113
Индуктивное сопротивление ............................................................................115
Электрическая ёмкость .......................................................................................117
Ёмкостное сопротивление ................................................................................118

5. Векторы и разность фаз .................................................. 121

6. Мощность пере менного тока ............................................ 135

Как выразить мощность переменного тока? ............................................... 145
Связь между мощностью, полным сопротивлением и коэффициентом 
мощности ................................................................................................................ 148
Векторное выражение мощности ................................................................... 149

 Лекция 4 мастера Ёта. Мощность переменного тока .............................151

Дополнительная информация .............................................. 157

Резонансные цепи ................................................................................................157
Теорема об активном двухполюснике (теорема ТевененаГельмгольца*) .......................................................................................................157

Глава 4. ЦЕПИ ТРЁХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. Выгоды трёхфазного переменного тока ............................... 162

Причина использования трёхфазного переменного тока ....................164

2. Подключение трёхфазного переменного тока ........................ 165

Звёзды и многоугольники ................................................................................ 165

3. Изучаем трёхфазный переменный ток с помощью векторов ........ 166

Оператор поворота .............................................................................................. 166
Почему проводов три? ....................................................................................... 167

4. Трёхфазный переменный ток при соединении фаз звездой 

и треугольником .......................................................... 168

Соединение фаз «звездой» и «треугольником» ....................................... 168
Соединения «звезда-звезда» и «звезда-треугольник» ........................... 169

VII

Очень просто! Соединение фаз источника «треугольником» ............. 179

  5.  Мощность трёхфазного тока .......................................... 181

 Лекция 5 мастера Хиудзу. Трёхфазный переменный ток ...................188

Дополнительная информация .............................................. 194

Вращающееся магнитное поле ....................................................................... 194
Инвертор .................................................................................................................. 196

Глава 5. ЭЛЕКТРОГЕНЕРАЦИЯ И ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧА

 Лекция 6 мастера Ёта. Электрогенерация и электропередача ......... 202

Дополнительная информация .............................................. 209

Умные сети электроснабжения ...................................................................... 209
Технология передачи электроэнергии на сверхвысоких частотах  .. 210
Технология сверхпроводимости .................................................................... 210
Системы космической солнечной электрогенерации ............................211
Электрогенерация термоядерного синтеза ................................................. 212
Топливные элементы ......................................................................................... 213
Солнечная электрогенерация .......................................................................... 213
Ветровая электрогенерация ............................................................................. 214
Тепловой насос .................................................................................................... 215
Светодиодное освещение.................................................................................. 215
Интернет по линиям электропередач .......................................................... 215
Основные понятия ............................................................................................... 217

 Лекция 7 мастера Ёта. Термины теории электрических цепей ....... 217

Основные понятия ......................................................................................... 217
Практические термины ............................................................................... 218
Символы греческого алфавита ................................................................. 219
Единицы измерения, используемые для электрических цепей ..220
Обозначения, используемые на электрических схемах ................. 221

Эпилог ........................................................ 223

Предметный указатель ...................................... 228

VIII

Может быть,  

я тоже смогу стать 
знаменитостью?

И созданная мной 
игра будет хорошо 
продаваться?

Сайко, сделай так, 
чтобы данные 
скачивались 
на мой компьютер 
тоже.

Всё готово.

Поняла.

Итак, если удастся 
поймать эту частицу, 

то начнётся эпоха 
новой энергетики.

Некий уНиверситет

Профессор 
электротехники 
Масуда Ёта

Профессор 
электротехники 
Масуда Сайко

Лаборатория

1

 

Итак, 
приступим!

Установка сверхвысокого 
вакуума работает. 
Энергия вакуума 
детектируется.

Температура 
панели растёт.

Всё идёт как надо.

Сайко, начинай 
скачивать данные.

Пошло! Панель 
поймала энергию!

Начало 
термоэлектронной 
эмиссии... Инвертор 
включён.

Начало генерации 
переменного тока... 

Щёлк

Скр, скр

Вуиии

2